Bologna, 6 dicembre 2012

Agli amici degli

Incontri Interdisciplinari

Carissimi,

      ci rivedremo giovedì 20 dicembre, alle ore 21, presso il Convento San Domenico, che ci ospiterà nella sua “sala rossa”, cui si accede da Via San Domenico 1.

La volta scorsa siamo partiti dal fatto che l'evoluzione dei viventi, dal punto di vista della teoria dell'informazione, sembra in contraddizione con la teoria dell'evoluzione per mutazione casuale, in quanto una mutazione casuale può solo diminuire l'informazione. Il dibattito ci ha portati a riflettere sulle capacità operative delle realtà naturali, ed in particolare su quelle dei viventi, che sembrano avere un finalismo intrinseco diverso dal finalismo estrinseco di chi indirizza l'agire progettando.

Ringrazio a nome di tutti la prof. Rita Casadio per aver accettato di animare il prossimo incontro, su “Informazione, vita ed evoluzione”.

Un cordiale augurio a tutti di un Buon Natale e di un felice Anno nuovo, anche a nome di P. Giovanni Bertuzzi

Fra Sergio Parenti O.P.

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Breve resoconto dell'Interdisciplinare del 20 dicembre 2012

a cura di fra Sergio Parenti O.P. e Rita Casadio

PARENTI – Sarti ci ha detto che, in base alla teoria dell'informazione, un caso produce diminuzione dell'informazione; nella teoria dell'evoluzione si dice che mutazioni casuali producono una evoluzione che è una crescita di informazione, contenuta nel DNA. Questa è una aporia, un paradosso.

CASADIO – Nella teoria dell'informazione, tra emittente e ricevente, quando si ha una introduzione di rumore e quindi di alterazione di qualche tipo di pattern, mediamente l'informazione recepita cala. Si può dimostrare che una casualità introdotta nel segnale diminuisce l'informazione ricevuta (Shannon, 1949). Sarti ha posto il problema dell’aporia tra introduzione di mutazioni casuali nel DNA e trasmissione di un patrimonio genetico che porta durante l’evoluzione ad un aumento della complessità degli organismi.

BERTUZZI – Nella teoria dell'informazione c'è un trasmittente ed un ricevente.

CASADIO – Certo….l’introduzione di rumore peggiora la ricezione del segnale da parte del ricevente.

BERTUZZI – Si parlava di caso, non di rumore.

CASADIO – La casualità è rumore nella trattazione teorica del problema.

STIRPE – La mutazione può non essere un “rumore”.

FACCHINI – Ma intendete la stessa cosa con “informazione”? In biologia è diverso.

CASADIO – Non è immediato stabilire su basi rigorose la relazione (o la non relazione ) tra i termini “informazione”, “evoluzione” e “vita”. Ciò a mio avviso è dovuto anche ad un uso comune dei termini che esula sicuramente da qualsiasi teoria si voglia poi applicare alla loro relazione. Se partiamo dalla informazione ad esempio, possiamo genericamente adottare una definizione del tipo: “L’informazione è l’insieme delle caratteristiche dell’output di un processo che in-formano circa il processo di input” (Losee R., J. American Information Science,1997)”. Per cercare di capire qualcosa partiamo da ciò che è più semplice: la cellula batterica. Il DNA di una cellula batterica contiene l’informazione circa il contenuto proteico del microrganismo (il 90/99 % del DNA in un batterio codifica per proteine). Ma non possiamo dire semplicemente: geni = proteine. Perché in funzione delle esigenze del batterio, dei problemi che ha il batterio nel suo ambiente, il batterio avrà nel suo citoplasma contenuti diversi di proteine da momento a momento. Il quadro si complica. Ci sono proteine che in qualche modo regolano l'espressione dei geni che corrispondono ad una determinata proteina. E chi regola l'interazione proteine – DNA? Potremmo dire: le interazioni con l'ambiente. Qui si apre la questione dell'epigenomica. L'epigenomica è riuscire a capire quelle interazioni che sono epi-genomiche, cioè meccanismi di regolazione dell'interazione tra ambiente, citoplasma e patrimonio genetico della cellula stessa. Oggi sappiamo che la vicenda non è solo genomica e proteomica, ma vi è una sottile rete di interazioni che regolano le interazioni tra l'ambiente, il citoplasma ed il nucleo (o il DNA che sta nella cellula). Non c'è solo l'informazione a livello del DNA, ma c'è dell'altro, che andrà decodificato e messo a tema se vogliamo parlare del fatto che comunque una cellula vive in un determinato ambiente. Che se poi in un tessuto interagisce con altre cellule, risente comunque dell'interazione con gli altri e con l'ambiente.

PARENTI – Questa interazione passa anche al patrimonio genetico?

CASADIO – Esistono due tipi di mutazioni. Quelle che avvengono perché il DNA è stato sottoposto a stress, ma che non si stabilizzano nella struttura del DNA, restano silenti. Se io considero anche semplicemente la duplicazione del DNA, se copio qualcosa di sbagliato ho tutto un insieme di meccanismi che correggono; ma se questo non avviene, le mutazioni passano alla progenie (quando entrano a livello del DNA nelle cellule germinali). Non sappiamo però molto bene come si trasmettano i caratteri epigenomici: una cellula può riprodursi in modo che le cellule figlie non abbiano una stessa marcatura epigenomica. A partire dalla singola cellula non possiamo parlare di “singolo” e “semplice”. Già la cellula è il massimo di una complessità; un tessuto è una complessità di complessità; un organo... non ne parliamo! In questo gioco di DNA e proteine che ritornano ad interagire con il DNA e recepiscono le interazioni col citoplasma, definire che cosa sia il trasmittente e che cosa sia il ricevente è particolarmente difficile. E così applicare la teoria dell'entropia di Shannon è particolarmente difficile. Già il reverendo William Dallinger (1839-1909) cresceva protozoi in un incubatore e si rese conto che gli organismi si adattavano a crescere dai 23 fino ai 70 gradi, ma che una volta cresciuti a 70 gradi non erano più in grado di crescere a 23. Scrisse a Darwin informandolo, e Darwin gli rispose semplicemente “molto interessante, molto curioso”. Un famoso esperimento di Luria e Delbrueck nel 1943 dimostra in qualche modo che le mutazioni in una popolazione batterica o sono eventi random, che accadono frequentemente (errori nel DNA in una scissione di tipo mitotico), oppure sono dovute alla reazione della popolazione dei batteri dopo esposizione ad esempio a un virus. Richard Lenski (e colleghi), 25 anni fa, partendo da un unico clone di E.coli (un gruppo di cellule identiche derivate da un'unica cellula), lo ha propagato in 12 popolazioni batteriche indipendenti cresciute ciascuna in una beuta. E. coli può crescere sia in presenza di ossigeno, sia in assenza, ma cambia il mezzo di coltura. Un batterio è un sistema termodinamico aperto, che scambia materia e energia con l'ambiente, ed ha bisogno di certi substrati, altrimenti non cresce. I due substrati sono glucosio (con ossigeno) e citrato (in condizioni anaerobiche). In condizioni aerobiche la fonte di carbonio resta il glucosio anche se è presente il citrato. Per circa 25 anni e per un totale di circa 50.000 generazioni, ogni giorno un campione della popolazione veniva trasferito ad una beuta nuova quindi con aggiunta di substrato e periodicamente un campione delle diverse popolazioni veniva congelato. Dopo 31.000 generazioni si comincia a vedere che ci sono batteri in grado di crescere col citrato anche in presenza di ossigeno. Per isolare questo ceppo occorre aspettare che il batterio arrivi circa alla 40.000a generazione. Nel frattempo l’avanzamento tecnologico ha reso possibile il sequenziamento massivo del DNA. Così si è potuta avere la corrispondenza tra genotipo, DNA e condizioni di crescita (fenotipo). Che cosa si è ottenuto? Questo esperimento (vedi l'articolo uscito su Nature nel novembre di quest'anno) dimostra che i cambiamenti genetici sono graduali. I batteri hanno un sacco di cambiamenti a livello di DNA. Però i cambiamenti di comportamento e forma della popolazione sono repentini. I nuovi geni non sono inventati ex novo. C'erano due geni che dipendevano da due regolatori diversi. La strategia del batterio è stata quella di fonderli in un unico gene che ora dipende da un altro regolatore, e compare quella proteina che, nella membrana del batterio, serve a trasportare il citrato. Nelle prime popolazioni c'è solo un gene di questa proteina. Quando la popolazione diventa predominante ci sono dieci copie di questo gene. L'evoluzione utilizza il materiale a disposizione. Forse l'evoluzione ha delle regole che possono essere trovate: per esempio la cattura e amplificazione di geni e dei loro promotori, fenomeni di epistasi (un gene, per essere espresso, ha bisogno che uno o più geni diversi risultino modificati). Tuttavia fino a che punto questi eventi a livello molecolare possano far cambiare il fenotipo dipende dalla storia precedente, dal caso e da fattori fortuiti, come per esempio il tipo di architettura genomica. Per questi motivi la visione trasmittente-ricevente non è adatta certamente alla descrizione di questa serie di eventi. Quanto al problema che il processo casuale possa avere generato l'enorme quantità di informazione contenuta nel DNA dei viventi, vorrei ricordare che non è chiaro come sia comparsa la cellula; inoltre l'unica forma di vita per alcuni miliardi di anni era unicellulare: sulla base dell'esperimento descritto ipotizziamo che miliardi di miliardi di miliardi di mutazioni si siano accumulate anche solo nel dare origine ai batteri come li conosciamo oggi. Ora sicuramente queste forme di vita hanno dovuto adattarsi agli sconvolgimenti geologici epocali che ha subito il pianeta nel corso degli ultimi 3-4 miliardi di anni. Eppure i batteri sono ancora “vivi”. E’ quindi un dato di fatto che le mutazioni del DNA servono alla sopravvivenza della specie, indipendentemente dal fatto che in teoria dell’informazione una quantità abnorme di mutazioni casuali possa fare sparire del tutto il segnale colto dal ricevente, a meno che il ricevente a sua volta recepisca il rumore come nuovo segnale informativo e da questo venga modificato. In altri termini e speculando nell’analogia trasmittente-ricevente, quando si esprime un ribosoma modificato anche il gene modificato può essere letto, e a sua volta potenziare l’espressione del fattore di regolazione che presiede all’attivazione di qualche gene di interesse per l’organismo.

STIRPE – Se io sento alla radio un certo numero di parole, un rumore mi dà fastidio. Se però una parola brutta viene trasformata in una parola bella, io godo di più. Le mutazioni favorevoli danno un vantaggio. L'equivoco è di attribuire alle mutazioni il ruolo del disturbo.

DE RISO – Se rimaniamo nello stesso ambito, un rumore diminuisce comunque l'informazione; ma se facciamo un salto al di fuori di quell'ambito, noi aumentiamo l'informazione.

PARENTI – Aiutami a capire.

DE RISO – Sento parlare, sento dei rumori e non riesco più a capire la radio. Ma stavo ascoltando Radio Londra, e da quei rumori ho capito che erano arrivati i tedeschi e dovevo scappare.

PARENTI – Ma su un piano biologico?

CASADIO – Il ribosoma riesce a decodificare anche il rumore. Se si modifica il segnale, si blocca la sintesi della proteina, oppure questa viene modificata. Nel caso specifico la situazione vantaggiosa è stata che la proteina modificata interagendo con la membrana rende possibile l’ingresso nella cellula del citrato. In questo modo il batterio può vivere anche con il citrato. Modelli troppo “semplici”però non sono sufficienti a descrivere questa complessità. Facciamo fatica a capire l'evoluzione dal batterio alla scimmia; per il passaggio dalla scimmia all'uomo ci sono problemi ancora maggiori.

FACCHINI – C'è anche il rapporto tra geni, organi e funzioni, non solo tra i geni e le proteine. I geni HOX (omeotici) regolano la metamerìa dei corpi (ad es.: la distinzione di torace, addome e arti)...

CASADIO – Volutamente ho detto: “questa sera parliamo solo di batteri”! Sono già abbastanza complicati! Dopo di che, penso che questo argomento meriti qualche altra sera di riflessione. Se vogliamo entrare nel grande mondo delle cellule animali e della loro evoluzione i dati mancano totalmente. Quindi entriamo in un puro campo speculativo. Ci sono geni che sono attivi fino ad un certo momento e poi scompaiono. Sono preposti all'organizzazione del piano anatomico di un individuo e poi sono silenti.

FACCHINI – C'è il passaggio dal gene alla struttura, che è una struttura anche abbastanza complessa.

CASADIO – Ho visto una drosofila con molte teste... I biologi molecolari manipolano facilmente il DNA cambiando il corredo genetico. Da un punto di vista evolutivo si sa ben poco…Sicuramente esistevano piani anatomici più complessi dei nostri che però si sono estinti (vedi Burgess). I trilobiti infatti avevano un asse portante e due laterali, mentre noi oggi conserviamo solo una simmetria assiale… Ci sono state tante forme di vita che si sono estinte ed altre sono subentrate. Per questo non ho alcuna risposta, né dati sperimentali soddisfacenti.

FACCHINI – Il rapporto aureo, presente in molte strutture, perché è così? I legami ionici, l'angolo dell'idrogeno e dell'ossigeno...

CASADIO – Ma nelle proteine il numero degli atomi è di alcune decine di migliaia. Aumentando il livello di complessità, si arriva all’individuo. Gell-Mann, un noto fisico teorico premio Nobel ha scritto un libro dal titolo: “Il quark ed il giaguaro”: che cos'hanno in comune? Nei batteri l’evoluzione è documentata. L'esperimento che abbiamo visto fa vedere il legame tra il genoma del batterio ed il fenotipo.

PARENTI – La novità era del potersi nutrire di una cosa piuttosto che l'altra: non è male. Ma nel passaggio da una prima cellula vivente ad altre, la musica cambia: vegetali ed animali sono molto diversi. Già il passaggio agli eucarioti è stato spiegato con la simbiosi (batterio e protista), non con una mutazione casuale.

BERTUZZI – Un problema era la possibilità di applicare una legge informatica nella trasmissione del vivente, anche se in entrambi i casi parliamo di passaggio di informazione. Io dicevo che a cercare meccanismi univoci si rischia di fare riduzionismo. Ricordo che ad un convegno si parlava di corrispondenza tra il laser (da un certo ordine ad un disordine poi ad un ordine nuovo) ed i fenomeni sociali: questo mi lasciava perplesso. L'altro problema è che, osservando come avvengono queste trasformazioni genetiche, il problema è di capire se avvengono senza alcuna direzione oppure se c'è un filone di evoluzione (la vita è passata da forme molto semplici alle nostre) inteso come progresso.

FACCHINI – La complessificazione, dal punto di vista descrittivo, nel tempo, è stata vista come una caratteristica degli eventi. Però non è una tesi direzionale, dicono alcuni, mentre altri sostengono una direzionalità privilegiata (anche Teilhard de Chardin) che va a finire all'uomo o alla coscienza. Non sembra però che ci sia una legge per cui debba andare a finire così. Più che una linea privilegiata unica, abbiamo un cespuglio. Per definire una complessità contano vari aspetti: il numero di relazioni, l'autonomia rispetto all'ambiente, la capacità di mettersi in relazione con altri elementi dell'ambiente e la capacità di organizzarsi con altri della stessa specie: tutti questi elementi concorrono a dare una idea di complessità. Il numero di ceppi che si possono creare può non essere inteso come aumento di complessità.

PARENTI – Se risalgo l'albero dei phyla, dall'uomo fino ai procarioti, tu ammetti una crescita di complessità, che sembra voler spiegare in modo quantitativo la differenza.

FACCHINI – Oggi si parla di emergenza. Ma una qualche discontinuità c'è, anche nell'emergere dell'acqua dall'idrogeno e dall'ossigeno.

CASADIO – La proprietà d'insieme l'ha il volume di molecole d'acqua, non la singola molecola. Teoricamente conoscendo l'orbitale dell'ossigeno e dell'idrogeno si può calcolare l'orbitale molecolare della molecola d'acqua. Per emergenza invece a partire dalle proprietà delle singole molecole non è possibile calcolare le proprietà dell’insieme, dato che manca una teoria della complessità.

BERTUZZI – L'emergenza nasce casualmente o obbedisce a delle finalità? Man mano che si sale nelle forme di esistenza, si vede che quanto più un organismo è complesso, è anche capace di relazionarsi di più con l'esterno e di essere padrone di questa relazione con l'esterno. Se passiamo dalla pianta, ferma, al vivente capace di locomozione, non solo gli organismi diventano più capaci di aprirsi all'esterno, ma anche di gestire tale apertura, quasi fossero più coscienti. Così possiamo descrivere un progresso anche qualitativo.

FACCHINI – Monod amava parlare di “teleonomia” e non di finalismo, perché l'idea della “teleologia” fa pensare ad un agente esterno, che disturba in una visione puramente orizzontale. Però questa di Monod (e Jacob) è già una posizione filosofica, come è filosofico parlare di finalismo. Mi chiedo se si possa parlare di un residuo finalistico che c'è in natura e che esprime la congruenza tra determinate strutture. Allora il problema si sposta, non si risolve. Se c'è un principio finalistico, questo deriva da proprietà della materia in quanto tale, da delle leggi, per cui non può non essere che così (come a partire dal big-bang). Potremmo dire che tale principio è insito nella natura (potremmo parlare di razionalità della natura, di leggi...). Tutto questo è sufficiente a creare il residuo finalistico che caratterizza la natura ed il progresso? Questo è diverso dal dire che c'è un finalismo generale nella natura con una intenzionalità ed un intervento esterno.

PARENTI – Per dire che c'è questo intervento esterno, o per negarlo come fa il Dawkins, devo ridurre le realtà naturale ad artefatto, e la causa finale al progetto del grande Artefice. Così la natura non c'è più (lo diceva anche Aristotele), la causa finale è solo nella mente di Dio e per fare lo scienziato dovrei fare il teologo: in questo do ragione a Monod. Se invece do ragione ad Aristotele, e dico che la natura è il principio delle tue capacità operative, che sono frustrabili, allora la natura è definita per rapporto al fine, che è il termine immediato delle capacità operative e non uno scopo ulteriore. Quelli che hanno voluto identificare le realtà naturale con una realtà artificiale (e lo hanno fatto per motivi teologici, per poter dire che tutto dipende dal libero arbitrio di Dio) hanno eliminato la natura. Un fabbro, con un pezzo di ferro, fa quello che vuole, e se l'artefatto riesce male, la frustrazione non è del ferro, ma solo del fabbro. Invece la realtà naturale è frustrabile in se stessa. Chi agisce per natura è come il sale: se perdesse il suo sapore sarebbe inutile. Questo non toglie che chi ha una natura intellettiva sia capace di organizzare finalità ulteriori. Ogni cosa, per Aristotele, ha la sua operazione. Dunque ogni ente tende al proprio bene, se no sarebbe frustrato. Però noi abbiamo il “concetto” di ente, ed i concetti non interagiscono. Noi, pensando all'ente in modo statico confondiamo (seguendo la scuola stoica) l'ente col concetto di ente. Il fatto che ogni cosa agisca per un fine non toglie che, vedendo cose diverse che interagiscono in modo intelligente, comprendiamo che la freccia va al bersaglio perché c'è l'arciere che la dirige intenzionalmente. La frequenza corrisponde alla probabilità: se le proprietà delle cose non bastano a spiegare l'ordine, occorre un ordinatore esterno, che per forza deve essere intelligente.