Calamite naturali
La magnetite (FeO·Fe₂O₃) è un minerale di ferro che ha un contenuto di metallo particolarmente alto. È presente in quasi tutte le rocce di origine vulcanica o metamorfica, dunque nelle rocce che si formano per solidificazione del magma e non per sedimentazione. Ed è proprio nella fase di solidificazione e cristallizzazione che la magnetite acquista le sue proprietà magnetiche.
Ogni molecola di ogni composto di ferro si comporta come un piccolo ago magnetico e tende a orientarsi nel campo magnetico terrestre. Nella roccia fusa, però, gli urti disordinati fra le molecole ad alta temperatura prevalgono sull’effetto ordinatore del campo magnetico, e le molecole puntano in direzioni casuali. Il campo magnetico generato da ciascuna molecola (gli aghi magnetici non si limitano a subire il campo magnetico, sono essi stessi sorgenti di campo magnetico) interferisce con quello generato dalle altre, così che il campo magnetico complessivo dell’intera roccia è praticamente nullo.
Quando la temperatura si abbassa, però, l’effetto degli urti molecolari diventa meno importante, mentre inizia a prevalere la tendenza dei campi magnetici ad allinearsi fra loro e con il campo terrestre. Una volta che la roccia si è solidificata, i cristalli di magnetite hanno acquistato una magnetizzazione macroscopica diversa da zero e si comportano come piccole calamite. Se fossero liberi di oscillare, si orienterebbero come delle bussole. Ma le rocce non oscillano. In questo modo, un minerale di magnetite rappresenta una specie di fotografia del campo magnetico terrestre al momento della sua formazione; o, se volete, una specie di fossile magnetico, che ci racconta qualcosa sul passato della Terra.
(La storia del campo magnetico terrestre è piena di aspetti straordinari e suggestivi. Se volete, potremo parlarne, una volta o l’altra…)

Organismi magnetici
Ma che c’entra l’evoluzione biologica? In realtà c’entra parecchio. Sono molti gli organismi che incorporano cristalli di magnetite nella propria anatomia. La fotografia qui a fianco mostra un chitone farfalla (Cryptoconchus porosus), un membro della classe dei chitoni, particolari molluschi marini. I chitoni si nutrono "rosicchiando la roccia": con il loro apparato boccale grattano via dalle rocce, sulle quali aderiscono saldamente, le alghe e i microrganismi che le ricoprono.
Naturalmente, questo stile alimentare richiede una dentatura particolarmente robusta. I chitoni hanno risolto il problema procurandosi dei denti letteralmente di ferro. Il loro organismo concentra i cristalli di magnetite che si trovano naturalmente nell’acqua marina e nel cibo e li usa per rivestire la radula, la lingua abrasiva con la quale i chitoni grattano le rocce. Se trovate un po’ ruvida la lingua del vostro micio, non vi consiglio di adottare un chitone come animale domestico.
(I chitoni adoperano la magnetite per le proprietà di durezza che le conferisce l’alto tenore di ferro, e non per le proprietà magnetiche. Mi fanno pensare agli eserciti che usano proiettili di uranio impoverito, non perché radioattivi, ma perché particolarmente compatti e penetranti. Anche la corsa agli armamenti non l’abbiamo inventata noi. Mi chiedo se si possano pescare i chitoni con una calamita…)

Un batterio bene orientato
Ma l’esempio che voglio discutere è quello di un batterio, Magnetospirillum magnetotacticum. Questo batterio è stato scoperto nel 1975, ha una forma allungata e ricurva ed è dotato di un flagello, una specie di coda utile per la locomozione. Come tutti i batteri dotati di un apparato locomotore, ha un grosso problema da risolvere. Noi grossi e pesanti organismi multicellulari facciamo fatica a capire un problema simile, ma M. magnetotacticum è così piccolo e leggero che i moti disordinati delle molecole d’acqua, dovuti all’agitazione termica, sono sufficienti a farlo muovere e ruotare in maniera altrettanto disordinata. Se chiedete a qualcuno dove si trovi una strada che non conoscete, siete contenti se dicono di andare sempre dritto nella direzione in cui state procedendo. Ma per un batterio "andare sempre dritto" è un’impresa quasi impossibile.
Un apparato locomotore è quasi inutile se non siete in grado di mantenere una direzione determinata. M. magnetotacticum ha risolto almeno in parte il problema in maniera originale e ingegnosa: ha ingoiato una bussola. Più esattamente, ha acquistato la capacità di formare degli organelli, i magnetosomi, che possono concentrare cristalli di magnetite dall’ambiente e formare strutture lineari simile ad aghi magnetici. La microfotografia qui accanto mostra una struttura simile con evidenza.
In realtà, non è esatto dire che M. magnetotacticum ha una bussola incorporata. È più corretto dire che questo batterio è una bussola. Di nuovo: essendo molto leggero, la forza esercitata dal campo magnetico terrestre sui magnetosomi è sufficiente a far ruotare l’intero organismo, allineandolo con il campo terrestre. Gli urti delle molecole d’acqua tendono a fargli perdere questo orientamento, ma il campo magnetico lo rimette rapidamente in riga. In questo modo, muovendo il flagello, M. magnetotacticum può spostarsi lungo le linee del campo magnetico terrestre senza essere sballottato in qua e in là. Ha ceduto in parte la libertà di muoversi nelle tre dimensioni, in cambio della capacità di conservare una direzione precisa di movimento. Quelle linee di campo che per noi sono appena visibili nella debole oscillazione di una bussola, per M. magnetotacticum sono veri propri binari, solchi profondi nei quali si muove saldamente.

Per approfondire:

Una descrizione delle proprietà della magnetite.

Un articolo su Magnetospirillum magnetotacticum.

Una pagina sull’invenzione di Flavio Gioia.

Potremmo essere tentati di rispondere che non lo facciamo perché l’evoluzione parla degli esseri viventi. La fisica, si sa, si occupa di "oggetti inanimati": palle da biliardo, galassie e atomi. La selezione naturale agisce su esseri viventi, quindi è per definizione estranea alla fisica. Problema risolto.
Questa, per usare un termine tecnico, è una stupidaggine. Ci sono numerosi esempi di leggi fisiche che si applicano in maniera fruttuosa agli esseri viventi. Le leggi della termodinamica, ad esempio. Uno degli scopritori del principio di conservazione dell’energia, Julius Robert von Mayer, elaborò le sue idee studiando i processi di ossidazione che avvengono negli esseri viventi e attraverso i quali gli animali ricavano energia dal cibo ingerito. I biologi contemporanei applicano le leggi della fisica non soltanto agli organismi e alle cellule, ma anche agli ecosistemi da una parte e ai componenti macromolecolari delle cellule dall’altra.

Per quanto riguarda gli ecosistemi, è decisivo ad esempio lo studio delle trasformazioni energetiche che avvengono da un livello all’altro di una catena alimentare. L’energia irraggiata dal Sole viene convertita soltanto in parte dalle piante, mentre una percentuale elevata si disperde nell’ambiente come calore. Una simile dispersione dell’energia avviene quando gli erbivori si cibano delle piante o quando i carnivori si cibano di erbivori. (L’illustrazione che apre questo post è la raffigurazione ottocentesca di una di queste catene alimentari in un lago svedese.) Questi risultati sono in perfetto accordo con il secondo principio della termodinamica. Quando una società come la nostra sceglie di usare i cereali non per alimentare direttamente gli uomini, ma per ingrassare del bestiame destinato poi all’alimentazione umana, sceglie allo stesso tempo di sprecare letteralmente il 90% dell’energia fornita dai cereali: in questa maniera assai poco efficiente i cerali che potrebbero sfamare dieci esseri umani bastano appena per uno soltanto di essi.

Per quanto riguarda la biofisica delle "macchine molecolari" presenti all’interno delle cellule, oggi siamo in grado di ricostruire e misurare le forze agenti ad esempio su strutture come i flagelli che alcuni batteri utilizzano per la locomozione. In effetti, le strategie che permettono a esseri abbastanza grandi come noi di muoverci in un mezzo come l’acqua — nuotare o remare, ad esempio — sono inutili per un organismo un milione di volte più piccolo, come un batterio. Ed è proprio dai motori biologici sviluppati nei batteri dall’evoluzione che gli studiosi di nanotecnologie traggono ispirazione per progettare macchine microscopiche che forse un giorno trasformeranno la medicina e l’ingegneria.
Nell’illustrazione possiamo notare come l’anatomia del flagello di un batterio gram-negativo possa essere rappresentata in mnaiera estremamente simile a quella di un dispositivo meccanico.

Un’altra spiegazione che potremmo avanzare per il fatto che la teoria della selezione naturale non sia considerata una teoria fisica è l’impossibilità di esprimerla con una legge matematica. Le leggi della fisica, dalla legge di gravitazione universale di Newton all’equazione di Schrödinger, hanno la forma di equazioni matematiche che legano fra loro le variabili che rappresentano le grandezze fisiche in esame. Nel caso dell’evoluzione darwiniana, la prima difficoltà in vista di una traduzione in termini matematici è proprio quella di individuare le variabili in gioco. Sarebbe ingenuo aspettarsi di poter scrivere un’equazione che permetta di calcolare la velocità della comparsa di nuove specie così come scriviamo l’equazione della velocità nel moto uniformemente accelerato. Il problema ha a che fare in parte con la difficoltà di definire il concetto stesso di "specie", che risulta talvolta inutilizzabile all’interno della stessa biologia. Ma c’è un aspetto più profondo, che è stato analizzato dal più grande biofisico italiano, Mario Ageno.

In Punti cardinali, un libro straordinario in cui egli espone le proprie riflessioni di scienziato su problemi come l’origine della vita sulla Terra o il significato delle teorie fisiche, Ageno illustra con grande chiarezza che cosa distingua le situazioni affrontate dalla fisica da quelle affrontate dalla biologia. La fisica ricerca leggi, relazioni matematiche che spiegano in che modo un sistema evolva da un certo stato iniziale a uno stato successivo: un oggetto cade da una certa altezza, un atomo assorbe un fotone e lo riemette, due galassie si scontrano fra loro. In tutte queste situazioni possono prodursi due casi fondamentali: o c’è un solo stato finale accessibile al sistema a partire dallo stato iniziale; oppure c’è un insieme di stati possibili, ciascuno caratterizzato da una certa probabilità. Abbiamo allora leggi fisiche deterministiche o probabilistiche.

Ma nell’evoluzione delle specie la situazione è profondamente diversa. Nessuno può elencare in anticipo le specie future alle quali potrebbe condurre l’evoluzione di una particolare specie, e non c’è assolutamente modo di associare neppure ad alcune fra esse una probabilità dotata di senso. Ogni organismo si trova al centro di un "paesaggio" evolutivo (in inglese Landscape) dove ad ogni punto corrisponde una certa condizione di vantaggio o svantaggio evolutivo. Il solo modo che l’organismo ha di conoscere tale paesaggio è esplorarlo, vivendo ed evolvendosi. E allo scienziato non è più possibile scrivere leggi e deve piuttosto — come fanno appunto i biologi evoluzionistici — ricostruire una storia. Si passa così dalla legalità della fisica alla storicità della biologia.

Un aspetto straordinario di questi concetti è che alcuni ricercatori contemporanei pensano che essi possano applicarsi alla stessa fisica dell’Universo. I fisici che si occupano di teoria delle stringhe, infatti, sanno che le ipotesi della teoria sono compatibili con un numero enorme di "universi possibili", ciascuno con le sue particolari leggi fisiche. Questa sconfinata collezione di universi, anche 10⁵⁰⁰ secondo i calcoli più accreditati, è stata battezzata da Leonard Susskind (uno dei padri della teoria delle stringhe) the Landascape, "il Paesaggio", con una analogia esplicita con la biologia evoluzionistica.
Possiamo pensare che l’universo si sia evoluto in un senso darwiniano? Questa tesi richiederebbe che esista non un universo, ma una popolazione di universi, sui quali operi una specie di selezione naturale. Ci sono cosmologi, come Lee Smolin, che hanno proposto proprio uno scenario di questo tipo. Magari ne parliamo un’altra volta…

Per approfondire:

Le catene alimentari in biologia

Un particolare motore biologico

Una pagina dedicata all’opera di Mario Ageno

Lo speciale di Radio3 Scienza dedicato a Mario Ageno e il relativo podcast

La pagina di Wikipedia dedicata a Leonard Susskind

Una esposizione della teoria di Lee Smolin degli universi fecondi