modello doppia elica dna

Elogio del riduzionismo ovvero dell'evoluzione del pensiero scientifico

In Scienza di Pellegrino Conte

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L’approccio del risolvere un grande problema trovando le cose microscopiche che sono rotte ed aggiustarle è chiamato riduzionismo — se si vuole comprendere un sistema, bisogna scomporlo nelle parti che lo costituiscono. Il pensiero riduzionista ha dominato la scienza occidentale per secoli, aiutando l’occidente a tirarsi fuori dal pantano dell’età medievale. Il riduzionismo può essere una gran bella cosa. Essendo stato bambino all’epoca di Jonas Salk, sono immensamente felice di aver beneficiato di un prodotto della scienza riduzionista, ovveroil vaccino scoperto da lui (o da Albert Sabin, ma non ci addentriamo in questo argomento), invece di aver avuto un pediatra che facesse un rituale su me armato di ciondoli, feticci e interiora di capra per propiziarsi il demone della polio. Gli approcci riduzionisti alle scienze mediche hanno fornito vaccini, farmaci che bloccano fasi specifiche della replicazione virale e identificato precisamente quale parte di noi si guasta in moltissime malattie. È grazie al riduzionismo se, nel corso dell’ultimo secolo, la nostra aspettativa di vita è aumentata considerevolmente. Perciò, se si vuole comprendere la biologia del ciò che siamo […] l’approccio riduzionista fornisce regole del gioco piuttosto chiare: capire gli individuiche  formano la società; capire gli organi che costituisconogli individui, le cellule che formano gli organi e, scendendo fino alle fondamenta dell’intero edificio, capire i geni che danno istruzioni alle cellule su cosa fare. Questa prospettiva ha dato luogo a un’orgia di ottimismo riduzionista nella forma del progetto di ricerca più dispendioso storia delle scienze naturali, il sequenziamento del genoma umano.

Robert M. Sapolsky

L'uomo bestiale. Come l'ambiente e i geni costruiscono la nostra identità: copertina.

Era il 2005 quando Robert M. Sapolsky scriveva nell’introduzione al suo Monkeyluv: and other essays on our lives as animals (che nella traduzione italiana de I Timoni – Castelvecchi editori  del 2014 suona così: L’uomo bestiale: come l’ambiente e i geni costruiscono la nostra identità) quanto ho appena riportato. Il suo elogio del riduzionismo è la base per evidenziare come ridurre il comportamento umano alla risultante lineare dei comportamenti dei geni contenuti nel DNA sia sbagliato. L’approccio più corretto è prendere in considerazione l’effetto combinato di geni ed ambiente. Insomma, usando un linguaggio più “pop”, la comprensione dell’uomo passa attraverso un approccio “olistico” che deve considerare tutto l’insieme, interno ed esterno, di ciò che caratterizza l’essere umano. Non sono un neurofisiologo né un osservatore del comportamento umano; non sono in grado di sostenere o controbattere le argomentazioni di Sapolsky nel suo campo. Per questo mi addentro nel campo che mi è più congeniale che è quello chimico. Indubbiamente scomporre un sistema complesso nelle sue singole componenti ha consentito l’enorme sviluppo scientifico degli ultimi 4 secoli. Se oggi sappiamo quante sono le forze che tengono insieme i nostri atomi e, nel loro complesso, l’insieme di atomi alla superficie terrestre, è perché qualcuno è andato a smontare la materia ed ha visto da cosa è composta.[1] L’approccio riduzionista è quello che ha permesso lo sviluppo di tecniche analitiche come la cromatografia in fase liquida o quella in fase gassosa; la risonanza magnetica nucleare ad alta e bassa risoluzione, e tutta una serie di tecniche oggi riconosciute come incomparabili per la valutazione della qualità degli alimenti o per la loro tracciabilità (questo tanto per stimolare la corda più populista di chi si preoccupa di sapere se l’olio extravergine che usa è tunisino o viene fatto raccogliendo le olive dietro casa).[2] Tuttavia, sebbene fin dagli albori della scienza ai giorni nostri ha prevalso l’idea che le proprietà di tutti i sistemi fossero comprensibili solo sulla base di una loro scomposizione nelle diverse componenti elementari e che la somma delle proprietà di ciascuna risultasse, in qualche modo, nelle proprietà dell’intero sistema, appare chiaro, oggi, che non è così. Usando un linguaggio matematico, si può dire che le proprietà dei sistemi complessi non sono una combinazione lineare delle proprietà delle singole componenti, quanto piuttosto la risultante delle loro interazioni non lineari.[3] Le eventuali relazioni lineari debbono essere considerate solo come caso particolare di quello più generale che si inquadra nella già citata relazione non lineare.

Henri Le Châtelier

Henri Le Châtelier, chimico (1850-1936).

Un esempio abbastanza banale è il principio di Le Châtelier: quando un sistema all’equilibrio chimico viene perturbato per effetto di un’azione esterna, il sistema reagisce in maniera da ridurre o annullare la sollecitazione stessa ristabilendo l’equilibrio.[4] Per esemplificare questa definizione prendiamo un composto A che, in una soluzione, è in equilibrio con il composto B secondo l’equazione: nA = mB dove n e m sono i coefficienti stechiometrici. Il sistema sotto osservazione contiene due componenti (A e B) che interagiscono tra loro in modo tale che aumentando la concentrazione del reagente A, la reazione si sposta a destra producendo una maggiore quantità di prodotto B. Allo stesso modo introducendo una certa quantità di B, la reazione si sposta verso sinistra portando alla formazione di A. Pur sapendo che il sistema è fatto da due componenti le cui proprietà possono essere studiate indipendentemente le une dalle altre, non possiamo dire che il comportamento del sistema nella sua totalità sia dato dalla combinazione lineare della concentrazione delle singole componenti (la concentrazione è una proprietà intensiva[5]). Infatti, è possibile dimostrare che la relazione che lega la concentrazione di A a quella di B all’equilibrio chimico è: [B]^m = k x [A]^n dove k è comunemente indicata come costante di equilibrio (la x indica semplicemente l’operazione di moltiplicazione). Possiamo concludere, da questo semplice esempio, che l’equilibrio chimico (croce di tutti gli studenti e delizia di tutti i docenti) non è altro che una proprietà delle soluzioni, emergente dalle interazioni non lineari delle proprietà (in questo caso la concentrazione) delle singole componenti della soluzione. La storia della scienza (e, nella fattispecie, della chimica in particolare) è ricca di esempi di questo tipo. Volendo considerare un caso più complesso si può citare l’allosterismo: «L’allosterismo rappresenta una delle modalità di regolazione della funzione di alcune proteine, di solito oligomeriche, […]; fra queste si ricordano l’emoglobina e numerosi enzimi».[6] Originariamente proposta da Jaques Monod,[7] la regolazione allosterica delle proteine consiste nel fatto che un piccolo metabolita si lega ad uno dei siti attivi della proteina modificandone la conformazione (ovvero la struttura tridimensionale) ed alterandone nel contempo le funzionalità (sia migliorandole, allosterismo positivo, che inibendole, allosterismo negativo).

Esempio di reazione allosterica

(Isaac Webb/Commons CC-BY-SA 3.0)

  1. sito attivo;
  2. sito allosterico;
  3. substrato;
  4. inibitore;
  5. enzima.
  1. in assenza di inibitore, l’enzima (E) si lega al substrato (C).
  2. l’intervento dell’inibitore (D) modifica il sito attivo (A), l’enzima non è più in grado di legarsi al substrato: la reazione allosterica è negativa.

Schema esemplificativo di reazione allosterica negativa.

L’esempio più semplice è la regolazione allosterica positiva dell’emoglobina da parte della molecola di ossigeno. È noto che l’emoglobina è una proteina complessa costituita da quattro sub unità proteiche ognuna con un sito attivo che prende il nome di “gruppo eme”.[8] Quando una molecola di ossigeno si lega al gruppo eme di una delle sub unità, la conformazione di questa sub unità si modifica secondo una modalità che potrebbe essere vista come una mano che si chiude a pugno dopo aver afferrato un oggetto. Le modificazioni conformazionali della sub unità suddetta modificano quelle delle altre sub unità che appaiono, quindi, nella nuova situazione come delle mani più aperte pronte ad afferrare un nuovo oggetto. Grazie a queste modificazioni conformazionali, la seconda molecola di ossigeno è in grado di legarsi al secondo sito attivo più velocemente di quanto abbia fatto la prima molecola di ossigeno. A seguito di questa seconda interazione, le sub unità ancora libere subiscono delle ulteriori modificazioni conformazionali aprendosi ancora di più e permettendo ad una terza molecola di ossigeno di legarsi ancora più velocemente rispetto alle prime due. La terza molecola di ossigeno induce dei nuovi cambiamenti conformazionali nell’ultima sub unità libera cosicché essa riceve l’ultima molecola di ossigeno con una facilità ancora maggiore rispetto alle precedenti. Da un punto di vista matematico l’allosterismo dell’emoglobina non è descrivibile mediante una relazione lineare, bensì attraverso una sigmoidale[8]. Come nel caso dell’equilibrio chimico su descritto, anche l’allosterismo non può essere considerato semplicemente come la risultante di una combinazione lineare delle proprietà delle singole sub componenti di un enzima/proteina, quanto piuttosto come una proprietà emergente dalle loro interazioni non lineari. Tutta la chimica (dalla chimica organica, alla biochimica, alla chimica del suolo e così via) è ricca di sistemi complessi le cui proprietà emergono dalle interazioni tra le singole sub unità componenti. Come non ricordare, per esempio, la complessità del metabolismo in cui ogni singolo metabolita rappresenta solo un dente di un ingranaggio ben più complicato le cui caratteristiche non sono la somma di quelle dei singoli denti, ma da essi derivano. In questa ottica va inserito il concetto di vita vista come una proprietà che emerge dalle complesse interazioni occorrenti nei processi metabolici.[9]

…conoscere le proprietà delle tessere di un puzzle non aiuta a comprendere il disegno contenuto nel puzzle, se non si riesce ad inserire ogni singola tessera nella giusta posizione dello schema del gioco.

Qual è dunque l’importanza del riduzionismo nell’ottica scientifica attuale? Nato come «concezione epistemologica che tende a formulare concetti e linguaggio di una teoria scientifica nei termini di un’altra teoria considerata più fondamentale»,[10] il riduzionismo si è basato, a partire dal XVII secolo, “sull’ipotesi che tutta la realtà fisica possa essere in definitiva ‘ridotta’ (e spiegata) in termini di particelle materiali e dei loro movimenti”.[10] L’idea che tutta la realtà fenomenologica potesse essere spiegata solo sulla base delle conoscenze delle caratteristiche delle singole componenti microscopiche è stata superata solo nel XX secolo quando ci si è resi conto che conoscere le proprietà delle tessere di un puzzle non aiuta a comprendere il disegno contenuto nel puzzle, se non si riesce ad inserire ogni singola tessera nella giusta posizione dello schema del gioco. Da qui la rilettura in termini di proprietà emergenti di tutti i concetti scientifici come, per esempio, il principio di Le Châtelier precedentemente discusso. Il riduzionismo deve essere, quindi, considerato come un approccio che consente non solo di conoscere i singoli dettagli della realtà fisica fino alle dimensioni microscopiche, ma anche in grado di riporre le varie sub componenti della stessa nella giusta posizione rispetto a tutte le altre in modo da poter riprodurre con accuratezza le proprietà macroscopiche dell’intero sistema rappresentato dalla realtà osservata. In questa ottica il giudizio (secondo la mia lettura, negativo) di Sapolsky in merito alla dispendiosità del progetto di ricerca sul genoma umano mi lascia molto perplesso. È pur vero che la conoscenza del genoma non risponde a tutte le domande che ci possiamo porre in merito al comportamento umano, ma è anche vero che attribuire ai geni la responsabilità di ogni cosa è solo una trovata di un giornalismo di bassa lega che deve fare business e vendere un prodotto a un pubblico le cui conoscenze scientifiche sono mediamente basse. Si tratta dello stesso pubblico che ha necessità di trovare delle correlazioni di causalità laddove esistono solo relazioni di casualità come nel caso dell’omeopatia[11] e dell’autismo causato dai vaccini[12] Mi trovo, invece, molto d’accordo sull’idea dell’interazione corredo genetico/ambiente nello sviluppo del comportamento umano in quanto questo modo di pensare si inserisce molto bene nel modello di riduzionismo emergentista di cui si è discusso fino ad ora.

Riferimenti

  1. [1]Conte, Pellegrino “Il binario 9 e ¾ ovvero del perché non possiamo attraversare i muri come Harry Potter“. Laputa. 31-10-2015, Web.
  2. [2]Rocco, Anna, Salvatore Fanali. “Tecnologie per il miglioramento della qualità e della sicurezza degli alimenti.” Istituto di Metodologie Chimiche. Consiglio Nazionale delle Ricerche. Web.
  3. [3]Sapereaude, “Apologia del riduzionismoScienza di Frontiera. 8 Gen. 2012. Web.
  4. [4]Principio di Le Châtelierchimica–online.it. Web.
  5. [5]Longato, Bruno (PDF) “Le soluzioni” Dipartimento di Scienze Chimiche. Università degli studi di Padova. Web.
  6. [6]Stefani, Massimo, Niccolò Taddei. Percorsi di Biochimica. Zanichelli, 2012.
  7. [7]“Allosterìa” Enciclopedia Sapere.it
  8. [8]“Una proteina in azione: l’emoglobina” in Berg, J.M., J.L. Tymoczko, L. Stryer Biochimica Zanichelli, 2003. ISBN: 88-08-07893-0
  9. [9]Luisi, Pier Luigi Sull’origine della vita e della biodiversità. Mondadori Università, 2013. ISBN 9788861842953
  10. [10]riduzionismo” in Enciclopedia Treccani. Web.
  11. [11]Conte, Pellegrino “Omeopatia, una pratica esoterica senza fondamenti scientificiLaputa, 7 Mag. 2016.
  12. [12]Common Concerns“. Vaccine Safety. Centers for Disease Control and Prevention. <www.cdc.gov/vaccinesafety/concerns/autism.html>

Immagine copertina: skeeze/Pixabay.

Autore

Pellegrino Conte

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Laureato in Chimica e con dottorato in Chimica Agraria, ricopre attualmente la cattedra di Chimica Agraria presso l'Università degli Studi di Palermo. La sua attività di ricerca riguarda lo sviluppo della risonanza magnetica nucleare a ciclo di campo nel settore ambientale ed agro-alimentare. In tale ambito si occupa della fertilità dei suoli, dei processi di recupero ambientale e della qualità dei prodotti alimentari. E' stato visiting scientist presso la Wageningen University and Research (Paesi Bassi) e visiting Professor presso il Forschungszentrum Juelich (Germania). E' autore di più di 110 lavori pubblicati su riviste scientifiche nazionali ed internazionali e capitoli di libri. Scrive per Laputa, Debunking.it, Chimicare e per il proprio blog, Pellegrinoconte.com.