La teoria dell’evoluzione per variazione e selezione naturale –  straordinaria intuizione di Charles Darwin – ha rivoluzionato il nostro modo di pensare, risolvendo il problema di come gli esseri viventi siano venuti ad esistere in assenza di un disegno intenzionale. In precedenza si pensava che gli esseri viventi – avendo un aspetto così simile a quello di oggetti creati artificialmente – fossero necessariamente stati prodotti da un disegno intenzionale. È celebre il parallelo fra l’occhio umano e un orologio, proposto da William Paley nella Teologia Naturale a sostegno di questa idea. Eppure la teoria dell’evoluzione smentisce questa convinzione, spiegando che oggetti complessi come gli esseri viventi possono essere prodotti dall’azione graduale, cumulativa e cieca della selezione naturale, unita a variazioni non direzionate nella popolazione su cui essa opera. 

Vi è poi un altro modo – più profondo – in cui la teoria di Darwin rivoluziona il nostro modo di pensare, andando oltre la tradizionale modalità di spiegazione nella scienza. Questa è mutuata dalla concezione tradizionale della fisica: si formulano predizioni (deterministiche o probabilistiche), date le condizioni iniziali e le leggi dinamiche. Per esempio, le leggi di Newton predicono la posizione di una cometa ad un certo istante, data la sua posizione ad un istante precedente.

La teoria di Darwin va oltre la semplice predizione. Certamente, essa genera predizioni suscettibili di verifica sperimentale – per esempio, osservando la struttura di un’orchidea del Madagascar (con uno sperone nettarifero particolarmente lungo) Darwin predisse l’esistenza (verificata decenni dopo) di una falena con un particolare apparato per raccogliere il nettare. Tuttavia, la teoria è fondamentalmente più esplicativa di una predizione: asserisce che è possibile che gli esseri viventi emergano senza alcun disegno intenzionale. Dato un organismo con adattamenti biologici – ad esempio, un elefante – la teoria di Darwin dice che è possibile spiegare come quegli adattamenti siano emersi, senza esser stati progettati, per selezione naturale e variazione. Invece, la predizione (deterministica o probabilistica) che un elefante comparirà ad un certo istante nel nostro universo (date le condizioni iniziali e le leggi dinamiche) non sarebbe altrettanto esplicativa. Essa non mostrerebbe come esso sia emerso senza un disegno intenzionale, poiché non escluderebbe che le leggi o le condizioni iniziali siano specialmente disegnate!

Dunque la teoria di Darwin introduce una nuova modalità di spiegazione, con maggiore capacità esplicativa, alternativa a quella basata esclusivamente su predizioni. Questa nuova modalità è il fulcro di una nuova teoria in fisica fondamentale: la Teoria della Possibilità (Constructor Theory), proposta da David Deutsch [1] – il fisico britannico che ideò la teoria del computer quantistico universale.  Nella teoria della possibilità, le leggi fisiche vengono espresse esclusivamente come affermazioni circa quali trasformazioni (tasks) sono possibili, quali impossibili e perchè. Superando  radicalmente la concezione tradizionale, nella teoria della possibilità si dice dove è possibile far andare una cometa, date certe risorse, invece di predirne il moto, date le condizioni iniziali. David Deutsch e Chiara Marletto stanno applicando questa teoria ad alcuni problemi finora rimasti irrisolti in fisica – per esempio, incorporare l’informazione nella fisica fondamentale [2].

La teoria della possibilità ha recentemente risolto un problema al confine fra biologia e fisica – emerso nel contesto della teoria di Darwin – rivelando così le proprietà delle leggi della fisica necessarie per l’esistenza degli esseri viventi in assenza di disegno intenzionale [3].

Le leggi della fisica sono le regole cui tutti i fenomeni nel nostro universo sottostanno. Le teorie fisiche – come la teoria quantistica o la teoria di Newton – sono congetture (fallibili!) circa quelle leggi. Quando le leggi fisiche proibiscono qualcosa, questo è categoricamente impossibile. Per esempio, non potremo mai costruire una macchina del moto perpetuo, perché le leggi della termodinamica la proibiscono.

Le leggi fisiche stabiliscono che gli oggetti esistenti in numero effettivamente illimitato nel nostro universo (“risorse generiche”) devono essere semplici – per esempio atomi, fotoni, composti chimici elementari.

Gli esseri viventi hanno invece caratteristiche completamente diverse. Come Paley illustra, essi hanno molte parti coordinate per eseguire una funzione comune, proprio come le fabbriche e i robot. Ad esempio, le sotto-parti dell’occhio si coordinano per la visione proprio come nell’obiettivo di una macchina fotografica. Si dice che gli esseri viventi hanno l’apparenza di essere stati disegnati (appearance of design).

Inoltre, essi hanno la capacità di eseguire trasformazioni con grande accuratezza e la mantengono nel tempo: sono precisi e affidabili, proprio come oggetti artificiali. I muscoli ciliari dell’occhio, per esempio, mantengono a lungo la capacità di modificare finemente la curvatura del cristallino. Le risorse generiche invece, anche quando eseguono qualche trasformazione, lo fanno in modo altamente approssimativo e non ripetibile.

Infine, gli esseri viventi utilizzano un dispositivo straordinario, la cellula, con la capacità unica di produrre una nuova cellula attraverso l’auto-riproduzione. Una fase fondamentale di questo processo è la replicazione dell’informazione genetica contenuta nel DNA della cellula, che avviene mediante una copia estremamente precisa (con occasionali variazioni). 

Le differenze fra gli esseri viventi e le risorse generiche sono il motivo fondamentale, radicato nella fisica, per cui gli esseri viventi costituiscono un problema scientifico, risolto dalla teoria di Darwin: ovvero, come è possibile che essi siano apparsi sul nostro pianeta senza un processo di disegno intenzionale, date leggi fisiche semplici come quelle del nostro universo.

La connessione della teoria di Darwin con la fisica diventa esplicita nella sintesi neo-Darwiniana, che la coniuga con la genetica.  E’ qui che emerge il problema ulteriore di cui si diceva. Il fulcro della teoria sono trasformazioni fisiche, specialmente la replicazione di replicatori, noti come ‘geni’ – porzioni di DNA, codificanti certi tratti dell’organismo, che vengono replicate con la possibilità costante  di variazioni e trasmesse alla generazione successiva. La selezione naturale, agendo sui tratti codificati dai replicatori in modo ‘cieco’ e non direzionato, permette l’evoluzione nel corso di millenni. Affinché la selezione naturale possa operare è fondamentale che la replicazione dell’informazione nei replicatori sia sufficientemente accurata (pur permettendo errori occasionali).

La replicazione e i processi su cui essa si basa – specialmente l’auto-riproduzione della cellula – si verificano in modo talmente accurato negli esseri viventi che è necessario spiegare come esse siano possibili in presenza di leggi fisiche semplici che non contengono il disegno degli adattamenti biologici. Questa addizionale argomentazione, che non fa parte della teoria dell’evoluzione in senso stretto, è necessaria perché la teoria dell’evoluzione risolva completamente il problema dell’esistenza degli esseri viventi, date leggi fisiche non disegnate.

Alcuni fisici – come Eugene Wigner e David Bohm – giunsero a conclusioni errate a riguardo, sostenendo che per permettere la replicazione e l’auto-riproduzione accurate le leggi fisiche debbono necessariamente essere disegnate allo scopo. Se fosse così, le attuali teorie fisiche dovrebbero essere completate con teorie ad hoc, su misura per la vita, e la teoria dell’evoluzione sarebbe in discussione.

Tuttavia queste conclusioni sono false. Esse sono state largamente influenzate dalla modalità di spiegazione tradizionale della fisica –che si serve esclusivamente di predizioni (deterministiche o probabilistiche). Essa è inadeguata per questo problema: si deve spiegare se e come replicatori e autoriproduttori accurati siano possibili date leggi fisiche non disegnate; non predire che essi si verificheranno (o si verificheranno con una certa probabilità), date certe condizioni iniziali.

La teoria della possibilità invece si adatta naturalmente a risolvere  il problema. In questa teoria una trasformazione è impossibile se le leggi della fisica la proibiscono. Altrimenti essa è possibile: ovvero, può esistere un oggetto che causa la trasformazione e  mantiene nel tempo questa capacità. Questo oggetto – che generalizza la nozione di un computer al caso di generiche trasformazioni, non solo computazionali – è detto constructor.   Per esempio un catalizzatore, una fabbrica e una cellula vivente sono approssimazioni al concetto di constructor. Il nostro problema si esprime quindi facilmente: sono l’auto-riproduzione e la replicazione accurate possibili, date leggi fisiche che non contengono il disegno di adattamenti biologici? La teoria della possibilità risponde con un sì inequivocabile, spiegando anche quali altre proprietà le leggi fisiche devono avere perché ciò sia possibile.

Innanzitutto, si dimostra che tutti i constructor accurati – artificiali o naturali – devono avere certe caratteristiche generali, date leggi fisiche non disegnate. Un constructor per una trasformazione complessa,  siccome le leggi fisiche non ne contengono il disegno, deve necessariamente seguire una ricetta per essere sufficientemente accurato. La ricetta è una sequenza di istruzioni elementari per eseguire la trasformazione e correggere eventuali errori. Ad esempio, considerate una fabbrica che costruisce una macchina accuratamente a partire da componenti elementari (ferro, silicio, eccetera). La sua azione è scomponibile in una sequenza di passi elementari (la ricetta) per costruire  la macchina e per il controllo di qualità, ciascuno dei quali è sufficientemente semplice da essere compatibile con leggi fisiche non disegnate.

Inoltre, le sotto-parti di un constructor si deteriorano col tempo: per mantenere la sua funzione a lungo è quindi necessario replicare  la ricetta.  Le istruzioni per costruire un’automobile devono essere copiate accuratamente di generazione in generazione affinché la fabbrica permanga nonostante i suoi sistemi automatizzati si deteriorino con l’uso e siano rimpiazzati. Inoltre, l’informazione nella ricetta deve essere digitale – altrimenti vi sarebbe un limite all’accuratezza della correzione degli errori, che indurrebbe l’accumulo degli errori in copie successive e infine la perdita della ricetta.  

Questo argomento si applica, in particolare, all’auto-riproduzione accurata – dove è la cellula stessa il constructor per una nuova cellula.  Essa deve quindi contenere la ricetta – il DNA – con tutte le istruzioni per la costruzione di una cellula (ricetta esclusa). Si dimostra che la logica di un’accurata auto-riproduzione date leggi fisiche non-disegnate, deve necessariamente includere due fasi: 1) la cellula madre copia accuratamente la ricetta, lettera per lettera, e corregge gli errori di copia; 2) la cellula madre costruisce, seguendo la ricetta, il resto della cellula figlia, e inserisce la copia della ricetta nella cellula figlia, completando l’auto-riproduzione.  

Questa logica per l’auto-riproduzione fu scoperta da John von Neumann in un contesto puramente computazionale; sappiamo anche che questa logica è realizzata nelle cellule viventi. La teoria della possibilità dimostra che essa è necessaria  per un’auto-riproduzione e una replicazione accurate, date leggi fisiche semplici – non contenenti il disegno di adattamenti biologici – come quelle del nostro universo.

Dunque la teoria della possibilità dimostra che un constructor preciso (sia esso un oggetto artificiale o un essere vivente) per operare in presenza di tali leggi fisiche deve necessariamente contenere, nella ricetta, un particolare tipo di informazione digitale, caratterizzato in maniera esatta nella teoria della possibilità: un replicatore che agisce come un constructor per rimanere incorporato nei supporti fisici. Questo tipo di informazione, che viene chiamato conoscenza (knowledge*), è essenziale nella teoria della possibilità. La conoscenza è la fondamentale responsabile della realizzazione delle trasformazioni permesse dalle leggi fisiche: o una trasformazione è impossibile (ovvero, proibita dalle leggi fisiche), oppure può essere realizzata a patto che la conoscenza necessaria venga ad esistere.

Nella teoria della possibilità la selezione naturale viene rappresentata appunto come una costruzione altamente imprecisa per produrre (in presenza di tempo e risorse sufficienti) conoscenza a partire da componenti elementari che non ne contengono – ad esempio i semplici aggregati molecolari (come filamenti di RNA corti) ipotizzati dalle teorie sull’origine della vita. Siccome essi possono eseguire soltanto una replicazione poco accurata, sono ammessi fra le risorse generiche degli ambienti pre-biotici in presenza di leggi fisiche non disegnate. Dunque la selezione naturale non necessita alcuna conoscenza nelle condizioni iniziali dell’universo perché l’evoluzione possa iniziare: risorse generiche sono sufficienti. Questo è il motivo per cui la teoria dell’evoluzione è compatibile con le leggi  fisiche non disegnate del nostro universo.

La teoria della possibilità dimostra con questi argomenti che non si richiedono leggi ad hoc affinché la conoscenza negli esseri viventi possa emergere da componenti iniziali elementari, attraverso il processo di selezione naturale e variazione della teoria dell’evoluzione. Al contrario, è necessario solo che le leggi della fisica permettano (oltre a tempo ed energia sufficienti) l’esistenza di informazione digitale. Questo vincolo si esprime esattamente nella teoria della possibilità, come necessità di certe interazioni microscopiche che permettano processi elementari di copia. Queste sono caratteristiche generiche delle nostre leggi, non specificamente disegnate per la vita.

Questo indica, ancora una volta, che una comprensione scientifica unificata delle proprietà della vita e delle leggi fisiche è possibile. La teoria della possibilità fornisce un nuovo, potente strumento per perseguire questo alto obiettivo.

Chiara Marletto

 

* ‘Conoscenza’ va intesa come conoscenza oggettiva, ovvero senza un soggetto conoscente, nel senso di Karl Popper.

 

[1] D. Deutsch, Constructor theory. Synthese 190, 4331–4359, 2013. constructortheory.org

[2] D. Deutsch, C. Marletto, Constructor Theory of Information, 471:20140540, 2014. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.2014.0540

[3] C. Marletto, Constructor theory of life, J. R. Soc. Interface 12:20141226, 2015. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.1226

 

Affiliations: 
Chiara Marletto, Postdoctoral Research Assistant – Department of Materials University of Oxford, UK & Junior Research Fellow, Wolfson College, Oxford, UK

David Deutsch, Professor of Quantum Physics – Centre for Quantum Computation, The Clarendon Laboratory, University of Oxford, UK