Che cos´è la vita? La cellula vivente dal punto di vista fisico

What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, Cambridge University Press, Cambridge 1944

Pubblicato nel 1944, Che cos’è la vita di Erwin Schrödinger, è uno dei saggi che appartengono alla storia della biologia molecolare, grazie alle sue speculazioni sulla natura fisica dei geni fatte dieci anni prima della scoperta della struttura a doppia elica del DNA. Risultato a prima vista sorprendente dato che il suo autore era un fisico, in particolare uno dei padri fondatori della Meccanica quantistica. Eppure fu proprio lo sguardo da fisico dell’autore uno degli elementi innovativi della sua visione. Il suo approccio è indicativo del clima del pensiero scientifico degli anni ’40-’50 del secolo scorso e le ipotesi che egli mosse sulla struttura del gene, a distanza di anni, furono persino acclamate da alcuni come profetiche (cfr. O’Neill et al., 1994). Questi motivi hanno fatto sì che questo volume riscontrasse un grande successo esercitando nei decenni posteriori una enorme influenza su tutto il mondo scientifico, determinandone anche un corrispondente modo di pensare la vita. E insieme ad esso veicolasse la visione riduzionista e in certo modo materialista che in esso soggiace.

Cenni biografici

Nato a Vienna nel 1887 e ivi morto nel 1961, Erwin Schrödinger ottenne il Premio Nobel per la fisica nel 1933, insieme a Paul A. M. Dirac, per il suo contributo alla meccanica quantistica con i suoi studi sulle proprietà ondulatorie della materia, in particolare per l’equazione d’onda che porta il suo nome.

Dopo aver studiato all’Università di Vienna sotto l’influenza Fritz Hasenöhrl, successore alla cattedra di Ludwig Boltzmann, s’interessò di meccanica statistica. Durante la sua formazione universitaria fu un lettore assiduo di scrittori mistici indiani e di filosofi europei come Schopenhauer e Spinoza (cfr. Yoxen, 1979; Schödinger, 1987).

Partecipò alla prima guerra mondiale arruolato nell’esercito austriaco. Nel 1921 fu invitato a diventare professore di fisica teorica a Zurigo, cattedra precedentemente affidata ad A. Einstein. Qui sviluppò la sua celebre equazione. Nel 1927 si spostò a Berlino, dove lavorò con altri grandi nomi della fisica moderna come Einstein, Planck, von Laue ed Nernst. Con l’avvento del Nazismo si spostò prima a Oxford (nel 1933) e, dopo essere tornato per due anni in Austria (a Graz dal 1936) fu costretto a fuggire a Roma nel 1938 a causa dell’invasione nazista in quel Paese. Si trasferì poi a Dublino dove rimase fino alla sua pensione. Tornò infine a Vienna nel 1957. Lì, fino alla morte — che lo colse nel 1961, all’età di 73 anni, dopo esser stato colpito dal contagio della tubercolosi — lavorò ad alcuni tentativi di unificare in una sola teoria i campi gravitazionale ed elettromagnetico (cfr. Witkowski, 1986).

Nei suoi anni a Dublino tenne una serie di conferenze pubbliche in cui scelse di discutere il fenomeno della vita secondo la prospettiva della Fisica Teorica. Da queste conferenze scaturì, nel 1944, il libro Che cos’è la vita. L’opera attrasse molta attenzione grazie alla considerevole reputazione di cui Schrödinger godeva, avendo ricevuto il premio Nobel pochi ani prima nel 1933.

Contesto storico-scientifico

Con questa breve opera Schrödinger cercò di contribuire a comprendere quale fosse la natura fisica del materiale genetico, quel materiale, cioè, che doveva contenere le informazioni ereditarie necessarie allo sviluppo dell’organismo.

Fino a quel momento l’ereditarietà dei caratteri era stata studiata soprattutto con i metodi della genetica classica e della citologia. Dei geni, cioè di quelle entità discrete capaci di essere ereditate dalla prole e capaci di determinare un carattere, era già noto che si localizzassero sui cromosomi. Si sapeva che ogni cellula dell’organismo possiede un intero set di cromosomi, che questi vengono duplicati durante la normale moltiplicazione cellulare (la mitosi) e che durante i processi sessuali (la meiosi) si dimezzano dividendosi in numero uguale tra le due cellule figlie. Era noto anche che nei cromosomi sono presenti sia proteine che DNA, ma era opinione comune che l’informazione genetica fosse codificata dalle combinazioni dei 20 tipi di amminoacidi delle proteine piuttosto che dai 4 tipi di nucleotidi del DNA, non essendo ancora stata scoperta la sua struttura a doppia elica (solo nel 1944 stesso fu proposta da O. Avery la prima dimostrazione che è il DNA la sostanza portatrice dell’informazione gentica; risale al 1952 la dimostrazione considerata definitiva di Harshey e Chase e al 1953 la scoperta della struttura a doppia elica del DNA di Watson e Crick).

Importanti esperimenti venivano condotti in quegli anni sul fenomeno delle mutazioni, cioè su quelle nuove varianti di un carattere che compaiono occasionalmente alla nascita di un individuo. Le speculazioni dell’autore furono influenzate in particolare da alcuni lavori di Delbrück sulle mutazioni indotte da radiazioni (cfr. Timoféeff-Ressovsky, Zimmer e Delbrück, 1935, cit. in Witkowski, 1986). Egli le elaborò in un periodo in cui la fisica aveva approfondito la struttura della materia con lo sviluppo della fisica quantistica. In quegli anni i fisici, gli astronomi, i filosofi e alcuni biologi erano impegnati nella discussione di problemi di carattere generale che sorgevano dagli ultimi progressi scientifici; tra i problemi più discussi vi erano la distinzione tra le leggi della fisica classiche e quelle della fisica quantistica, l’evidenza che le leggi fisiche si fondassero sulla statistica, il problema dell’ordine e del disordine, la loro relazione con il mondo animato e con quello inanimato, le implicazioni delle concezioni termodinamiche ed evoluzionistiche, fino a toccare le grandi domande sul rapporto tra il caso e la necessità, tra il determinismo e la libera volontà, sulla natura e su Dio.

Sintesi dell’opera: le ipotesi del cristallo aperiodico e dell’entropia negativa

In questa sua breve opera l’A. si propone di indagare la vita biologica alla luce della visione delle leggi naturali che deriva dalle teorie fisiche accettate in quegli anni seguendo il desiderio di fondo di unificazione della conoscenza umana. «Noi abbiamo ereditato dai nostri avi — egli afferma — l’acuto desiderio di una conoscenza unificata, che comprenda tutto lo scibile» (p. 13) [1].

Inizialmente l’A. guida il lettore a comprendere come le leggi fisiche esatte, valide per sistemi macroscopici, siano fondate sulla statistica ed abbiano quindi un carattere approssimato: al livello macroscopico si evidenziano leggi che sono il frutto del comportamento medio di molte particelle ma un sistema di pochi atomi si comporta in modo “disordinato”. Ci si trova allora di fronte ad un apparente paradosso quando si prende in considerazione il gene: esso deve essere costituito da un numero molto ridotto di atomi ma mantiene in modo stabile l’informazione ereditaria attraverso le generazioni lungo i secoli.

Nel tentativo di dare una spiegazione alla stabilità del gene l’A. si muove a partire da considerazioni sugli stati quantistici degli atomi e sugli effetti mutageni delle radiazioni ionizzanti. Dopo aver fatto una stima della dimensione del gene in termini di numero di atomi, l’A. mostra che l’unico modo sufficientemente stabile in cui possono essere tenuti insieme è a formare una molecola (ipotesi già avanzata da Delbrück). Egli muove così la celebre ipotesi che il gene sia costituito da un “cristallo aperiodico”, cioè da una molecola di grandi dimensioni dalla struttura non ripetitiva, capace quindi di una sufficiente stabilità strutturale e una sufficiente capacità di contenere informazioni (cfr. p 100, 106-107).

L’A. poi, a partire dal suo particolare punto di vista scientifico, cerca una spiegazione ad un secondo apparente paradosso. Tutti i fenomeni fisici seguono il secondo principio della termodinamica, secondo la quale tutti sistemi isolati subiscono un costante aumento di entropia verso una redistribuzione omogenea dell’energia corrispondente ad uno stato “disordinato” della materia; è evidente però che gli organismi viventi possiedono e mantengono un ordine interno fino alla morte. L’attenzione del fisico si concentra soprattutto su questo secondo quesito. L’ipotesi che propone a riguardo è che l’organismo riesca a contrastare il proprio aumento di entropia nutrendosi di “entropia negativa”. Alla luce della conoscenza attuale della biochimica del metabolismo possiamo comprendere con chiarezza che i sistemi viventi attingono alla possibilità di far aumentare a proprio vantaggio l’entropia dell’ambiente esterno: mantengono il proprio ordine grazie all’energia dei nutrienti, a scapito di un aumento molto maggiore dell’entropia dell’ambiente esterno.

Di Che cos’è la vita rimase comunque soprattutto celebre l’ipotesi del cristallo aperiodico, che, pur costituendo una descrizione molto generale, si rivelò coerente con la descrizione successiva di Watson e Crick, e rimase emblematica dell’opera (cfr. p. 118).

Influenza e rilevanza storico-scientifica

Sebbene sia comunemente riconosciuto che l’opera di Schrödinger abbia inciso sul sorgere della biologia molecolare grazie al suo contenuto, alcuni autori mettono in evidenza che il suo lavoro sia solo l’espressione di un certo clima scientifico, e che esso abbia avuto un’influenza solo indiretta sui progressi scientifici, più con la sua visione della materia vivente e del ruolo della fisica che con le sue ipotesi (cfr. Symonds, 1986, Yoxen, 1979).

Ciononostante le speculazioni teoriche elaborate dal fisico viennese ebbero notevoli elementi di originalità. Ad esempio l’idea che il gene fosse costituito da una molecola era già stata proposta dal genetista Morgan nel 1928 ma fu Schrödinger a dare un supporto teorico a questa ipotesi fondandolo sulla sua conoscenza della struttura della materia al livello di atomi, oltre che sui dati di citologia e genetica allora a disposizione, giungendo ad una stima della dimensione del gene in termine di numeri di atomi ed alla considerazione che un numero di atomi così ridotto (dell’ordine del migliaio) poteva mantenere la sua stabilità solo formando una molecola (cfr. pp. 57-61, 83-85, 99-101). Propose inoltre un’ipotesi plausibile sul modo i cui un’enorme quantità d’informazione fosse condensata in una struttura così piccola grazie alla aperiodicità (cioè alla non ripetitività) di tale struttura (cfr pp. 105-108; cfr. Olby, 1971).

L’importanza che questa opera di Schrödinger ebbe tra i contemporanei si deve, secondo alcuni, al tema centrale del conflitto che sembrava esistere tra le leggi della termodinamica e gli organismi viventi, per spiegare il quale l’A. avanzò l’ipotesi dell’“entropia negativa”. Viene però riportato che l’apparente contraddizione fosse in realtà già stata risolta in precedenza mettendo semplicemente in luce il fatto che gli organismi viventi non costituiscono dei sistemi isolati energeticamente (cfr. Guye, 1925; Donnan, 1928).

Tuttavia, un importante motivo di affermazione delle riflessioni dell’A. fu senza dubbio la sorpresa per l’interesse mostrato da un fisico del suo calibro verso le domande della biologia. Contribuì così ad un clima scientifico volto a cercare un modo per descrivere la biologia della cellula in termini di fenomeni fisici e chimici. Uno dei suoi maggiori apporti in questo senso fu quello di aver mostrato che una enorme quantità d’informazione può essere contenuta in una struttura piccola come un cromosoma per mezzo di un codice di natura chimica (cfr. Olby, 1971). Diversi tra i protagonisti della nascita della biologia molecolare, come furono Chargraff, Wilkins, Watson e Crick, dichiararono di aver trovato particolare ispirazione in quel lavoro. Jacob affermò che «solo sentire uno dei leader della meccanica quantistica chiedere “Che cos’è la vita?” e poi descrivere l’eredita in termini di strutture di molecolari, legami inter-atomici e stabilità termodinamica era sufficiente ad infiammare l’entusiasmo di certi giovani fisici e di concedere una certa legittimità alla biologia» (Jacob, cit. in Witkowski, 1986). Questa piccola opera sembra aver quindi giocato un ruolo chiave nel reclutare scienziati dalle scienze “esatte” nel campo della biologia, e nel dirigere il corso che biologia molecolare intraprese nella sua stessa fase di formazione degli anni ’50 (cfr. Symonds, 1986). Lo stesso Maurice Wilkins, premio Nobel del 1962 insieme a Watson e Crick, dichiarò di esser passato dalla fisica alla biologia sotto l’influenza di Schödinger (cfr. Yoxen, 1979).

Spunti interdisciplinari

L’opera di Schrödinger propone interessanti spunti interdisciplinari, che sono da considerarsi in diretta relazione con i suoi ampi interessi filosofici. Il suo punto di vista è essenzialmente di tipo materialista; la sua prospettiva metafisica trova invece in una visione di tipo panteista le risposte al problema della libera volontà, esposta sinteticamente nel capitolo conclusivo su “Determinismo e libero arbitrio”. Viene riportato che questa inclinazione panteista suscitò, all’uscita del lavoro, le critiche di alcune riviste cattoliche di Dublino (cfr. Yoxen, 1979). Una spiegazione più chiara di questa sua visione viene fatta dall’A. stesso nelle sue opere di argomento filosofico, tra cui La mia visione del mondo, 1964, (tr. it. Garzanti, Milano 1987).

L’opera s’inserisce in un contesto storico-scientifico in cui era stata descritta appena da un ventennio l’organizzazione in molecole e macromolecole degli atomi e questo tema, insieme con le sfide poste dalla fisica quantistica come quella del principio di indeterminazione, ricopriva un notevole ruolo nelle discussioni di quegli anni riguardo alla possibilità di ridurre ad un insieme comune di leggi quelle valide per i sistemi macroscopici e quelle valide per i sistemi atomici.

In questo contesto s’inserisce il desiderio di Schrödinger di definire delle “nuove leggi della fisica” di tipo deterministico che potessero spiegare la vita biologica – la stabilità dell’informazione genetica dell’organismo macroscopico basata su strutture di pochi atomi [2]. Probabilmente avvertiva che queste nuove leggi potessero gettar nuova luce sulla distanza tra la fisica classica e la fisica quantistica, spiegando meglio il modo in cui gli atomi si legano per formare la materia stabile nonostante le loro caratteristiche probabilistiche, quantistiche e indeterministiche.

Come abbiamo già osservato, nelle sue riflessioni l’A. viene spinto dal desiderio di muoversi verso una conoscenza unificata, verso una visione del mondo che permetta di comprenderlo nella sua interezza[3]. La sua apertura alla riflessione interdisciplinare, nata durante la giovinezza grazie probabilmente all’influenza del padre e dei suoi vasti interessi culturali e scientifici, lo portarono ad un costante e approfondito studio della filosofia. Un particolare influsso esercitarono su di lui alcune letture, tra cui quelle sulla teoria dell’evoluzione biologica di Darwin, sul pensiero di Schopenhauer e della tradizione dei Veda, e sulla teoria dello mneme di Richard Semon (cfr. Schrödinger, 1987). Nell’ultimo capitolo di Che cos’è la vita esprime sinteticamente alcune considerazioni filosofiche sulla la mente e il corpo, sulla coscienza e la natura, e sulla libera volontà. Il determinismo delle leggi di natura che operano nella materia alla scala di grandezza degli esseri viventi, unito all’evidenza della libertà della volontà che dirige il corpo, retto da tali leggi, portano l’A. ad una visione della coscienza che si rifà al pensiero di Schopenhauer: vede la coscienza concepibile solo in senso unitario. La coscienza personale è, cioè, identificata con un principio trascendente di probabile impostazione idealista: «l’io personale è uguale all’io onnipresente che tutto comprende» (p. 149).
Come testimonia in Alla ricerca di una via (1925) e in Che cosa è reale (1960), saggi pubblicati nella raccolta La mia visione del mondo, che include anche la sua Autobiografia, al centro della visione di fondo di Schrödinger si colloca la materia e la sua rappresentazione scientifica.

Facendo riferimento al pensiero di Schopenauer, di Spinoza e alla filosofia orientale dei Veda, egli cerca di spiegare l’apparente contrasto tra l’unità della rappresentazione del mondo che hanno le coscienze individuali e la loro apparente molteplicità con un “principio d’Identità” secondo il quale “ogni essere vivente sia in realtà un aspetto particolare d’un unico essere”. Egli riconduce questa spiegazione a principi di evoluzione biologica (ispirandosi al pensiero di Semon e al suo concetto di mneme). In questa visione ogni coscienza individuale porta in sé la traccia storica di tutto il processo di evoluzione biologica della specie e di sviluppo culturale dell’individuo. Ogni uomo, ogni essere vivente (e forse persino la materia inanimata) fa parte di un unità di eventi che determinano ciascuna coscienza individuale, e di cui essa risulta quindi espressione inscindibile[4]. «La mia vita cosciente è connessa alla natura e al funzionamento del mio organismo (soma), e in particolare al sistema nervoso centrale; questi sono d’altronde in diretta relazione causale e genetica con la natura e il funzionamento d’altri organismi precedentemente esistiti (…). Proprio la conformazione di quello che io chiamo il mio io cosciente è nella sua essenza frutto diretto di avvenimenti ancestrali, ma non esclusivamente e non principalmente dei miei concreti predecessori» (La mia visione del mondo, p. 39). Ciononostante Schrödinger non può fare a meno di avvertire la presenza di una domanda di fondo: perché la mia autocoscienza unifica tutto l’insieme dei miei processi biofisici in un unico soggetto, seppure frutto di una continua evoluzione biologica? «Perché, viene da chiedersi tra tutti i livelli della gerarchia che comprende la cellula, gli organi, gli organismi, gli organismi umani e gli stati, solo a quel gradino intermedio che è il mio corpo tocca in sorte una coscienza unitaria del proprio io, perché solo a esso e non alla cellula né agli organi né agli stati? E se invece non è così, in quale modo le singole cellule autocoscienti del mio cervello giungono a costituire il mio io? E anche la mia coscienza e quella dei miei simili si uniscono allora, allo stesso modo, a formare un io più elevato che abbia percezione immediata della propria unità, un io dello stato o dell’umanità?» (ibidem, pp. 42-43).

Ferma restando la sua scarsa simpatia per la religione, la sua visione è ampiamente e consapevolmente filosofica. Egli stesso mette in luce come ci siano, anche negli scienziati più fermamente razionalisti e materialisti, convinzioni di base, spesso implicite, che sono di ordine puramente metafisico, cioè non dimostrabili in riferimento solo all’esperienza del mondo fisico. Un esempio ne è lo stesso ammettere l’esistenza di un mondo reale al di là della sua rappresentazione nella coscienza. Secondo il suo pensiero, però, e in buon accordo con una prospettiva d’impronta positivista, il ruolo di una filosofia che trascende l’ordine empirico può essere solo quello di strumento a sostegno della conoscenza di ciò che ancora non è razionalmente ed esaurientemente comprensibile[5].

Riflessioni conclusive

L’opera di Schrödinger rappresenta in modo significativo un momento dell’evoluzione delle scienze biologiche in cui si iniziò a cercare di descrivere i sistemi biologici con i principi acquisiti dai progressi della fisica e della chimica. A questo passaggio storico contribuì più o meno direttamente ottenendo delle deduzioni corrette, seppur di carattere generale, grazie alla sola riflessione teorica sui dati sperimentali disponibili fino a quel momento. In particolare mostrò che una enorme quantità d’informazione può essere contenuta in una struttura piccola come un cromosoma per mezzo di un codice di natura chimica.

Pur animata da quello stupore, proprio del filosofo e dello scienziato, che muove tutta la ricerca, e da un mai assopito desiderio di unità del sapere, la visione di Schrödinger resta di carattere essenzialmente materialista e segue una prospettiva di impronta fortemente panteista. La coscienza individuale e la materia, cioè la mente, lo spirito e il corpo, non sono realmente distinti né fra loro né dalla natura. La sua convinzione dell’unità della coscienza, di cui ogni essere vivente sarebbe parte integrante, considera la persona solo come parte di un tutto, alla cui vita presente e futura partecipa attivamente e contribuisce, mantenendo viva in sé l’esistenza delle altre coscienze individuali passate e presenti. La sua visione, seppur di interesse, non sembra a nostro avviso spiegare però come sia possibile l’emergere della vita e della coscienza nella materia. O comunque, non pare tener conto delle difficoltà di poter ridurre interamente la fenomenologia della vita, in particolare della vita auto-cosciente, alle sole leggi della fisica ed ella chimica.

Tuttavia, un contesto in cui l’estrema specializzazione è necessaria per studiare a fondo ogni elemento in cui la realtà può essere scomposta e resa disponibile all’indagine scientifica, questa breve opera di Schrödinger esprime il desiderio di una conoscenza di ampio respiro filosofico, manifesta il successo interpretativo di una visione interdisciplinare, come quella da lui applicata alla genetica, mostrando come un tale desiderio porti il frutto d’intuizioni valide anche per le scienze naturali.

Bibliografia

Donnan, F.G., The mistery of life, Report of the British Association of the Advancement of Science, Glasgow 1928;
Guye, C.E., Physico-chemical evolution, Methuen, London 1925;

Olby, R., Schrödinger problem: What is life?, «Journal of the History of Biology», 1971, 4, 1, pp. 119-148;

O’Neill, L., Murphy M., Gallagher R.B., What are we? Where did we come from? Where are we going?, «Science», 263 (1994), pp. 181-183;

Symonds, N., What Is Life? Schrödinger's Influence on Biology, «The Quarterly Review of Biology», 61 (1986), pp. 221-226;

Schrödinger E., La mia visione del mondo, a cura di B. Bertotti, Garzanti, Milano 1987;

Witkowski, J.A., Schödinger’s ‘What is life?’: entropy, order and hereditary code-script, «Trends in Biochemical Sciences», 11 (1986), pp. 266-268;

Yoxen, E.J., Where does Schrödinger's What is Life? belong in the History of Molecular Biology?, «History of Science», 17 (1979), 35, pp. 17-52,