Il balletto quantistico della vita: come le stelle marine svelano la fisica universale nascosta nelle nostre cellule

Nel mondo della ricerca biologia e della fisica teorica, la scoperta pubblicata su Nature Physics dal team guidato da Nikta Fakhri e Jörn Dunkel del MIT (Massachusetts Institute of Technology) rappresenta una vera e propria pietra miliare. Nel loro studio, basato su misurazioni pionieristiche condotte e pubblicate nel 2020, i ricercatori hanno dimostrato come l’inizio della vita – il momento in cui un ovulo fecondato si prepara a dividersi – non sia un evento caotico, ma risponda a rigide leggi matematiche universali.

Le onde a spirale sulla membrana cellulare

Quando una cellula uovo viene fecondata, il segnale chimico non si trasmette in modo istantaneo né uniforme. Si generano invece onde di attivazione proteica che viaggiano lungo la membrana cellulare. Per osservare questo fenomeno con estrema precisione, i fisici del MIT hanno utilizzato le uova di stella marina: grazie alle loro dimensioni notevoli rispetto alla media cellulare, costituiscono il modello ideale da analizzare al microscopio confocale.

I ricercatori hanno stimolato la maturazione dell’uovo introducendo un ormone e tracciato la proteina Rho-GTP marcata con elementi fluorescenti. Questa proteina, normalmente inattiva nel citoplasma, quando viene attivata risale verso la membrana in miliardi di unità.

I risultati visivi hanno mostrato un comportamento sorprendente:

• Formazione di spirali: Le onde emersi non si propagano in linea retta, ma formano vortici e spirali simili ad uragani.

• Difetti topologici: L’origine di ciascuna spirale rappresenta un vero e proprio “centro d’onda” o difetto topologico.

• Collisioni e annichilazione: Quando due spirali che ruotano in direzioni opposte si scontrano frontalmente, non si sovrappongono caoticamente, ma si annullano a vicenda e scompaiono.

Dalla cellula alla fisica quantistica e all’atmosfera

Ciò che ha reso lo studio del 2020 una scoperta rivoluzionaria è l’analisi statistica condotta sul movimento e sulla dinamica di questi “difetti topologici”. I fisici hanno scoperto che la matematica che descrive le proteine sulla superficie di un uovo di stella marina è esattamente identica a quella che governa:

1. I vortici nei fluidi quantistici (come l’elio liquido a temperature vicine allo zero assoluto).

2. Le grandi circolazioni atmosferiche e oceaniche sul nostro pianeta.

3. Le onde elettriche che attraversano il muscolo cardiaco o il tessuto cerebrale durante la trasmissione dei segnali neuronali.

Questa invarianza di scala dimostra che la natura utilizza la stessa fisica della turbolenza topologica sia a livello macroscopico che su scala nanometrica.

Sfatiamo il mito: biocomputer biologici o semplice evoluzione fisica?

All’epoca della pubblicazione del lavoro (e negli anni a seguire), sui media divulgativi e non specializzati si è creato un forte mito speculativo: la notizia che le onde cellulari ricordino i calcoli quantistici ha portato molti articoli a titolare che “le cellule uovo sono biocomputer quantistici” o che “la vita calcola la propria forma tramite informatica quantistica”.

È fondamentale fare chiarezza e sfatare questo mito:

• Nessun effetto quantistico nella cellula: Il fenomeno osservato nelle uova di stella marina avviene a temperatura ambiente in un ambiente biologico “caldo e umido”. Non ci sono fenomeni di coerenza quantistica o entanglement all’interno della cellula.

• Universalità della classica fluidodinamica: La somiglianza non deriva dalla fisica quantistica in sé, ma dalla matematica dei sistemi complessi fuori dall’equilibrio. La “fluidodinamica quantistica” e la “biologia molecolare” condividono le stesse equazioni differenziali topologiche per la formazione dei modelli d’onda.

• Lo scopo biologico realistico: Le proteine Rho-GTP non stanno “calcolando come un computer”, ma stanno semplicemente risolvendo un problema geometrico: trovare il centro della cellula. Poiché l’ovulo è enorme, le onde a spirale creano un sistema di coordinate che dice alla cellula dove posizionare l’anello di divisione per scindersi esattamente a metà.

Considerazioni personali: la bellezza dell’efficienza della natura

Riflettendo sui risultati di Fakhri e Dunkel, emerge una prospettiva affascinante sul modo in cui la vita si è evoluta sul nostro pianeta. Spesso tendiamo a pensare alla biologia come a un insieme infinito di soluzioni uniche e ricche di dettagli complessi, create appositamente per ogni singola specie o funzione.

Tuttavia, scoperte come questa ci ricordano che la biologia è vincolata e guidata dalle leggi fondamentali della fisica. La natura non inventa da zero ogni meccanismo: quando deve risolvere il problema di coordinare miliardi di molecole attraverso una superficie estesa, sfrutta le soluzioni fisiche ed energetiche più efficienti già disponibili nel nostro universo.

La formazione di spirali e la turbolenza topologica rappresentano la via geometrica più naturale per distribuire informazioni senza l’ausilio di una centrale di controllo. In un certo senso, il primo momento della vita di un organismo non è un’intricata ricetta chimica unica, ma l’esecuzione di una sinfonia fisica universale, la stessa che fa girare un uragano nel cielo o un vortice d’aria su un altro pianeta. Comprendere questi schemi ci permetterà in futuro non solo di comprendere meglio i difetti dello sviluppo embrionale, ma anche di progettare materiali sintetici capaci di auto-organizzarsi da soli.

Traduzione dell’abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link al DOI originale.

Abstract

I difetti topologici determinano la struttura e la funzione della materia fisica e biologica su un’ampia gamma di scale: dai vortici turbolenti nelle atmosfere planetarie, negli oceani e nei fluidi quantistici, fino alla segnalazione bioelettrica nel cuore e nel cervello, oltre che alla morte cellulare. Sono stati compiuti notevoli progressi nella comprensione e nel controllo della dinamica dei difetti nei fluidi attivi e passivi fuori dall’equilibrio. Tuttavia, non è ancora noto se le leggi statistiche che governano la dinamica dei difetti nei fluidi classici o quantistici si estendano anche alla materia attiva e ai flussi di informazione nei sistemi viventi.

In questo lavoro mostriamo che una turbolenza mediata da difetti è alla base dei complessi modelli di propagazione delle onde della proteina di segnalazione Rho-GTP sulla membrana delle cellule uovo di stella marina, un processo fondamentale per il rimodellamento del citoscheletro e la proliferazione cellulare. I nostri esperimenti rivelano che il campo di velocità di fase estratto dalle onde di concentrazione di Rho-GTP presenta movimenti di difetti vorticosi e dinamiche di annichilazione che ricordano da vicino quelle osservate nei sistemi quantistici, nella turbolenza batterica e nei nematici attivi.

Diverse statistiche chiave e leggi di scala della dinamica dei difetti possono essere descritte da un modello minimale di vortice puntiforme di Helmholtz-Onsager, così come da una teoria generica del continuo basata sull’equazione complessa di Ginzburg-Landau. Ciò suggerisce una stretta corrispondenza tra la propagazione del segnale biochimico sulla superficie di una cellula vivente e una classe ampiamente studiata di turbolenza bidimensionale e di fenomeni d’onda.

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