Zanichelli: Chiavi di lettura

Simulare il flusso del sangue in un’arteria occlusa, prevedere che tempo farà domani, ottimizzare l’aerodinamica di una barca a vela: per risolvere questi problemi, cardiologi, meteorologi e ingegneri possono contare sull’aiuto della matematica. Il matematico lavora in équipe con gli specialisti del campo, con cui stabilisce le domande a cui dare risposta. Per modellizzare l’apparato circolatorio deve tener conto dell’elasticità delle pareti arteriose, che si deformano al passaggio del sangue, e dei moti vorticosi che si formano a valle delle biforcazioni delle arterie. Per progettare una barca a vela in grado di conquistare la Coppa America deve ottimizzare l’aerodinamica dello scafo e delle vele, tenendo conto della variabilità del vento e dell’interazione con le imbarcazioni avversarie. Non basta, poi, «scrivere le formule»: ogni equazione dev’essere tradotta in algoritmi informatici, cercando il miglior compromesso tra l’accuratezza della simulazione e il costo computazionale. Il campo d’azione del matematico è illimitato: i modelli che inventa possono prevedere di tutto, dal tempo di cottura ideale dei bucatini a come si diffonde una pandemia.

Nel 2050 saremo in 9 miliardi, 2 miliardi in più di adesso. Oggi coltiviamo la metà della terra abitabile: come potremo dar da mangiare alle generazioni future senza distruggere l’ambiente in cui viviamo? Dovremo diventare più efficienti. Con telecamere a infrarossi e droni valuteremo la salute delle piante nei campi. Squadre di robot agricoli e sistemi automatici useranno questi dati per distribuire acqua, fertilizzanti e fitofarmaci solo alle piante che ne hanno bisogno. Avremo fattorie verticali ricavate da spazi abbandonati delle metropoli, dove verdure e ortaggi cresceranno tutto l’anno e a kilometro zero. Rispetto a un campo all’aperto, per coltivare un chilo di pomodori risparmieremo 65 litri d’acqua. La digitalizzazione ci permetterà di creare filiere trasparenti, per sapere dove e come è stato coltivato e trasformato ogni prodotto: basterà uno smartphone per esaminare la carta di identità di quello che mettiamo nel piatto. Saranno quindi i big data, la genomica e l’automazione a guidare la nuova Rivoluzione verde. Solo così potremo mettere tutti a tavola e garantire un’alimentazione sostenibile che sia anche di qualità, senza lasciare nessuno indietro.

Come facciamo a localizzare la posizione degli altri nello spazio? A ridere quando tutti ridono? A sentirci coinvolti dalle emozioni di persone reali o di fantasia? Ci aiutano i neuroni specchio, le cellule del sistema nervoso che, individuate vent’anni fa a Parma, si attivano in ciascuno di noi sia quando compiamo un’azione sia quando osserviamo qualcun altro compiere la stessa azione. Molte scoperte sono avvenute o si sono perfezionate dalla prima edizione di questo libro. Oggi sappiamo che i neuroni specchio ci fanno sentire al nostro interno, come fossero i nostri, i movimenti dei maestri quando impariamo per osservazione a danzare o a suonare uno strumento. Presenti in diverse specie e conservati nell’evoluzione di molti animali sociali, i neuroni specchio rappresentano un meccanismo automatico utile alla sopravvivenza, poiché permettono di capire le azioni degli altri e le loro intenzioni. Ci aiutano per esempio a cogliere se un gesto è eseguito in maniera brusca o gentile. Un fronte ancora aperto nelle ricerche sui neuroni specchio è il ruolo che hanno nell’empatia, ovvero la capacità di sentire che cosa provano gli altri e di mettersi nei loro panni.

La meravigliosa complessità del mondo è conseguenza di leggi fisiche che poco a poco negli ultimi secoli siamo riusciti a svelare. Ma da dove vengono queste leggi? Chi le ha create? Con rigore scientifico, ma non senza umorismo, Peter Atkins rivisita qui i grandi princìpi di conservazione, la meccanica classica e quantistica, la termodinamica e l’elettromagnetismo, ne distilla l’essenza più profonda e propone un’idea sorprendente: le leggi della natura sono nate spontaneamente, senza alcun atto creativo. Atkins mostra infatti che per generare le leggi basta una combinazione di indolenza (non si altera la simmetria perfetta del nulla primigenio), di anarchia (ogni particella è libera di muoversi a proprio piacimento) e di ignoranza (non si conosce il comportamento individuale delle particelle, soltanto quello collettivo). Se così è, restano da spiegare soltanto i valori di alcune costanti fondamentali, come la carica dell’elettrone, e il prodigio forse più grande: perché la matematica inventata dall’Homo sapiens sia così efficace nel descrivere l’universo.

Siamo soli nell’universo? Hanno cominciato a chiederselo i filosofi greci, e ancora cerchiamo una risposta. Ma dalle parole si è passati ai fatti. Un quarto di secolo dopo la scoperta del primo pianeta extrasolare, adesso ne conosciamo migliaia, molti simili alla Terra. Sappiamo che ogni stella della nostra galassia ha almeno un pianeta e questo moltiplica le possibilità di trovarne altri abitabili, con altre forme di vita. Ma ancora non sappiamo come descrivere gli “alieni”. Per non farci trovare impreparati, continuiamo a esplorare il cielo con telescopi e sonde spaziali. E le sorprese sono continue. Inseguiamo l’acqua e la troviamo ovunque: un lago sotterraneo nel polo sud di Marte, ghiaccio sull’asteroide Cerere, oceani con sorgenti termali su Encelado, lo splendido satellite ghiacciato di Saturno. Ma iniziamo a trovare acqua anche nell’atmosfera di alcuni pianeti extrasolari. Non abbiamo ancora trovato una nuova Terra, ma siamo sulla buona strada. Ancora per un po’ di tempo però possiamo continuare a considerarci esseri speciali e a pensare che i marziani siamo noi.

Viaggeremo su auto e biciclette elettriche, alimentate con l’energia del Sole, che condivideremo con altre persone. Torniamo a casa la sera con la nostra auto elettrica. La batteria è carica, perché durante il giorno ha immagazzinato l’energia solare dall’impianto fotovoltaico installato sui tetti dell’ufficio. Con il vehicle to home alimentiamo le utenze di casa prelevando energia dalla batteria: televisore, frigorifero e computer funzionano così a energia solare. La mattina dopo andiamo al lavoro con la bicicletta del bike sharing. Con la app geolocalizziamo quella più vicina. La sblocchiamo con lo smartphone e arriviamo a destinazione con poca fatica grazie alla pedalata assistita. Ancora una volta ci muoviamo con l’energia del Sole, che ha alimentato la batteria della bicicletta. Nel prossimo futuro la nostra vita potrà cambiare in meglio, perché riusciremo a sfruttare in modo più efficiente l’energia rinnovabile. Tante nuove opportunità, con un minore impatto sull’ambiente.

Una colonia di formiche è un microcosmo organizzato, efficiente, autonomo, collaborativo. Un superorganismo dove i singoli individui, obbedendo ciascuno a semplici regole, fanno emergere complessi comportamenti collettivi. Così migliaia di specie di formiche hanno colonizzato tutti gli angoli della Terra. Costruiscono nidi complessi, coltivano, allevano, sanno combattere come un esercito addestrato ma senza capi. Le nostre società di Homo sapiens sono molto diverse da quelle delle formiche. Possiamo però studiare il successo evolutivo di questi insetti per inventare applicazioni pratiche utili alla nostra specie. Gli algoritmi che si ispirano alle regole di un formicaio sono utili in molti ambiti, dall’ottimizzazione di Internet alla gestione del traffico stradale. Le formiche sanno bene come trovare la via più breve ed evitare ingorghi. Le zattere che formano intrecciando i loro corpi quando il nido viene alluvionato potrebbero ispirare la progettazione di nuovi materiali e di robot autoassemblanti. Alcune specie di formiche potrebbero essere usate nella lotta biologica agli insetti nocivi. Nuove molecole che sono state isolate dal veleno delle formiche potrebbero risultare efficaci contro i ceppi di batteri patogeni super resistenti. Ci sono migliaia di modi diversi di essere formica: frammenti di natura che nascondono tesori preziosi di inimmaginabile bellezza.

Gli alimenti ottenuti da Organismi Geneticamente Modificati sono già sulle nostre tavole: i formaggi prodotti con il caglio sintetico derivato da organismi ricombinanti, il latte e la carne di bovini nutriti con soia transgenica, le uova deposte da galline alimentate con mais ogm. Ogni volta che un nuovo ogm è immesso nel mercato suscita clamore mediatico, ma in trent’anni di ricerche non sono emerse prove che questi prodotti siano nocivi per la salute umana e per l’ambiente. Finora gli ogm sono stati chiaramente riconoscibili, ma con l’avvento dell’editing genomico sarà impossibile distinguere una modifica ottenuta in laboratorio da una mutazione casuale. Tecniche come crispr-Cas9 possono modificare un singolo gene, senza importarlo da un altro organismo, così come un word processor può modificare una parola di un testo, senza fare «copia e incolla» da un altro documento. Queste innovazioni promettono di rivoluzionare l’agricoltura e quello che mangiamo, con piante che resistono alla siccità e possono fare a meno di fertilizzanti e pesticidi.

Come ci cureremo nei prossimi anni? Quali saranno le terapie del futuro? E quali problemi etici e legali si porteranno dietro? Le terapie di domani saranno progettate su ciascuno di noi, perché interverranno sul nostro DNA per correggerne gli errori che sono la causa delle malattie. Sfrutteranno le capacità innate del nostro organismo di rigenerarsi per sostituire le parti invecchiate o che non funzionano più. In un percorso a due voci, una ricercatrice e una giornalista scientifica ripercorrono la scoperta delle cellule staminali e l’invenzione della terapia genica, facendoci entrare nei laboratori dove sta nascendo la biomedicina. Una guida al futuro della medicina, che racconta lo stato dell’arte della ricerca e ridimensiona le notizie sensazionali che si leggono sui giornali e sul web. La medicina rigenerativa, l’immunoterapia, le terapie cellulari e l’editing del genoma, come ora accade con la tecnologia CRISPR: tanti progressi che miglioreranno la nostra vita e tanti difficili problemi morali che dovremo affrontare.

Titoloni incauti ci parlano del gene della timidezza, dell'intelligenza, della prosperità, ma perfino un carattere semplice come il colore degli occhi è influenzato da almeno una ventina di geni; e non basta individuare una variante del DNA per sapere che cosa sarà scritto su una cartella clinica fra un anno o fra dieci. Abbiamo sottovalutato i comprimari? Molecole che si attaccano e si staccano dal DNA; regolatori che accelerano o bloccano l'attività dei geni; zuccheri e grassi che "decorano" quasi ogni superficie biologica. Per non dire dei miliardi di microbi che albergano nel nostro corpo, e del mondo là fuori. Trascurando tutto questo, è facile farsi un'idea esagerata del potere dei geni e del destino di chi li porta. È impervia l'esplorazione della vita che sfugge al controllo dei geni: scarsi gli automatismi, ci si muove da artigiani goffi su impalcature disagevoli, da cui si intravedono però panorami che ampliano l'orizzonte biologico oltre la genetica.

Le biotecnologie sono tra noi e non se ne vanno. Con equilibrio fra il facile entusiasmo e il rifiuto a priori, conoscerle conviene. Sono attività umane che modificano un organismo biologico, il più delle volte nel suo DNA. Nascono così gli OGM che vanno ben oltre i cibi geneticamente modificati. Comprendono batteri "spugne" che assorbono il mercurio e altri metalli pesanti nell'ambiente; piante che producono farmaci; virus disarmati che introducono pezzi di DNA curativo in cellule malate. Gli ottimisti che nelle biotecnologie vedono la possibilità di migliorare la nostra vita scopriranno in questo libro che cosa è possibile fare e che cosa non lo è ancora. I pessimisti che vi sentono una minaccia per la natura e l'umanità troveranno il modo di confrontare le proprie opinioni e soprattutto di tranquillizzarsi - i mostri evocati non esistono.

Fra il mondo dei fisici, fatto di nuclei e di quark, e il mondo degli esseri viventi che affascina i biologi, si trova il mondo dei chimici. È qui, fra atomi, ioni, molecole, che la chimica dà forma all'infrastruttura del nostro mondo. La chimica spiega l'odore del caffè e il colore delle foglie in autunno. Appartengono al suo regno i materiali che usiamo e quelli con cui ci vestiamo; i cibi che cuociono e il carburante che brucia per riscaldare le nostre case; le reazioni che avvengono dentro le cellule, i farmaci e le tinte per colorare i capelli. Peter Atkins racconta come la chimica ha trasformato il nostro mondo: per esempio con le plastiche, i semiconduttori e i chip di silicio che hanno riempito di oggetti il nostro moderno modo di vivere. Il rovescio della medaglia? L'inquinamento e l'aumento dell'entropia. Ma è la chimica stessa a offrire soluzioni.