Indizi di Intelligent Design? - Ottimalità strutturali

Per studiare se esistono strutture e processi più efficienti rispetto a quelli naturali, vengono costruiti in laboratorio dei prototipi artificiali simili a quelli reali, in cui vengono fatte delle variazioni nei parametri di controllo o nelle parti componenti. In tutti i casi il risultato di ottimizzazione però riporta alle costruzioni reali: quindi in natura le strutture e i processi esistenti sono quelli migliori, cioè quelli dotati di massima efficienza, con minimo spreco di materia e/o energia. I ricercatori attribuiscono questa perfezione non tanto alla selezione naturale ma a principi fisici di scala che plasmerebbero sin dall’inizio della loro formazione gli organismi. La cosa notevole è che si ritiene che questa informazione per costruire una struttura ottimale non è codificata nel genoma, ma è dovuta a vincoli esterni o a ‘superleggi’ biologiche della ‘forma’ derivate dalla fisica delle forze in gioco: sarebbe come se esistessero degli ‘stampi’ o 'percorsi costruttivi obbligati' entro cui giocoforza si debbono sviluppare le strutture e i processi.

Vedremo in questo post tre notevoli esempi di ottimalità: quella del codice genetico, quella della struttura dei vasi di trasporto della linfa nelle foglie, quella della ‘locomozione’ animale (1).

Ancora sul codice genetico

Ho già detto in un precedente post dell’ottimalità del codice genetico, per il fatto che è un codice quaternario a triplette, elencando i motivi che lo fanno preferire a quello binario, o senario, ma oltre a ciò è stato trovato anche che esso è il più efficiente tra tutti gli altri codici quaternari alternativi, soprattutto nella limitazione di errori di frame-shift (cioè quelli in cui saltando un carattere c’è un conseguente spostamento di lettura a destra o a sinistra ), e questo a causa della più alta probabilità di incontrare comandi di ‘stop’ dopo lo slittamento, quindi con più facilità di interruzione della sintesi della proteina errata con risparmio di materia-energia. Oltre a ciò, il codice reale è anche l’ottimale nel supportare informazioni aggiuntive e parallele che includono sequenze vincolanti per procedure e proteine strutturali, istruzioni per lo splicing alternativo (cioè le diverse combinazioni di pezzi dello stesso gene per ottenere proteine differenti) e comandi per gestire la struttura secondaria dell'RNA (cioè quella che si forma con legami tra i suoi nucleotidi dopo che l’RNA è stato trascritto dal DNA) (2).

La struttura delle ‘vene’ nelle foglie.

Il fatto che l’acqua riesca ad arrivare sin alla cime degli alberi, e in certi casi anche a un centinaio di metri di altezza, è dovuto a diversi fattori: proprietà di assorbimento delle radici, le quali quindi spingono il liquido verso l’alto, fenomeni di capillarità, evaporazione per il tramite delle foglie dovuta a piccole aperture in esse chiamate stomi. Quest’ultimo è il processo più imponente: ne consegue ad esso una specie di aspirazione verso l’alto. Le foglie costituiscono un sofisticato laboratorio fisico-chimico in cui avviene il complicato processo di sintesi clorofilliana che in definitiva trasforma l’energia solare in ‘pacchetti chimici’ che sostengono la vita sia della pianta che degli animali che se ne nutrono (ne ho parlato in un precedente post). E’ anche per questo quindi che è meglio che siano ben irrorate e abbiano il massimo afflusso di linfa. 

Ho già detto della struttura frattale dei vasi che si diramano dentro la foglia, ma ulteriori ricerche hanno messo in evidenza l’ottimalità di questa rete rispetto ad altre configurazioni alternative. Con simulazioni di laboratorio, usando foglie artificiali polimeriche, si è trovato che la portata del liquido che viaggia nei vasi aumenta con la densità lineare dei tubi ma arriva ad un valore massimo quando questa densità è tale che la distanza tra i tubi è uguale allo spessore della foglia artificiale. Ebbene questa densità ideale è proprio quella che caratterizza le foglie in natura: una densità minore porterebbe meno linfa, una maggiore sarebbe solo uno spreco di materiale senza ulteriore guadagno (3).

La locomozione animale.

Nella locomozione animale abbiamo essenzialmente tre tipi di moto in base al mezzo in cui avviene: corsa o strisciamento, nuoto e volo. Questi moti vengono ottenuti con movimenti degli arti o del corpo e sembrano essere essenzialmente di natura diversa, ma si può dimostrare, con semplici considerazione di meccanica, che la loro ottimizzazione per ottenere il massimo spostamento con il minimo dispendio di energia dipende dalle stesse variabili fisiche in maniera simile, per cui possono essere considerati equivalenti. 

Applicando perciò il principio di minimo consumo energetico per distanza percorsa, si ottiene dalla teoria che la velocità del moto deve essere direttamente proporzionale alla massa del corpo elevata ad 1/6 e la sua frequenza (numero passi, battito di ali o ondulazioni al secondo) deve essere inversamente proporzionale alla stessa potenza di 1/6 della massa. E’ richiesta inoltre la proporzionalità diretta tra la forza prodotta dai muscoli e la massa del corpo (di circa 60 N/kg). Si trova anche che il numero di Reynolds, che dipende dalla forma più o meno aerodinamica del corpo ed è coinvolto nelle equazioni del suo moto in un fluido viscoso (aria nella corsa e nel volo, acqua nel nuoto), deve essere superiore a 30, mentre il numero di Strouhal, che è quello che caratterizza la frequenza del distacco dei vortici, deve mantenersi costantemente uguale a 0,1. La locomozione ideale inoltre deve bilanciarsi a intermittenza su due fasi: si deve avere un equilibrio tra la perdita in verticale di energia per il sollevamento del corpo, a causa delle dissipazione all’impatto con il terreno, e la perdita orizzontale, dovuta all’attrito con il mezzo circostante. Ebbene, dalle misure effettuate si trova che gli tutti animali soddisfano perfettamente nel loro moto questi requisiti, praticamente senza eccezioni, e perciò i loro corpi risultano essere costruiti in maniera tale da essere ottimizzati per il moto (4).

 

Due possibilità...

Siccome pare improbabile che gli organismi abbiano esplorato tutte le innumerevoli strade per arrivare a queste ottimizzazioni sui tutti i fronti, si possono avere due approcci sull'origine di queste strutture, in cui cambia però il soggetto agente: col primo,  quello del naturalismo, si suppone che sono le forze fisiche che plasmano gli organismi in maniera da ottenere l’ottimizzazione, col secondo, quello  dell' Intelligent Design, si sostiene che questi organismi sono stati progettati da un Designer in maniera tale da ottenere il massimo di efficienza con il minimo spreco.

(continua)

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Note e crediti

(0) foto dal sito Pixabay.com

(1) si veda anche: Massimo Piattelli Palmarini e Jerry Fodor – Gli errori di Darwin – Feltrinelli 2010 pag 99-101.

(2) Itzkovitz e Uri Alon – The genetic code is nearly optimal for allowing arbitrary additional information within protein-coding sequences – in Genomic Research 17 (2007) pag 39-50

(3) Noblin X. e altri – Optimal vein density in artificial and real leaves - (2008)

(4) Bejan e Marden - Unifyng constructal theory for scale effects in running, swimming and flying – The Journal of Experimental Biology – 209 (2006) pag 238-248