Una nuova teoria, afferma che il tempo è fondamentale per la vita

Nel breve arco di soli 300 anni, dall’invenzione della fisica moderna, abbiamo acquisito una comprensione più profonda di come funziona il nostro universo sia su piccola che su larga scala. Tuttavia, la fisica è ancora molto giovane e quando si tratta di usarla per spiegare la vita, i fisici fanno fatica.

Ancora oggi non riusciamo davvero a spiegare quale sia la differenza tra un pezzo di materia vivente e uno morto.

Più di 150 anni fa, Darwin notò in modo toccante la dicotomia tra ciò che comprendiamo in fisica e ciò che osserviamo nella vita – osservando alla fine di The Origin of Species “mentre questo pianeta è andato avanti ciclicamente secondo la legge di gravità fissa, da un inizio così semplice si sono evolute e si stanno evolvendo infinite forme bellissime e meravigliose”.

L’importanza del tempo

Isaac Newton ha descritto un universo dove le leggi non cambiano mai, e il tempo è uno sfondo immutabile e assoluto su cui tutto si muove. Darwin, invece, osservò un universo in cui si generano infinite forme, ognuna delle quali cambia le caratteristiche di ciò che è venuto prima, suggerendo che il tempo non solo dovrebbe avere una direzione, ma che in qualche modo si ripiega su se stesso. Nuove forme evolutive possono sorgere solo attraverso la selezione sul passato.

Presumibilmente queste due aree della scienza descrivono lo stesso universo, ma come possono essere unificate due visioni così diametralmente opposte? La chiave per capire perché la vita non è spiegabile nella fisica attuale potrebbe essere quella di riconsiderare le nostre nozioni di tempo come la differenza fondamentale tra l’universo descritto da Newton e quello di Darwin. Il tempo, infatti, è stato reinventato molte volte attraverso la storia della fisica.

Sebbene il tempo di Newton fosse fisso e assoluto, il tempo di Einstein divenne una dimensione, proprio come lo spazio. E proprio come tutti i punti nello spazio esistono contemporaneamente, così esistono tutti i punti nel tempo. Questa filosofia del tempo viene talvolta chiamata “universo a blocchi” in cui il passato, il presente e il futuro sono ugualmente reali ed esistono in una struttura statica, senza uno speciale “adesso”. Nella meccanica quantistica, il passare del tempo emerge dal modo in cui gli stati quantistici cambiano da uno all’altro.

L’invenzione della termodinamica ha dato al tempo la sua freccia, spiegando perché si sta muovendo in avanti piuttosto che indietro. Questo perché ci sono chiari esempi di sistemi nel nostro universo, come un motore funzionante, che sono irreversibili – funzionano solo in una direzione. Ogni nuova area della fisica fondamentale, sia che descriva spazio e tempo (Newton/Einstein), materia e luce (meccanica quantistica), o calore e lavoro (termodinamica), ha introdotto un nuovo concetto di tempo.

Ma per quanto riguarda l’evoluzione e la vita? Per costruire cose nuove, l’evoluzione richiede tempo. Le novità senza fine possono nascere solo in un universo in cui il tempo esiste e ha una direzione chiara. L’evoluzione è l’unico processo fisico nel nostro universo che può generare la successione di nuovi oggetti che associamo alla vita: cose come microbi, mammiferi, alberi e persino cellulari.

Informazione e memoria

Tali oggetti non possono fluttuare nell’esistenza spontaneamente. Richiedono una memoria, basata su ciò che esisteva nel passato, per costruire le cose nel presente. È tale “selezione” che determina la linea di demarcazione tra l’universo descritto dalla fisica attuale e ciò che Darwin ha visto: è il meccanismo che trasforma un universo in cui la memoria non ha importanza nel determinare ciò che esiste, in uno in cui esiste.

Pensaci, tutto nel mondo vivente richiede una sorta di memoria e flusso di informazioni. Il DNA nelle nostre cellule è il nostro progetto. E per inventare cose nuove, come razzi o medicinali, anche gli esseri viventi hanno bisogno di informazioni: conoscenza delle leggi della fisica e della chimica.

Per spiegare la vita, dobbiamo quindi capire come esistono nel tempo gli oggetti complessi che la vita crea. Alcuni scienziati, hanno fatto proprio questo in una nuova teoria della fisica chiamata teoria dell’assemblaggio.

Teoria dell’assemblaggio

Una congettura chiave della teoria dell’assemblaggio è che, man mano che gli oggetti diventano più complessi, il numero di parti uniche che lo compongono aumenta, così come la necessità di memoria locale per memorizzare come assemblare l’oggetto dalle sue parti uniche. Quantifichiamo questo nella teoria dell’assemblaggio come il numero più breve di passaggi fisici per costruire un oggetto dai suoi elementi costitutivi elementari, chiamato indice di assemblaggio.

È importante sottolineare che la teoria dell’assemblaggio tratta questo percorso più breve come una proprietà intrinseca dell’oggetto, e in effetti hanno mostrato come l’indice di assemblaggio può essere misurato per le molecole utilizzando diverse tecniche di misurazione tra cui la spettrometria di massa (un metodo analitico per misurare il rapporto massa-carica di molecole).

Con questo approccio hanno dimostrato in laboratorio, con misure su campioni sia biologici che non biologici, come molecole con indice di assemblaggio superiore a 15 passi si trovino solo in campioni viventi.

Ciò suggerisce che la teoria dell’assemblaggio è effettivamente in grado di verificare la nostra ipotesi che la vita sia l’unica fisica che genera oggetti complessi. E possiamo farlo identificando quegli oggetti così complessi che l’unico meccanismo fisico per formarli è l’evoluzione.

L’obiettivo è utilizzare la teoria per stimare quando l’origine della vita si verifica misurando il punto in cui le molecole in un brodo chimico diventano così complesse da iniziare a utilizzare le informazioni per creare copie di se stesse – la soglia in cui la vita nasce dalla non-vita. Possiamo quindi applicare la teoria agli esperimenti che mirano a generare una nuova origine dell’evento di vita in laboratorio.

E quando lo sappiamo, possiamo usare la teoria per cercare la vita su mondi che sono radicalmente diversi dalla Terra, e quindi potrebbero sembrare così alieni da non riconoscere la vita lì.

Se la teoria regge, costringerà a un radicale ripensamento sul tempo in fisica. Secondo questa teoria, l’assemblaggio può essere misurato come una proprietà intrinseca delle molecole, che corrisponde alla loro dimensione nel tempo, il che significa che il tempo è un attributo fisico.

In definitiva, il tempo è intrinseco alle nostre esperienze del mondo ed è necessario affinché avvenga l’evoluzione. Se vogliamo che la fisica sia in grado di spiegare la vita – e noi – potrebbe essere necessario trattare il tempo come una proprietà materiale per la prima volta in fisica.

Questa è forse la deviazione più radicale per la fisica della vita dalla fisica standard, ma potrebbe essere l’intuizione critica necessaria per spiegare cos’è la vita.