Roberto Casati

(Novembre 2000)

Orologi

Gli orologi sono oggetti di confine tra natura e artificio. I primi orologi meccanici hanno affascinato i filosofi dell'età Moderna che ne hanno fatto una metafora del cosmo, al punto da dipingere la creazione come il lavoro della bottega di un Grande Orologiaio. Per esempio, Leibniz è colpito da come la mente può rappresentare il mondo e come il corpo si piega agli ordini della mente. C'è un tavolo davanti a me, e guarda caso nella mia mente si forma l'idea di quel tavolo. Dato che non c'è comunicazione tra le monadi, e dato che la natura non sarà solo una rete di coincidenze, possiamo concludere che mente e tavolo sono stati sincronizzati, come orologi prodotti dalla stessa bottega, per essere dove sono e fare quello che fanno al momento giusto.

Ma possiamo anche rovesciare la metafora e scegliere di descrivere gli orologi usando il linguaggio della biologia. Un orologio, potremmo dire, è formato da un "cuore segnatempo" cui si aggiunge un "occhio osservatore" che conta i battiti del cuore segnatempo ed eventualmente lascia una traccia che può venir letta da altri osservatori. Il cuore segnatempo incorpora un processo fisico che presenta una qualche periodicità. La scelta è ampia: la rotazione della terra, la rivoluzione di un pianeta, l'andirivieni di un fotone tra due specchi. Quando non si trova un'oscillazione, si può "drogare" un processo fisico. Gli orologi meccanici trasformano un movimento accelerato (la caduta di un contrappeso, il distendersi di una molla) in una sequenza di microaccelerazioni continuamente frenate e che ripartono continuamente. Osservata "da lontano", ovvero su un tempo sufficientemente lungo, la sequenza assomiglia a un'oscillazione, di cui il tic-tac rappresenta i punti estremi. Nel caso di un orologo a pendolo, la falsa oscillazione del meccanismo viene controllata dall'oscillazione vera del pendolo. Un buon orologiaio è dunque un cacciatore di oscillazioni, una mente capace di estrarre ritmi vitali dai processi naturali e di farli dialogare tra loro come gli organi di un essere vivente.

Il miglior modo di vedere se un’analogia è buona consiste nel produrla. In un lettera a Nature (gennaio 2000) Michael Elowitz e Stanislas Leibler hanno descritto come sono riusciti a modificare un batterio per farne un orologio. Ecco la ricetta. In primo luogo bisogna costruire due plasmidi, ovvero due anelli di DNA che verranno fatti navigare nella materia intercellulare del batterio Escherichia Coli. Si tratta di due piccoli parassiti genetici con funzioni diverse. Uno fa da "reporter": sotto l’influenza dell’altro a un certo punto non riesce più a svolgere la sua funzione, che è quella di impedire la produzione di una proteina fluorescente. La proteina invade la cellula che fa un flash. Il reporter ha segnalato che qualcosa è avvenuto. L’idea è di produrre dei flash periodici. Questi dipendono dal comportamento dell’altro plasmide, battezzato "repressilatore", ovvero oscillatore a repressione. È composto di tre geni, diciamo A, B e C. La proteina prodotta da A inibisce l’attività del gene B, quella prodotta da B impedisce l’attività di C e quella prodotta da C blocca A. Quando il sistema parte A produce la proteina che inibisce B. In questo modo B non produce la proteina che reprime C, e C è molto attivo. Ma prosperando C inibisce A, e così via. (Perché servono tre geni? Se ce ne fossero solo due che si reprimono a vicenda, il ciclo si bloccherebbe subito: il primo gene creerebbe la proteina che inibisce il secondo, e questo non potrebbe produrre la proteina che inibisce il primo, che finirebbe col dominare bloccando il sistema.)

Ogni volta che A agisce il reporter si mette a produrre la sua proteina fluorescente. Il ciclo dura 160 minuti, con una approssimazione di 40 minuti. Ogni due ore e quaranta (più o meno) il batterio fa dunque un flash. Naturalmente l’approssimazione è troppo grande per farne un orologio utile, ma il batterio può venir letto come un cuore segnatempo di un orologio.

Se vi spostate di qualche fuso orario in un viaggio aereo scoprite di essere orologi. Il vostro sonno ne viene turbato. Gli orologi locali vi dicono che dovete stare svegli ma il vostro corpo conserva la memoria dell'ora del luogo d'origine e vi implora di andare a dormire. Gli orologi biologici che si trovano in natura sono spesso sincronizzati sul ritmo circadiano (circa diem, giornaliero) con una precisione impressionante. Si è pensato a lungo che l'orologio umano fosse abbastanza stabile ma comunque impreciso - ritardasse di un'ora ogni giorno. Uno studio recente di Charles A. Czeisler su Science indica che l'imprecisione si riduce a undici minuti. Gli studi precedenti pare non tenessero conto dell'effetto della luce artificiale e questo mostra anche come l'evoluzione ha risolto il problema dell'approssimazione degli orologi biologici. È stato previsto un meccanismo che stabilizza ogni giorno l'oscillazione biologica sotto l'influenza della luce.

Noi siamo organismi complessi, ma i batteri sono unicellulari. Ora alcuni batteri (non modificati) seguono il ciclo circadiano. Questo pone un problema interessante, dato che il loro ciclo di divisione è più rapido del ciclo di notte e giorno. Come fanno i batteri a conservare la memoria delle tappe precedenti del ciclo? A tutt'oggi non si sembra esserci una risposta. Come progetto di ricerca provvisorio Elowitz pensa che si potrebbero costruire delle popolazioni di batteri capaci di "leggere" il proprio cuore segnatempo e autosincronizzarsi. E aggiunge su una nota di metodo che risponde a Leibniz negando il divario tra natura e artificio: "Credo che un miliardo di anni di ricerca in più abbia dato suoi frutti."