Le regole del gioco della vita potrebbero essere più semplici di quanto si pensa. Lo ha affermato Geoffrey West, fisico americano del Los Alamos National laboratory e del Santa Fe Institute, nel suo intervento alla Conferenza Europea sui Sistemi Complessi, svoltasi a Torino dal 5 al 7 novembre scorsi. “La ‘legge di Newton della biologia’ non è stata ancora trovata, e forse non si troverà mai. Manca un principio universale che spieghi i sistemi viventi, come fa la legge di Newton (f=ma) per buona parte di quelli fisici. Però, se si guarda alla biologia dal punto di vista ‘giusto’, tutto sembra semplificarsi”, ha affermato. West ha presentato in un quadro unitario una serie di osservazioni vecchie e nuove, per i biologi. Per esempio, già negli anni Trenta, il biologo Max Kleiber aveva osservato una precisa relazione fra la massa degli animali e il loro metabolismo di base. Il metabolismo di base rappresenta il ritmo con il quale un animale consuma energia: approssimativamente, il numero di calorie che brucerebbe in un giorno, se non facesse alcune attività. Kleiber verificò che, per un gran numero di mammiferi e uccelli, questa quantità era proporzionale alla massa dell’animale elevata alla potenza 3/4. In altre parole, un animale che pesa il doppio di un altro, consuma energia a un ritmo più veloce di un fattore due elevato alla potenza 3/4. La relazione è rispettata dal topo e dall’elefante, dal colibrì e dalla balena. L’osservazione sembrerebbe aneddotica, ma col passar del tempo è stata scoperta un’intera classe di relazioni di questo tipo, tanto che nel 1972 il biologo Julian Huxeley le ha classificate tutte col nome di “leggi allometriche”. Queste leggi affermano che una grandezza biologica che descrive un animale è proporzionale alla sua massa elevata a un certo esponente. Fra le grandezze c’è la lunghezza della vita, il battito cardiaco, la lunghezza della vena aorta e quella del genoma, la densità di mitocondri, il tasso di sostituzione di nucleotidi del Dna e la concentrazione di Rna. Leggi così generali non sono usuali per i biologi, abituati a sistemi con masse che variano in un intervallo di 27 ordini di grandezze ed energie in uno di 21. Però i fisici le hanno già incontrate in contesti come lo studio delle transizioni di fase, del caos, e l’unificazione delle forze della natura. L’aspetto più interessante di questo tipo di leggi è che nascondono delle quantità invarianti. Per esempio, la vita dei mammiferi cresce come la loro massa elevata alla potenza 1/4. D’altro canto, il loro ritmo cardiaco decresce con esponente -1/4. Di conseguenza, il numero di battiti cardiaci nella vita di un qualsiasi mammifero è pari, in media, a 1500 milioni. Con un ragionamento simile, si può ricavare il numero di molecole di ATP (adenosin-trifosfato: un componente chiave per lo stoccaggio di energia negli esseri viventi) prodotte nell’arco di una vita: circa un milione di miliardi. Nel suo intervento, West ha presentato un modello che spiegherebbe questa regolarità, sviluppato insieme ai suoi collaboratori negli ultimi anni. L’idea fondamentale è che tutte le strutture viventi, complesse, auto-sostenibili e in grado di riprodursi, sono costituite da un gran numero di unità microscopiche locali. E che la selezione naturale ha prodotto una rete in grado di distribuire energia e informazione a queste unità. Ne sono esempi il sistema circolatorio degli animali e quello vascolare delle piante, gli ecosistemi e le reti intercellulari. L’ipotesi di West è che le leggi universali della vita derivino dalla struttura di questa rete. Questi concetti sono stati applicati per elaborare un modello del sistema circolatorio e respiratorio degli animali, e di quello vascolare delle piante. In pratica, West e colleghi hanno costruito una sorta di “animale ideale”, con un sistema vascolare con alcune semplici caratteristiche: una struttura frattale (ovvero in grado di “riempire lo spazio” efficientemente) e tale da minimizzare l’energia necessaria per il trasporto di risorse. In questo modo sono riusciti a riprodurre in maniera eccellente le relazioni allometriche verificate dagli animali reali. Un approccio che non convince tutta la comunità scientifica. Edoardo Boncinelli, fisico e biologo molecolare, ha espresso un certo scetticismo: “La biologia non è regolare, come la fisica o la chimica. La vita è casuale, opportunista, refrattaria a leggi semplici. La biologia teorica non è ancora nata”. West stesso, d’altra parte, ha precisato che il suo modello ha dei limiti: “Proponiamo un sistema biologico del tutto idealizzato. Però è un punto di partenza per capire quantitativamente i sistemi reali. Questi si potrebbero interpretare come delle ‘correzioni’ a questo modello elementare, dovute alle condizioni ambientali e all’evoluzione storica”.
