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Scritto da: Vincenzo Zappalà
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Dalla rotazione alla vita? **
Questo articolo è inserito nella sezione d'archivio "Quanta vita sulla Terra e (forse) oltre..."
Le basi della vita biologica sembrerebbero proprio essersi costruite nello Spazio e la Terra primigenia potrebbe rivestire solo il ruolo di incubatrice. Tuttavia, resta sempre un mistero il passaggio da molecole organiche, anche molto complesse, alla prima cellula, capace di sfruttare l’energia per riprodursi o anche solo per compiere azioni “personali” e non codificate. In altre parole, passare dal disordine all’ordine. Una serie di simulazioni effettuate su nano particelle potrebbe avere aperto una piccola finestra su questo enorme e affascinante problema.
Sappiamo ormai benissimo come l’uomo sia in grado di agire sulle nano particelle per creare strutture che rispettino particolari regole fondamentali per il loro utilizzo in tecnologie sempre più raffinate. Tuttavia, quando si ha a che fare con dimensioni migliaia di volte più piccole di quelle di un granello di sabbia, risulta estremamente difficile riuscire a intervenire per creare ordine in un insieme terribilmente caotico. Soprattutto, perché è necessario influenzare dal di fuori un sistema inerte e incapace di evolversi.
L’ideale sarebbe potersi affidare ad un qualche processo che sia gestito direttamente dalle particelle e che le porti naturalmente dal disordine verso l’ordine. In altre parole, sperare in un auto organizzazione di una popolazione di entità materiali soggette solo a legami di tipo chimico. Capite perfettamente che questa “richiesta” è molto simile al passaggio da molecole inerti a strutture biologiche capaci di agire in modo concorde e globale verso un certo scopo. Un risultato che sembrerebbe proprio un segno “vitale”, ben diverso da qualsiasi legame di tipo chimico. Azzarderei, addirittura, il primo passo verso la vita biologica. Fantascienza? Sembra proprio di no.
Di cosa ha bisogno un organismo vivente per vivere? La Natura ci dice che necessita di “cibo”, ossia di una certa quantità di energia che viene trasformata e utilizzata per sostenere un processo evolutivo. Perché, allora, non provare a vedere cosa succede ad un insieme di nano particelle, prive di auto regolazione, quando vengano rifornite di una qualche forma semplicissima di energia? Presso l’Università del Michigan sono stati fatti esperimenti e simulazioni di questo tipo e ci si è imbattuti in un processo che ha spinto i ricercatori a chiamare il risultato con un nome molto indicativo: cristalli viventi rotanti, dove il “vivente” sta per qualcosa capace di agire spontaneamente verso la formazione di un sistema ordinato. In fondo, sarebbe molto diverso dal meccanismo che ha trasformato una miscela informe di molecole in una struttura organizzata, capace di sfruttare l’energia per la propria evoluzione? Dal brodo primordiale puramente chimico alla vita biologica, insomma.
Vale proprio la pena di descrivere, con maggiori dettagli, ciò che è stato fatto nel Michigan.
Immaginiamo un insieme numerosissimo di particelle e forniamogli una qualche forma di energia. In particolare, imprimiamole, a caso, una rotazione o in senso orario o in senso antiorario. Ogni particella ruota, ma la rotazione è del tutto indipendente dalla posizione occupata nella popolazione. Si avrà soltanto un insieme di piccole “girandole” rotanti, in stretto contatto tra loro. Teoricamente, l’insieme, privo di ordine, dovrebbe rimanere tale e quale, dato che nessun processo particolare le obbliga a muoversi in modo preferenziale. E, invece, in breve, l’esercito inizia a separarsi in gruppi che mostrano ciascuno una caratteristica simile: i soldati che girano in senso concorde si uniscono tra loro e lo stesso fanno quelli che girano in verso contrario. Qualcosa di veramente imprevisto. Senza aver dato alcun ordine dall’esterno, la sola energia di rotazione innesca un processo di separazione e di ordine del tutto inaspettato. Ogni particella sembra possedere una sua chiara volontà. Dove vi era il caos si crea un po’ alla volta una struttura con un disegno architettonico nitido e complesso. E’ bastato regalare un briciolo di energia (la rotazione) a ogni singola particella (in modo del tutto disordinato) per far nascere un gruppo organizzato guidato da una dinamica collettiva. E’ così lontano da ciò che intendiamo per vita o -quantomeno- per suo inizio primordiale?
Cosa succede all’interno del nostro esercito. Semplifichiamo le particelle con delle vere e proprie girandole come rappresentato in Fig. 1. Esse devono in qualche modo interagire tra loro ed essere capaci di dividersi in gruppi, solo in base al loro senso di rotazione. La divisione avviene utilizzando l’energia rotazionale e non attraverso altri collegamenti come l’attrazione reciproca (questo è molto importante). La separazione è frutto solo delle modalità dell’incontro tra girandole concordi od opposte.
Il meccanismo è rappresentato in Fig.2. In alto, si scontrano due particelle con rotazione concorde; in basso, due con rotazione opposta. La differenza non è certo trascurabile.
Le prime due si uniscono per un certo periodo di tempo (anche minimo) e si muovono, come un'unica particella, prima di separarsi. Le altre due, invece, si separano immediatamente. Conclusione? Le prime due, a causa del maggior periodo di contatto, restano vicine mentre le altre si allontanano. In questo modo, avviene il piccolo miracolo mostrato in Fig. 3, dove si vede la situazione iniziale (un mix di particelle con rotazione casuale) e quella dopo un certo tempo, quando già si sono formati gruppi separati più o meno complessi.
Teniamo anche conto che le rotazioni cambiano d’intensità. In particolare, si è notato che ai confini tra i vari gruppi si sistemano le particelle che non ruotano più. Esse vengono per così dire emarginate e non partecipano alla danza organizzativa. Nuclei e membrane separatrici? Beh, per adesso, è solo una simulazione…
L’esperimento è stato fatto in due, ma si pensa che funzioni altrettanto bene in tre dimensioni. Anzi, i “soldatini” sarebbero liberi di allineare i propri assi di rotazione e creare cristalli “viventi” tridimensionali, dove per viventi si intende quanto detto precedentemente.
Sì, avete ragione: il processo che implica la divisione e l’eventuale formazione di cristalli con caratteristiche peculiari e selezionate, è puramente meccanico e non certo “intelligente”, ma il risultato porta indiscutibilmente ad un’organizzazione generale del sistema. L’interesse tecnologico è enorme, dato che il fenomeno, nel suo complesso, funziona non solo come processo di ordine, ma anche come trasportatore di particelle. Tuttavia, lasciatemi dire che le ripercussioni sulla problematica del “quid” necessario a passare dalla chimica organica alla vita sembrano altrettanto importanti.
Forza, dateci dentro!
QUI una riflessione sull'intelligenza animale che ritengo un'interessante appendice a questo articolo sui "cristalli viventi"
37 commenti
E' interessantissimo questo comportamento tendente all'ordine delle molecole, all'apparenza così innaturale ("termodinamicamente" parlando
), ma confesso che al momento mi sfugge quali siano le applicazioni pratiche di questa tecnologia: qualche farmaco rivoluzionario? Un po' come fu per il laser, siamo in presenza di un'invenzione in attesa di sapere a cosa possa servire ed è probabile che, come per il laser, sarà determinante per un mucchio di applicazioni. 
Per il resto, sono molto scettico (eufemismo) sul parallelo fatto con la vita biologica. Per prima cosa, infatti, occorre stabilire cosa sia la Vita e a quanto mi risulta (ma può darsi che venga facilmente smentito), nessuno scienziato né filosofo, dai tempi del saggio di Schroedinger fino ai giorni nostri, è riuscito mai a darne una definizione univoca e scientificamente valida (cioè riproducibile, misurabile, ecc...ecc...). Resta ancora, e forse resterà per sempre, il Grande Mistero per antonomasia, quasi metafisico, e al cui confronto l'energia oscura e l'inflazione cosmica sembrano giochini.
Possiamo dire che per la vita (e l'Universo) è valido il secondo principio delle termodinamica, ovvero l'entropia cresce o rimane costante.
In questo caso l'ordine viene creato grazie all'energia, alla rotazione, data dall'esterno a queste particelle inanimate.
Per parlare di vita questa sorta di "organizzazione" dovrebbe essere mantenuta nel tempo, consumando energia utile dall'esterno, ed è proprio qui che si cela il mistero che, in accordo con quanto detto da Pier, difficilmente riusciremo a scoprire.
dunque... cerco di fare l'amico del giaguaro...
Innanzitutto, l'importanza tecnologica: si riuscirebbe a creare uno spostamento di moltissime molecole e il loro confinamento. Un po' come voler separare le palline bianche da quelle nere, da un mucchio enorme, a mano, senza avere dita capaci di prenderle. Se invece si mettessero a posto da sole...
La vita: lasciamo perdere le definizioni troppo sottili. Quella più importante è che una cellula che riceve energia riesce a trasformarla in modo da creare qualcosa che va contro il principio dell'entropia (da disordine a ordine). Questo è uno dei principi della vita: essa è un qualcosa di contrario alla legge dell'entropia. Su questo non ci sono dubbi. La simulazione ha provato che molecole riescono a farlo senza imposizioni specifiche, ma proprio attraverso un rifornimento energetico che viene utilizzato per andare contro l'entropia. Non pretendiamo di voler dimostrare tutto, ma è sicuramente un passo imprevisto che potrebbe applicarsi ai primi ammassi molecolari presenti negli oceani. Se una fonte energetica esterna continuasse a fare girare le girandole, esse non solo manterrebbero l'ordine, ma potrebbero proprio cambiare di stato. Avremmo cristalli specializzati pronti a fare un passo successivo.
Non posso dire cos'è la vita in modo completo, ma sicuramente questo esperimento crea una finestra che può essere uno dei primi passaggi... Non vi sarebbe più bisogno di un quid, ma solo di tanto tempo per permettere alle varie organizzazioni e ai cambiamenti di fase di ottenere qualcosa di più evoluto e sempre più lontano dalla crescita dell'entropia.
Anche noi stiamo continuamente lottando contro il principio della termodinamica e per far questo abbiamo bisogno di energia esterna. Questa è sicuramente vita!
Ma non ho capito...è stato un esperimento o solo una simulazione al computer?
caro lampo,
penso che al momento sia solo una simulazione, ma l'esperimento doveva essere prossimo...
Ma allora il secondo principio della termodinamica, che dice che dando energia ad un sistema esso tende ala disordine ed al caos in questo contesto non vale?
no, Giorgia, non capisco... per bloccare il disordine e andare verso l'ordine è necessario fornire energia. Gli organismi viventi sono anomalie nel trend che porta alla massima entropia... Per sopravvivere hanno bisogno di energia.
Il secondo principio vale per un sistema isolato, in questo caso arriva energia dall'esterno.
cara Giorgia,
ti faccio un paio di esempi. L'entropia dell'Universo è come un fiume che scorre verso la foce. Episodi come la vita umana (ma anche le stelle) sono i vortici che si originano al suo interno e che sembrano invertire il senso della corrente.
Oppure, pensa a una casa che brucia e si riduce in cenere. E' un fenomeno che produce energia e tende al disordine. Se vuoi, invece, passare dalla cenere alla casa (invertire la freccia del tempo) devi compiere lavoro, ossia fornire energia al sistema e andare contro l'entropia.
Alle particelle che tendono a vivere viene fornita energia dall'esterno, come a noi viene dato il cibo. Se non mangiassimo moriremmo e diventeremmo particelle che vanno verso la foce...
Quindi ci vuole qualcosa di esterno che fornisca energia, ma che cos'è questo qualcosa?
Come dici tu per passare dalla cenere alla casa, ci vuole lavoro, ma chi "fa" questo lavoro? Inizio a pensare che ci sia qualcosa che abbia una volontà....(???)
Cara Giorgia,
nel caso della cenere può essere il lavoro dell'uomo. Nel caso delle cellule è la trasformazione di energia solare in energia chimica. Sono azioni non spontanee... ma possono avvenire per particolari condizioni al contorno. Una stella parte da un ammasso di gas, ma poi la gravità si trasforma in calore e questo permette la fusione dei nuclei... e via dicendo. Energia esterna al sistema. Quando, invece, la stella esplode produce spontaneamente energia...
Grazie Enzo...però se è solo una simulazione, per quanto fedele possa essere, vorrei vedere che veramente succeda anche nella realtà quanto simulato no?
Comunque interessante...
Quindi è proprio il caso di dire che siamo figli delle stelle, in tutto e per tutto... Molto affascinante....
caro Lampo,
hai perfettamente ragione... ma quante verità assodate sono nate da simulazioni? E' un primo passo indispensabile, specialmente per i sistemi complessi delle nano tecnologie.
Hai ragione Giorgia
Si può sempre andare controcorrente, ma costa ... fatica!
Interessante questa simulazione. L'unica osservazione al momento (sono al lavoro e il tempo per riflettere é poco
) é che mi viene da pensare che questo capiti semplicemente perché le particelle é stato dato un modo di comunicare nella stessa "lingua" (il verso di rotazione), e a causa di questo si riuniscano per sfruttare al meglio quello che gli é stato dato 
).
Mi rendo conto che é una semplicissima e banale speculazione, ma non é forse questo il piú grande miracolo del nostro splendido Universo? Tutti i gli "abitanti" "parlano" la stessa "lingua" (composta da quattro "dialetti" simili ma differenti
Non é forse quello che facciamo anche noi con le nostre nazioni?
caro Andrea,
ma se delle particelle "chimiche" sanno parlarsi, allora ... sono anche biologiche?!
Secondo me, per parlare di vita bisogna che ci siano anche un metabolismo e soprattutto un meccanismo di riproduzione
Le particelle crescono, si parlano e si aggregano in maniera selettiva ma... si riproducono? 
Beh ma alla fine noi "biologici" non siamo forse fatti della stessa "pasta"? Magari cambia solo la complessitá della lingua
E a che gli servirebbe riprodursi?
A noi serve per conservare le nostre "informazioni" di base, ma a loro? 
(scusate il doppio post, ma sto facendo toccata e fuga 
)
Caro Andrea,
)
Ci si riproduce per perpetuare la specie... ("crescete e moltiplicatevi", disse Uno famoso e noi, se possiamo, ci moltiplichiamo volentieri
Un essere vivente è tale perché muore, paradossalmente. Per impedire l'estinzione della specie, trasmette i suoi geni alla discendenza. Se le molecole non "muoiono" mai, vuol dire che non hanno bisogno di riprodursi, come dici tu, e quindi non sono viventi.
Lo so, è filosofia, ma Enzo ha detto "Forza, dateci dentro" e noi quindi obbediamo agli ordini.
attenzione ragazzi...
nessuno pretende che i cristalli "viventi" siano VITA, ma potrebbero rappresentare uno dei passi primigeni per ottenerla. Loro non si riproducono ancora, ma sono in grado di fare ordine per il passo successivo. Insomma, un passetto alla volta... Non credo proprio che la prima cellula si sia formata in un attimo a partire dai composti organici. Ci saranno voluti passaggi intermedi...
Enzo scusami se magari dico una cavolata, ma anche gli atomi minerali in certe condizioni si configurano in modo ordinato.
Non vorrei sembrare cinico ma mi sembra che la diascussione si divida in tre parti.
1 se è una nuova simulazione al computer, mi ricordo che in ufficio, caricavo da un disco da 8" (nella preistoria informatica erano le nostre chiavette ma erano in plastica e non in pietra) e facevo girare un programma chiamato LIFE che una volta messo in una griglia un punto, in base ad un algoritmo creava e/o distruggeva diverse figure ed alla fine creava degli oggetti chiamati alianti che si muovevano come se fossero vivi sulla griglia. Con i computer di oggi penso che si possa simulare qualsiasi fenomeno, poi vediamo se esistono realmente come previsto.
2 non penso che ci possano esser dubbi che per la vita, in qualsiasi forma si manifesti, occorra dell'energia 'esterna' per farla sussistere. Ogni trasformazione chimica/biologica necessita di energia esterna.
3 per quanto riguarda il linguaggio fra cellule tutte le nostre sensazioni e pensieri derivano da 'linguaggi chimico/elettrici' tra cellule 'esterne' del corpo (pelle, occhi etcc.) e cellule 'interne'
(neuroni, sinapsi) o tra cellule 'interne' e cellule 'interne' all'interno del cervello
Ps Il riprodursi è solo il nostro, come per tutti gli esseri viventi, dovere di portare avanti, e modificare, il DNA
Se sono stato lungo o pessimista scusatemi
caro Giorgio,
direi che la differenza starebbe nel fatto che questo non è un ordine "spontaneo", basato su interazioni chimiche, ma avviene a seguito di un'azione esterna non preordinata. Comunque, mi piacerebbe sentire cosa ne pensa un "chimico" o un "biologo"...
Discernere ciò che è vita da ciò che non lo è non è sicuramente facile.
Come è stato già accennato, i cristalli si propagano e in opportune condizioni si "riproducono".
A sua volta, che dire dei virus? Sono vivi o no?
Altra domanda: la vita è solo come la conosciamo noi, oppure possiamo considerare vita anche qualcosa che non si basa sul carbonio, o sugli aminoacidi?
Caro Enzo, è un po' come la distinzione tra asteroide, pianeta nano e pianeta.... E' tutta questione di definizione... ;)
Comunque, se vi interessa, date un'occhiata QUI e QUI....
Mi permetto 2 puntualizzazioni ai post finora letti:
1. Una qualunque reazione chimica affinché possa avvenire deve essere termodinamicamente favorevole, cioè deve prevedere che l'energia potenziale dei prodotti sia più bassa di quella dei reagenti, in sostanza ci deve essere una differenza positiva di entalpia (= energia interna + pressione x Volume)
2. Nonostante questo vantaggio, al sistema deve essere fornita energia (definita come energia di attivazione) necessaria a far avvenire la reazione.
Dunque credo che l'energia fornita per la rotazione possa essere definita come energia di attivazione del sistema, e l'ordine finale è più "vantaggioso" del disordine iniziale.
Per esempio sono noti composti ciclici del carbonio (non aromatici) che per poligoni fino a 5 atomi restano in uno spazio bidimensionale, ma appena ne aggiungiamo uno per formare un esagono, potremo stare li a guardare per giorni, ma questi 6 amici si disporranno a forma di sedia, occupando uno spazio tridimensionale. Stanno più comodi!!
ehhh red nel campo la sa lunga!
anche se si esce leggermente dall'argomento faccio solo una piccola provocazione:
e se per vita creassimo uma definizione piu restrittiva di quelle attuali (anziche cercare delle estensioni del concetto)?
prendendo spunto dalla medicina in cui in alcuni casi e' possibile interrompere le terapie a persone celebralmente morte (ma che hanno ancora gli altri orgeni funzionanti) magari potremmo definire vita solamente le forme complesse che hanno coscienza di loro stesse.
in questo caso ovviamente un albero non viene considerato vivo in senso stretto perche' non dotato di una sua coscienza e tanto meno le molecole dell'articolo che vengono relegate ad un "livello" inferiore
Alexander, COGITO ERGO SUM?
Definire coscienza di loro stesse
Scrivo questo perché, riflettendoci, mi viene da pensare che qualsiasi cosa che provvede alla sua stessa sussistenza, in un modo o nell'altro, possa essere considerata come cosciente di se stessa
Signori miei... qui non è un problema di definire cos'è la vita (forse impossibile finché non sapremo come si è creata), ma di capire se esistono piccoli passi che la rendono possibile. Non confondiamo il dire che i cristalli rotanti sono vivi col dire che potrebbero rappresentare un processo iniziale. La definizione di pianeta e pianeta nano (brutta definizione) si basa su indiscutibili processi fisici: pulire o non pulire la propria orbita. Un qualcosa che è stato "rallentato" nella sua divulgazione non per ignoranza, ma per interessi extra astronomici. Fosse così facile per la vita... Penso che ogni tentativo di impostare un certo ordine discriminante, non spontaneo, basato su rifornimento di energia, sia da studiare attentamente. Come già dicevo, non possiamo pensare a una bacchetta magica che trasformi un burattino di legno in un Pinocchio bambino...
L'importante è non partire prevenuti e non sfruttare la frase fatta (a mio parere) relativa alla presa di coscienza. Cos'è la coscienza? E perché gli alberi non dovrebbero averla dato che sanno modificare le proprie abitudini sulla base delle condizioni al contorno. E' molto diverso dalle nostre scelte? O ci piace che sia così e imbottiamo le nostre azioni di significati moralistici e religiosi? Mah... temo che l'uomo stia sopravvalutando le propria capacità sulla base di una piccola conquista del suo cervello. Chi valuta le conquiste? Noi. Mmmmh... conflitto d'interesse
forse sul concetto di coscienza mi son spiegato male, non intendevo una forma religiosa o che fa riferimento all'anima ma mi riferivo al conscetto di coscienza di se stessi, lo intendevo come consapevolezza di esistere a livello individuale.
un albero, pur essendo sicuramente vivo, a mio avviso non ha la consapevolezza di esistere...
o forse si?
infondo e' vero, in realta' nessuno lo puo' dire con certezza assoluta...
Bah, Enzo... E' un dato di fatto che noi umani tendiamo ad incasellare tutto quello che conosciamo analiticamente. E' altrettanto un dato di fatto che, così facendo, si perde la vista d'insieme (olistica). A me sembra che la definizione di vita sia andata troppo verso l'analisi a discapito della vista d'insieme. In fondo, la vita sul nostro pianeta è anche fatta dall'insieme di interazioni tra i vari viventi. In tal senso, il virus è vivo e il cristallo no. E se la vita fosse un'insieme di fenomeni, e non un fenomeno unico?
Comunque, stiamo tentando di avvicinarci al mistero della sua nascita anche con questo esperimento. Un'altro esperimento interessante è quello che mira a creare un batterio artificiale con geni minimi ed enzimi costituiti da RNA. Un passo alla volta, ci si arriva senz'altro....
Sì, sì, Ale... resta, però, sempre il fatto che il significato di coscienza di se stessi è sempre un concetto filtrato attraverso la nostra interpretazione. Noi siamo portati a discriminare certe capacità a seconda se le possediamo oppure no. In ogni modo, in tal caso, siamo già nella fase di vita "intelligente" e non solo di vita.
Caro Red... tanto per continuare a fare il tifo per il giaguaro, il cristallo dell'articolo si forma proprio attraverso un'interazione globale... in attesa di un altro passo successivo...
Ho letto un articolo su un pappagallo molto speciale... magari ne scrivo qualcosa, anche se non mi convince del tutto...
Mi inserisco anch'io nella discussione,
Con Red su astronomia abbiamo accennato alla chiralità degli aminoacidi che sono le basi della vita, queste molecole sono levogire, come delle piccole viti sinistrorse. Non so se quando crescono ruotano, ma senz'altro si muovono nell'ambiente ed essendo delle piccole molle possono combinarsi solo con altre molecole levogire. Poiché questi aminoacidi sono presenti anche nelle nebulose planetarie, con Red ci chiedevamo se fossero per qualche motivo fisico (quantistico) avessero prevalso le molecole levogire così come la materia ha prevalso sulla materia.
Poi i cristalli mi hanno sempre incantato, come non rimanere rapiti vedendo crescere i cristalli di iodio o di canfora... oppure i fiocchi di neve, uno diverso dall'altro, sembrano vivi!
Beppe... hai letto questo?
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=9259
Urca!! E' favoloso! mi piace il fenomeno dentro fuori, cioè l'idrofobia della molecola sulla pellicola e l'effetto dei raggi polarizzati. Non mi è chiaro se gli aminoacidi trovati in meteoriti sono L o D. Poi la componente solare ultravioletta viene polarizzata dall'atmosfera o dalla corona solare?
Caro Enzo, cari tutti,
perdonatemi, ma leggendo questo articolo, più che la "vita", a me sono venute in mente la conservazione della quantità di moto e del momento angolare durante gli urti tra le queste particelle.
Non lo so, ma mi viene da pensare che siano sufficienti delle semplici formule per spiegare dei fenomeni che, alla fine, sono solo delle simulazioni.
Altra cosa che mi è venuta in mente è un link che io stesso ho postato su astronomia.com: http://www.astronomia.com/forum/showthread.php?3981-Come-sincronizzare-32-metronomi-sfasati
Mi auguro di non aver fatto irritare nessuno.
Un caro saluto,
Alex.