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Motori di Creazione - L'Era Prossima della Nanotecnologia |
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di K. Eric Drexler |
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Parte Prima: I FONDAMENTI DELLA PREVISIONE |
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Capitolo 1: MOTORI DI COSTRUZIONE(1) |
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L'ingegnerizzazione delle proteine […] rappresenta (2) il primo importante passo verso una abilità più generale per l'ingegneria molecolare che ci permetterebbe di strutturare la materia atomo per atomo. |
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KEVIN ULMER |
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Direttore delle Ricerche Esplorative - Genex Corporation |
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Carbone e diamanti, sabbia e circuiti integrati, tessuti sani e cancerosi: nel corso di tutta la storia, le variazioni nelle disposizioni di atomi hanno fatto la differenza fra scadente e pregiato, fra malato e sano. Disposti in una certa maniera, gli atomi formano suolo, aria, acqua; disposti in un'altra maniera diventano fragole mature. Disposti in un modo sono case ed aria fresca; in un altro, diventano cenere e fumo. |
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La nostra abilità nel creare disposizioni di atomi è alle fondamenta della tecnologia. Siamo andati lontani nelle nostre capacità di disporre atomi, dallo scheggiare la selce per le punte di frecce al lavorare a macchina alluminio per navi spaziali. Siamo fieri della nostra tecnologia, dei nostri farmaci salva-vita e dei nostri computer da tavolo. Tuttavia le nostre navette spaziali sono ancora rozze, i nostri computer ancora stupidi, e le molecole dei nostri tessuti degenerano ancora nel disordine, danneggiando prima la nostra salute e poi la vita stessa. Per tutti i nostri progressi nella disposizione di atomi utilizziamo ancora metodi primitivi. Con la nostra tecnologia attuale siamo tuttora costretti a maneggiare gli atomi in gruppi indisciplinati. |
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Ma le leggi della natura lasciano immenso spazio per il progresso, e le pressioni della competizione mondiale continuano a spingerci in avanti. Nel bene o nel male, il più grande "passo avanti" tecnologico della storia deve ancora arrivare. |
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Due Stili di Tecnologia |
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La nostra tecnologia moderna è fondata su una tradizione antica. Trentamila anni fa, scheggiare la selce era l'alta tecnologia dell'epoca. I nostri antenati, per costruire le loro teste d'ascia, afferravano pietre contenenti milioni di miliardi di miliardi di atomi e ne rimuovevano schegge contenenti migliaia di miliardi di miliardi di atomi; sapevano svolgere un lavoro raffinato con abilità che oggi sono difficili da imitare. Essi disegnarono anche degli schizzi, spruzzando tinture sulle pareti di caverne della Francia ed usando le loro mani come stampini. In seguito fabbricarono vasi cuocendo argilla e poi bronzo cuocendo le rocce. Modellarono il bronzo martellandolo. Produssero ferro e poi acciaio, e scaldandolo, battendolo e rimuovendone le schegge, modellarono anch'esso. |
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Oggi possiamo cuocere ceramiche purissime e acciai più forti, ma ancora li modelliamo martellandoli, scheggiandoli, ecc…. Cuociamo del silicio puro, lo tagliamo in fette e tracciamo degli schemi sulla sua superficie utilizzando minuscoli stampi e spruzzi di luce. Chiamiamo questi prodotti "chips" e li consideriamo squisitamente piccoli, almeno al confronto delle teste d'ascia. |
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La nostra tecnologia microelettronica ha manipolato la materia fino a comprimere, su pochi chip di silicio e all'interno di computer di dimensioni tascabili, macchine altrettanto potenti di quei computer dei primi anni cinquanta che occupavano una intera stanza. Gli ingegneri stanno oramai realizzando dispositivi persino più piccoli, fissando gruppi di atomi ad una superficie cristallina per formare cablaggi e componenti di spessore dieci volte più sottili di quelli di un fine capello. |
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Questi microcircuiti potranno anche essere piccoli a confronto con la selce scheggiata, ma ogni transistor consiste ancora di migliaia di miliardi di atomi ed i cosiddetti "microcomputer" sono ancora visibili ad occhio nudo. Giudicati secondo gli standard di una tecnologia più moderna e potente, ci sembreranno giganteschi. |
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L'antico stile della tecnologia che ci ha condotto dalla selce scheggiata ai chip di silicio manipola atomi e molecole in massa; chiamiamola tecnologia di mole. La nuova tecnologia manipolerà atomi e molecole individualmente, con controllo e precisione posizionali; chiamiamola tecnologia molecolare. Essa cambierà il nostro intero mondo in più modi di quanti ne possiamo immaginare. |
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I microcircuiti sono formati da parti costituenti che sono misurabili in micrometri ossia in milionesimi di metro; ma le molecole si misurano in nanometri (mille volte più piccole). Per descrivere il nuovo stile di tecnologia possiamo usare i termini nanotecnologia e tecnologia molecolare in modo intercambiabile. Gli ingegneri della nuova tecnologia costruiranno nanocircuiti, ma anche nanomacchine. |
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La Tecnologia Molecolare Oggi |
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Una definizione da dizionario (3) per "macchina" è la seguente: "qualsiasi sistema, di solito composto da corpi rigidi, le cui parti siano conformate e connesse per alterare, trasmettere ed applicare direttamente delle forze in modo predeterminato per svolgere uno specifico compito, come l'esecuzione di un lavoro utile". Le macchine molecolari si adattano a questa definizione perfettamente. |
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Per immaginare queste macchine anzitutto si devono immaginare le molecole. Possiamo raffigurare gli atomi come delle palline e le molecole come dei gruppetti di tali palline; ossia possiamo immaginare una molecola come un gruppo di palline in ognuna delle quali un bambino abbia infilato dei gancetti metallici per poterle agganciare assieme. Di fatto, talvolta, i chimici visualizzano le molecole costruendone modelli con palline di plastica (alcune delle quali sono legate ad altre, in diverse direzioni, come fossero perni di un insieme di pezzi del "Mecano"). Gli atomi sono sferici come lo sono le palline e nonostante i legami molecolari non siano gancetti, la nostra immagine cattura quantomeno il concetto essenziale che i legami possono rompersi e riformarsi. |
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Se un atomo fosse della dimensione di una piccola biglia, una molecola piuttosto complessa dovrebbe avere la dimensione del vostro pugno. E ciò ci dà una utile immagine mentale, ma gli atomi sono in realtà circa diecimila volte più piccoli di un batterio e i batteri a loro volta sono circa diecimila volte più piccoli di una zanzara. (Un nucleo atomico, comunque, è circa centomila volte più piccolo della dimensione dell'atomo stesso; la differenza fra un atomo e il suo nucleo è come il divario che esiste fra un fuoco e una reazione nucleare.) |
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Le cose attorno a noi si comportano nel modo in cui lo fanno, a causa del modo in cui si comportano le molecole che le costituiscono. L'aria non possiede una sua forma così come non possiede un suo volume, poiché che le sue molecole si muovono liberamente colpendosi e rimbalzando in tutto lo spazio aperto. Le molecole d'acqua aderiscono fra loro mentre si muovono, sicché l'acqua mantiene un volume costante mentre cambia forma. Il rame mantiene la sua forma perché i suoi atomi sono connessi assieme secondo degli schemi regolari; possiamo piegare e martellare il rame perché i suoi atomi possono scivolare l'uno sull'altro ma rimangono comunque legati assieme. Il vetro va in frantumi quando lo martelliamo perché i suoi atomi si separano prima di scivolare l'uno sull'altro. La gomma è costituita da molecole organizzate in reticoli attorcigliati simili ad un groviglio di molle. Quando tendiamo e rilasciamo la gomma, i suoi reticoli di molecole si stendono, per poi tornare a disporsi a spirale. Questi schemi molecolari semplici caratterizzano le sostanze passive. Schemi più complessi caratterizzano le nanomacchine "attive" delle cellule viventi. |
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I biochimici lavorano già con queste macchine, che sono principalmente composte da proteine ossia dal principale materiale di ingegneria delle cellule viventi. Le macchine molecolari sono composte da relativamente pochi atomi e quindi le loro superfici si presentano grumose, come fossero le superfici di oggetti ottenuti incollando assieme una manciata di piccole biglie. Inoltre, molte paia di atomi sono accoppiate da legami che possono piegarsi o ruotare, sicché le macchine proteiche sono insolitamente flessibili. Ma come tutte le macchine, esse contengono parti di forme e dimensioni differenti, parti che svolgono un lavoro utile. Di fatto, tutte le macchine utilizzano dei raggruppamenti di atomi come loro parti costituenti. Le macchine proteiche differiscono semplicemente per il fatto che usano raggruppamenti molto piccoli. |
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I biochimici sognano di progettare e costruire tali dispositivi, ma ci sono delle difficoltà da superare. Gli ingegneri usano dei raggi di luce per tracciare schemi sopra schegge di silicio, ma i chimici devono accontentarsi di costruire in modo molto più indiretto. Quando combinano molecole in varie sequenze, essi possono mantenere soltanto un controllo limitato sul modo in cui le molecole si legano fra loro. Quando i biochimici necessitano di macchine molecolari più complesse devono tuttora prenderle in prestito dalle cellule viventi. Ma se i biochimici potessero realizzare macchine molecolari avanzate, le potrebbero infine utilizzare per costruire nanocircuiti e nanomacchine con la stessa facilità e in modo altrettanto diretto di quanto possano attualmente fare gli ingegneri nella costruzione di microcircuiti o lavatrici. A quel punto, il progresso sarà repentino e drammatico. |
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Gli ingegneri genetici hanno già indicato la strada da percorrere. Di solito, quando i chimici costruiscono delle catene molecolari - ossia i "polimeri" (4) - depositano, senza alcun particolare ordine, delle molecole in una vaschetta piena di liquido, all'interno del quale esse possono rimbalzare e agganciarsi a caso. Le catene che ne risultano hanno lunghezze variabili, e le molecole che le compongono sono come annodate assieme, in nessun ordine particolare. |
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Ma nelle moderne macchine di sintesi dei geni, gli ingegneri genetici costruiscono dei polimeri più ordinati, ossia delle specifiche catene molecolari di DNA, unendo le loro molecole componenti in un particolare ordine. Tali molecole sono i nucleotidi del DNA (le lettere dell'alfabeto genetico) e gli ingegneri genetici non li depositano tutti assieme in un unico mucchio indistinto. Piuttosto, dirigono la macchina affinché aggiunga nucleotidi distinti in una particolare sequenza, in modo da formare un particolare messaggio. Prima legano un tipo di nucleotide al termine della catena, poi sciacquano via il materiale residuo, ed infine aggiungono dei composti chimici per preparare l'estremo della catena a legarsi al successivo nucleotide. Sviluppano le catene mano a mano che vi legano i nucleotidi, uno alla volta ed in una sequenza programmata. Agganciano il primissimo nucleotide di ogni catena ad una superficie solida in modo da preservare la catena stessa durante i risciacqui con i bagni chimici. In questa maniera ottengono, in vitro, una macchina grande e rozza, un assemblato di specifiche strutture molecolari con parti costituenti di dimensioni cento milioni di volte più piccole della macchina stessa. |
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Ma questo assemblaggio cieco, accidentalmente omette qualche nucleotide da qualche catena. La probabilità di errori cresce al crescere della lunghezza delle catene. Come operai che scartano le parti difettose prima di assemblare un'automobile, gli ingegneri genetici riducono gli errori scartando le catene sbagliate. Successivamente, al fine di congiungere queste brevi catene in geni funzionanti (lunghi tipicamente migliaia di nucleotidi), passano le catene stesse alle macchine molecolari che troviamo nei batteri. |
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Queste macchine proteiche, chiamate enzimi di restrizione, "leggono" certe sequenze di DNA interpretandole come "taglia qui". Tali enzimi possono leggere al tocco gli schemi genetici del DNA, e lo fanno aderendo a tali schemi e tagliando la catena grazie alla modifica della disposizione di pochi suoi atomi. Altri enzimi accoppiano dei pezzi, essendo infatti capaci di interpretare come "incolla qui" le parti che ben si adattano a congiungersi assieme, e svolgono questo compito "leggendo" le catene per mezzo di una analoga adesione selettiva ad esse, per poi congiungere le catene a cui hanno aderito grazie alla modifica della disposizione di pochi atomi. Utilizzando macchine genetiche per "scrivere" ed enzimi di restrizione per eseguire operazioni di "taglia ed incolla", gli ingegneri genetici possono scrivere ed editare, in un DNA, qualsiasi messaggio desiderato. |
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Ma di per se il DNA è una molecola piuttosto insignificante. Non è né forte come il Kevlar, né colorata come una tintura, né attiva come un enzima, pur possedendo certe proprietà per il cui utilizzo l'industria è pronta a spendere milioni di dollari: ossia "la capacità di dirigere alcune particolari macchine molecolari denominate ribosomi". Nelle cellule, le macchine molecolari anzitutto trascrivono il DNA copiando le sue informazioni per produrne una sorta di registrazione scritta su un "nastro" di RNA. Quindi, in maniera molto simile al funzionamento delle vecchie macchine utensili di lavorazione dei metalli che venivano controllate numericamente dalla informazione immagazzinata in un nastro, i ribosomi costruiscono proteine basandosi sulle istruzioni immagazzinate nei filamenti di RNA. E le proteine sono direttamente utilizzabili. |
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Le proteine, come pure il DNA, assomigliano a nodosi cordoni di perline. Ma a differenza del DNA, le molecole proteiche si ripiegano nello spazio per dar forma a piccoli oggetti in grado di svolgere funzioni specifiche. Alcune proteine sono enzimi, macchine che costruiscono e spezzettano molecole (e copiano il DNA, lo trascrivono, e costruiscono altri tipi di proteine del ciclo vitale). Altre proteine sono ormoni, che si legano ad ulteriori proteine per inviare alle cellule dei segnali in grado di modificare il comportamento delle cellule stesse. Gli ingegneri genetici possono economicamente fabbricare questi oggetti, in quanto possono dirigere l'economico ed efficiente macchinario molecolare di organismi viventi affinché svolga il lavoro di fabbricazione all'interno degli stessi organismi. Mentre gli ingegneri che fanno funzionare un impianto chimico devono lavorare con vasche di reagenti chimici (che spesso dispongono gli atomi in modo sbagliato e generano anche sottoprodotti nocivi), gli ingegneri che lavorano con i batteri possono far assorbire loro dei composti chimici, ed ottenere una accurata re-disposizione degli atomi dei composti, oltre a poter scegliere se immagazzinare il prodotto o farlo rilasciare nel fluido che circonda i batteri. |
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Gli ingegneri genetici hanno oramai programmato batteri per costruire proteine che vanno dagli ormoni della crescita umana alla rennina (un enzima usato nella produzione di formaggio). La compagnia farmaceutica Eli Lilly di Indianapolis sta già commercializzando la Humulin, una insulina umana ottenuta tramite batteri. |
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Macchine Proteiche Esistenti
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Queste proteine-ormoni e proteine-enzimi aderiscono selettivamente ad altre molecole. Un enzima cambia la struttura della sua molecola-bersaglio e successivamente si allontana da essa; un ormone influisce sul comportamento del suo bersaglio solo per il periodo di tempo durante il quale vi aderisce. Enzimi ed ormoni possono descriversi in termini meccanici, ma è più frequente che il loro comportamento sia descritto in termini chimici. |
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Tuttavia esistono altre proteine che assolvono delle pure funzionalità meccaniche di base(5). Alcune spingono e tirano, altre agiscono come corde o sostegni e certe parti di alcune molecole costituiscono eccellenti cuscinetti meccanici. Il macchinario molecolare dei muscoli, per esempio, è composto da schiere ordinate di proteine che si allungano, afferrano una corda (anche questa fatta di proteine), la tirano, poi lasciano la presa, ed infine tornano ad allungarsi per una nuova presa; ogni volta che vi muovete usate queste macchine. Le amebe e le cellule umane si muovono e cambiano forma utilizzando fibre e bastoncini che agiscono come muscoli ed ossa molecolari. I batteri sono sospinti attraverso l'acqua da un motore reversibile a velocità variabile, che agisce per mezzo della rotazione di una elica propulsiva dalla forma a spirale. Se un hobbista volesse costruire minuscole automobili attorno a tali motori, ne potrebbe far stare miliardi di miliardi in una tasca e per automobili siffatte si potrebbero costruire, all'interno dei vostri più fini capillari, autostrade da 150 corsie. |
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Dispositivi molecolari elementari si combinano assieme per formare sistemi che assomigliano a macchine industriali. Negli anni '50 gli ingegneri svilupparono macchine utensili che tagliavano il metallo sotto il controllo di un nastro di carta perforata. Un secolo e mezzo prima, Joseph-Marie Jacquard aveva costruito un telaio che intesseva complessi schemi sotto il controllo di una successione di schede perforate. Più di oltre tre miliardi di anni prima di Jacquard, le cellule avevano sviluppato il macchinario dei ribosomi. I ribosomi sono la prova che nanomacchine fatte di proteine ed RNA possono essere programmate per costruire molecole complesse. |
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Consideriamo allora i virus. Uno di essi, il "batteriofago T4", agisce come una siringa caricata a molla ed assomiglia a un oggetto spuntato fuori da un catalogo di componenti industriali. Questo virus può aderire ad un batterio, incidervi un foro ed iniettare dentro il batterio del DNA virale (si, anche i batteri soffrono di infezioni). Come un conquistatore che prenda possesso di uno stabilimento industriale per costruire più carri armati, il DNA iniettato ordina al macchinario cellulare del batterio di costruire altro DNA virale ed altre siringhe. Come tutti gli organismi, questi virus esistono perché sono piuttosto stabili nonché capaci di far si che vengano realizzate copie di se stessi. |
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Che siano o meno dentro una cellula, le nanomacchine obbediscono alle leggi universali della natura. Comuni legami chimici tengono assieme i loro atomi costituenti e comuni reazioni chimiche (pilotate da altre macchine) assemblano questi atomi. Le molecole proteiche possono combinarsi per dar forma a macchine composite persino in assenza di un particolare aiuto, guidate solo dall'agitazione termica e dalle interazioni chimiche. Mescolando in una provetta delle proteine virali (e il DNA per il quale esse lavorano), i biologi molecolari hanno assemblato virus T4 funzionanti. Questa capacità è sorprendente: immaginate di immettere le parti di una automobile in una grossa scatola, scuotere quest'ultima e, quando ci guardate di nuovo dentro, trovarci un'automobile assemblata! Eppure il virus T4 è solo una delle molte strutture esistenti capaci di auto-assemblaggio (6). Nei macchinari dei ribosomi i biologi molecolari hanno individuato ed isolato oltre cinquanta molecole differenti, fra proteine ed RNA, e dopo averle messe tutte assieme in delle provette ne hanno ottenuto ancora una volta dei ribosomi funzionanti. |
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Per capire come tutto ciò possa accadere, immaginate differenti catene proteiche del T4, sospese in acqua e libere di fluttuare. Ogni tipo di catena si ripiega nello spazio, a formare un piccolo agglomerato dotato di distintive cavità e protuberanze e ricoperto da schemi distintivi di oleosità ed umidità nonché di altrettanto distintivi schemi di distribuzione di carica elettrica. Immaginate queste catene vagare e roteare su se stesse, incalzate dalla spinta della vibrazione termica applicata dalle molecole d'acqua circostanti. Di tanto in tanto due catene si scontrano fra loro, rimbalzando via l'una dall'altra. Talvolta, piuttosto, due di esse si scontrano e si scoprono adatte l'una all'altra, poiché le protuberanze dell'una si adattano alle cavità dell'altra; poiché le due catene subiscono nel contempo una pressione di spinta l'una contro l'altra, le corrispondenze permettono loro di aderire stabilmente. In questo modo delle proteine si aggiungono ad altre proteine per formare sezioni del virus e le sezioni si assemblano assieme fino a formare l'intero virus. |
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Gli ingegneri delle proteine non necessitano di nano-braccia o nano-mani per assemblare complesse nanomacchine. Tuttavia, l'esistenza di minuscoli manipolatori sarà di indubbia utilità e quindi c'è da attendersi che questi verranno costruiti. Proprio come, a partire da ordinari motori, ordinari cuscinetti ed ordinarie parti mobili, gli odierni ingegneri costruiscono macchine complesse quali suonatori meccanici di pianoforte o bracci robotici, così i biochimici di domani saranno in grado di utilizzare le molecole proteiche come motori, cuscinetti e parti mobili, per costruire bracci robotici in grado di manipolare molecole individuali. |
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Progettare con le Proteine(7) |
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Quanto lontano può essere spinta questa abilità? Sono stati intrapresi alcuni passi, ma molto è il lavoro che resta da fare. I biochimici hanno già steso mappe dettagliate delle strutture di molte proteine. Disponendo dell'aiuto fornito loro da macchine genetiche in grado di scrivere dei nastri di DNA essi potranno, ordinare alle cellule di costruire qualsiasi proteina riescano a progettare(8). Ma tuttora manca loro la conoscenza di come progettare catene che si ripieghino nello spazio per dar luogo a proteine con la giusta forma e funzione. Le forze che piegano le proteine sono deboli e nel contempo il numero di plausibili modi in cui una proteina potrebbe ripiegarsi è astronomico, cosicché non è facile progettare da zero una grossa proteina. |
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Le forze che connettono assieme le proteine fino a formare macchine complesse sono le stesse che determinano anzitutto lo specifico ripiegamento spaziale delle catene proteiche. Le differenti forme e tipi di connessione di aminoacidi (le nodose perline molecolari che formano le catene proteiche) fanno in modo che ogni catena proteica si ripieghi spazialmente in una maniera specifica, per dar luogo ad un oggetto con una particolare forma. I biochimici hanno imparato qualche regola che suggerisce come una catena di aminoacidi potrebbe piegarsi ma le regole non sono molto rigorose. Provare a prevedere come una catena si ripiegherà è come provare a lavorare con le tessere di un "puzzle", ma un puzzle senza alcun disegno stampato sopra i suoi pezzi che possa indicarci se l'accostamento di due tessere risulti corretto, e con pezzi che sembrano accostarsi fra loro altrettanto bene (o altrettanto male) in molte differenti maniere, tutte sbagliate eccetto una. Le false partenze possono far sprecare tempi equivalenti a quelli di molte vite, ed una risposta corretta potrebbe anche non essere riconosciuta. I biochimici, pur utilizzando i migliori programmi per computer attualmente disponibili, ancora non riescono a prevedere in che modo si ripiegherà una lunga catena proteica naturale ed alcuni di loro disperano di riuscire a progettare molecole proteiche entro tempi brevi. |
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Tuttavia la maggior parte dei biochimici lavora come farebbe uno scienziato e non come farebbe un ingegnere. Lavorano cercando di prevedere come si ripiegheranno le proteine naturali e non tentando di progettare proteine che si ripieghino in maniera prevedibile. Questi obiettivi potrebbero sembrare simili(9), ma differiscono enormemente: il primo è una sfida scientifica, il secondo una sfida di ingegneria. Perché mai le proteine naturali dovrebbero piegarsi in modi che gli scienziati trovino facili da prevedere? Tutto quello che la natura richiede, infatti, è che esse si pieghino correttamente e non che si pieghino in modi che siano ovvi per la gente. |
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Le proteine potrebbero venir progettate a priori con lo scopo di rendere più prevedibile il loro ripiegamento. Carl Pabo, scrivendo sulla rivista Nature(10), ha suggerito una strategia di progetto basata su questa intuizione ed alcuni ingegneri biochimici hanno progettato e costruito brevi catene composte da poche dozzine di pezzi(11) che si ripiegano e si assestano sulle superfici di altre molecole nel modo pianificato. Hanno progettato da zero una proteina con proprietà come quelle della melittina(12), una tossina presente nel veleno d'ape. Hanno modificato enzimi esistenti, alterando il loro comportamento in modi prevedibili(13). La nostra comprensione delle proteine cresce giornalmente. |
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Nel 1959, concordando col biologo Garrett Hardin(14), alcuni genetisti dichiararono l'impossibilità dell'ingegneria genetica; oggi invece l'ingegneria genetica è un'industria. La biochimica e i sistemi CAD (sistemi di progettazione con l'ausilio del computer) stanno esplosivamente generando nuovi campi e come Frederick Blattner ha scritto nella rivista Science(15), "i programmi di computer per gli scacchi hanno già raggiunto un livello poco al di sotto di quello di gran maestro. Forse la soluzione al problema del ripiegamento delle proteine è più vicina di quanto pensiamo". William Rastetter dalla Genentech, scrivendo sulla Applied Biochemistry and Biotechnology(16) si domanda: "Quanto è distante la progettazione e la sintesi 'ex-novo' di enzimi? Dieci, quindici anni?". La risposta che propone è: "Forse, non così tanto". |
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Forrest Carter nello U.S. Naval Research Laboratory, Ari Aviram e Philip Seiden in IBM, Kevin Ulmer alla Genex Corporation, ed altri ricercatori in università e laboratori industriali di tutto il globo, hanno già iniziato a sviluppare lavori teorici ed eseguire esperimenti mirati allo sviluppo di interruttori molecolari, di dispositivi di memoria e di altre strutture che potrebbero essere incorporate in un computer basato su proteine. Lo U.S. Naval Research Laboratory ha tenuto due seminari internazionali sui dispositivi elettronici molecolari(17), mentre un incontro sponsorizzato dalla U.S. National Science Foundation ha raccomandato il supporto alle ricerche di base mirate a sviluppare computer molecolari(18). Secondo quanto riferito in questo incontro, il Giappone avrebbe avviato un programma del costo di molti milioni di dollari che punta allo sviluppo di motori e computer molecolari auto-assemblanti e la VLSI Research Inc.(19), a San Jose, scrive in una relazione: "Sembra che la corsa ai 'bio-chips' [un altro termine per indicare sistemi elettronici molecolari] sia già iniziata. NEC, Hitachi, Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denki e Sharp hanno avviato sforzi di ricerca a tutto campo su bio-chips per 'bio-computers'". |
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I biochimici hanno altre ragioni per voler imparare l'arte della progettazione di proteine. Enzimi di nuova progettazione promettono di eseguire processi chimici inquinanti in modi più economici e puliti, e proteine di nuova progettazione offrirebbero ai biotecnologi uno spettro interamente inedito di strumenti. Ci siamo già incamminati lungo la strada che conduce verso l'ingegneria proteica, e come Kevin Ulmer afferma nella citazione tratta da Science e riportata in testa al presente capitolo, questa strada conduce "verso una abilità più generale per l'ingegneria molecolare che ci permetterebbe di strutturare la materia atomo per atomo". |
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Nanotecnologia di Seconda Generazione |
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A dispetto della loro versatilità le proteine lasciano a desiderare come materiale da ingegneria. Le macchine proteiche smettono di funzionare se non idratate, congelano se raffreddate, cuociono se riscaldate. Non penseremmo mai di fabbricare macchine fatte di carne, capelli e gelatina; lungo i secoli abbiamo imparato ad usare le nostre mani di ossa e carne per costruire macchine di legno, ceramica, acciaio e plastica. Faremo ancora qualcosa di simile in futuro. Useremo macchine proteiche per costruire nanomacchine fatte di roba più resistente delle proteine. |
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Mano a mano che la nanotecnologia andrà oltre l'esigenza di dover semplicemente fare affidamento sulle proteine, essa si svilupperà secondo percorsi che, considerati da un punto di vista ingegneristico tradizionale, sembrano più ordinari. Le molecole saranno assemblate come fossero componenti del gioco del Mecano e a tali assemblaggi verranno mano a mano vincolate altre, ben legate, parti assemblate. Proprio come gli strumenti ordinari possono costruire macchine ordinarie a partire dalle loro parti costituenti, così gli strumenti molecolari legheranno assieme molecole per realizzare minuscoli ingranaggi, motori, leve e rivestimenti, ed in seguito assembleranno insieme queste parti per comporre delle macchine più complesse. |
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Le parti contenenti solo pochi atomi avranno un aspetto piuttosto accidentato, ma gli ingegneri potranno lavorare anche con questi componenti dall'aspetto accidentato, se potranno supportarli con degli adeguati e levigati cuscinetti. È facile per alcuni legami fra due atomi funzionare da fini cuscinetti, in modo che un componente possa essere montato per mezzo di un singolo legame chimico(20) che lasci il componente capace di ruotare liberamente ed in maniera uniforme. Poiché un cuscinetto può essere realizzato utilizzando solo due atomi (e poiché le parti mobili necessitano solo di pochi atomi), le nanomacchine potranno di fatto essere costituite da componenti meccanici di dimensioni molecolari. |
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Come si potrebbe riuscire a costruire queste macchine migliori? Nel corso degli anni, gli ingegneri hanno sfruttato la tecnologia per migliorare la tecnologia stessa. Hanno impiegato strumenti di metallo per modellare i metalli in strumenti migliori ed hanno utilizzato dei computer per progettare e programmare computer migliori. Allo stesso modo useranno nanomacchine costituite da proteine per costruire nanomacchine migliori. Gli enzimi ci indicano quale sia la giusta strada da intraprendere: assemblano grosse molecole "afferrandone" di più piccole dall'acqua attorno a loro e mantenendole vicine fra loro fino a formare un legame. Gli enzimi assemblano in questa maniera DNA, RNA, proteine, grassi, ormoni e clorofilla, ossia potenzialmente l'intero spettro delle molecole che è possibile trovare nelle cose viventi. |
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Per cui, gli ingegneri biochimici costruiranno dei nuovi enzimi utilizzabili per assemblare nuove configurazioni di atomi. Per esempio, potrebbero fabbricare una macchina simile ad un enzima che aggiunga atomi di carbonio ad un piccolo puntino iniziale, livello su livello. Se correttamente legati, gli atomi formeranno una fibra di diamante(21) purissima e flessibile, oltre cinquanta volte più robusta di un blocco di alluminio dello stesso peso. Le compagnie aereospaziali farebbero la fila per comprare tonnellate di queste fibre, allo scopo di ricavarne avanzati materiali composti (e ciò mostra parzialmente quale sia uno dei tanti motivi per cui la competizione militare favorirà il progresso della tecnologia molecolare, come già in passato ha spinto in avanti tanti altri campi). |
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Ma il grande progresso arriverà quando le macchine proteiche saranno capaci di realizzare strutture ben più complesse che non le semplici fibre. Queste macchine proteiche programmabili saranno gli analoghi dei ribosomi programmati dall'RNA, o gli analoghi della più antica fra le generazioni di macchine utensili automatiche programmate da nastri perforati. Le macchine proteiche programmabili schiuderanno un nuovo mondo di possibilità, consentendo agli ingegneri di fuggire dalle limitazioni imposte dalle proteine e di costruire con progettazione diretta macchine robuste e compatte. |
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Le proteine ingegnerizzate potranno frantumare e ricomporre le molecole nello stesso modo in cui attualmente possono farlo gli enzimi. Le proteine esistenti si legano ad una gran varietà di molecole più piccole utilizzandole come utensili chimici; le nuove proteine ingegnerizzate utilizzeranno tutti questi utensili e molti altri. |
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Inoltre, i chimici organici hanno dimostrato che le reazioni chimiche possono produrre notevoli risultati anche senza nanomacchine che dirigano le molecole. I chimici non hanno controllo diretto sui movimenti tumultuosi delle molecole in un liquido, per cui le molecole sono libere di reagire in qualsiasi modo possano farlo a seconda di come vanno a scontrarsi l'una contro l'altra. Tuttavia i chimici non possono indurre delle molecole reattive(22) a formare strutture regolari come, ad esempio, molecole cubiche o dodecaedriche, o strutture dall'aspetto improbabile come anelli molecolari con legami altamente stirati. Le macchine molecolari, in quanto produttori di legami, saranno capaci di una versatilità ancora più grande perché potranno usare movimenti molecolari analoghi a quelli naturali e al tempo stesso potranno anche guidare questi movimenti in modi impossibili per i chimici. |
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Infatti, poiché i chimici non possono ancora dirigere i movimenti molecolari, raramente possono assemblare delle molecole complesse in accordo ad intenti specificati. Le più grandi molecole con configurazioni complesse ed esattamente specificate che i chimici siano in grado di produrre sono tutte delle catene lineari. I chimici costruiscono queste configurazioni (come nelle macchine genetiche) aggiungendo in sequenza le molecole costituenti una per volta ed accrescendo gradualmente la catena. Esistendo un solo possibile sito di legame, imposto dalla catena stessa, i chimici possono essere certi di aggiungere il pezzo successivo nella posizione giusta. |
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Tuttavia, nel caso di una molecola più o meno rotondeggiante, ma irregolare, e che abbia, diciamo, un centinaio di atomi di idrogeno sulla sua superficie, come potrebbero i chimici staccare via un atomo, proprio uno in particolare (ad esempio quello cinque atomi più su e tre di lato rispetto alla protuberanza frontale) per aggiungere qualcos'altro al suo posto? Provare a mescolare semplici reagenti chimici assieme di rado riuscirà a compiere il lavoro desiderato, perché le piccole molecole raramente possono selezionare specifiche posizioni in cui andare a reagire con una grossa molecola. Ma le macchine proteiche saranno molto più pignole. |
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Una macchina proteica flessibile e programmabile afferrerà una grossa molecola (il pezzo di lavoro) e vi accosterà una piccola molecola esattamente nella posizione giusta. Proprio come fa un enzima, legherà le molecole assieme. Legando una molecola dopo l'altra al pezzo di lavoro, la macchina assemblerà una struttura via via più grande, mantenendo nel contempo il completo controllo del modo in cui gli atomi sono disposti. Questa è la abilità chiave che manca ai chimici. |
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Proprio come già fanno i ribosomi, nanomacchine dotate di tali capacità possono lavorare sotto la direzione di nastri molecolari di istruzioni. Ma a differenza dei ribosomi esse maneggeranno una grande varietà di piccole molecole (non solo aminoacidi) e le collegheranno al pezzo di lavoro in qualunque posizione desiderata e non esclusivamente alla fine della catena. Le macchine proteiche saranno simultaneamente dotate delle tipiche capacità degli enzimi di separare e congiungere, e della programmabilità tipica dei ribosomi. Ma mentre i ribosomi possono costruire solo le labili disposizioni spaziali di una proteina, queste macchine proteiche potranno costruire oggetti piccoli e solidi fatti di metallo, ceramica o diamante: oggetti invisibilmente piccoli eppure tenaci. |
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Dove c'è possibilità che le nostre dita di carne si ustionino o si feriscano, noi le sostituiamo con tenaglie d'acciaio. Dove c'è la possibilità che le macchine proteiche si stritolino o si disintegrino, le sostituiremo con nanomacchine composte da materiale più resistente. |
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Assemblatori Universali |
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Queste nanomacchine di seconda generazione, costituite da ben più che semplici proteine, sapranno fare tutto quello che le proteine possono fare ma anche molto di più (23). In particolare, alcune serviranno come dispositivi più sofisticati per l'assemblaggio di strutture molecolari. In grado di tollerare, a seconda della loro specifica progettazione, ambienti acidi, vuoto, congelamento o cottura, gli analoghi degli enzimi rappresentati dalle macchine di seconda generazione saranno in grado di utilizzare come "strumenti" quasi qualsiasi molecola reattiva usata dai chimici, ma sapranno maneggiarla con la precisione di macchine programmate. Potenzialmente sapranno legare assieme gli atomi in qualsiasi schema stabile, aggiungendo pochi atomi per volta alla superficie di un pezzo in costruzione, fino a completare una complessa struttura. Si pensi a queste nanomacchine come assemblatori(24). |
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Poiché gli assemblatori ci consentiranno di posizionare atomi in qualsiasi disposizione ragionevole (25) (come discusso nelle note), essi ci metteranno in grado di costruire quasi qualunque cosa la cui esistenza sia permessa dalle leggi della natura. In particolare, ci permetteranno di costruire qualunque cosa saremo in grado di progettare, inclusi altri assemblatori. Le conseguenze di ciò saranno profonde visto che i nostri rozzi strumenti ci hanno permesso fino ad ora di esplorare solo una piccola parte dell'insieme di possibilità consentito dalle leggi naturali. Gli assemblatori schiuderanno un intero mondo di nuove tecnologie. |
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I progressi nella tecnologia spaziale, in quella medica, nel calcolo e nella produzione, nonché nella tecnologia bellica, dipendono tutti dalla nostra capacità di realizzare disposizioni di atomi. Con gli assemblatori saremo in grado di modellare nuovamente il nostro mondo, oppure di distruggerlo. Quindi, a questo punto, sembra saggio fare un passo indietro e guardare a queste possibilità con la massima chiarezza consentitaci, in modo da essere sicuri che assemblatori e nanotecnologia non siano un mero miraggio futuristico. |
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Riepilogo delle Conclusioni |
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In ognuna delle cose che ho descritto, mi sono strettamente attenuto a fatti dimostrati della chimica e della biologia molecolare. Tuttavia, la gente solleva regolarmente inevitabili obiezioni correlate ai principi della fisica e della biologia. Tali obiezioni meritano delle risposte più dirette. |
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° Il principio di indeterminazione della fisica quantistica rende inattuabili le macchine molecolari? |
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Questo principio asserisce (fra le altre cose) che non è possibile stabilire precisamente la posizione di una particella durante un comunque fissato intervallo di tempo. Tale principio pone un limite a quello che le macchine molecolari possono fare, così come pone un limite a qualsiasi altra cosa si possa fare. Ciononostante, i calcoli mostrano che il principio di indeterminazione pone pochi importanti limiti su "quanto bene" gli atomi possano essere mantenuti in una posizione stabilita, almeno per gli scopi qui delineati. Il principio di indeterminazione rende le posizioni degli elettroni piuttosto "vaghe" e di fatto questa incertezza determina l'effettiva dimensione e struttura degli atomi. Un atomo, inteso come ente unico, ha comunque una posizione relativamente definita, determinata dalla posizione del suo nucleo di massa. Se gli atomi non stessero in una posizione sufficientemente definita, le molecole non esisterebbero. Non c'è bisogno di studiare la meccanica quantistica per confidare in queste conclusioni, poiché le macchine molecolari nelle cellule dimostrano che una macchina molecolare può funzionare. |
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° Le macchine molecolari potrebbero non funzionare, o comunque essere troppo inaffidabili per essere usate, a causa delle vibrazioni molecolari dovute al calore? |
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Le vibrazioni termiche causeranno problemi ben più grandi rispetto a quelli causati dal principio di indeterminazione, tuttavia anche in questo caso l'esistenza di macchine molecolari naturali costituisce la dimostrazione diretta che le macchine molecolari possono funzionare a temperature ordinarie. A dispetto delle vibrazioni termiche, il macchinario di copiatura del DNA in certe cellule(26) compie meno di un errore ogni cento miliardi di operazioni. Per ottenere questa accuratezza, comunque, le cellule utilizzano alcune particolari macchine (come l'enzima denominato " DNA polimerasi I ") che lavorano sulla copia come farebbe un correttore di bozze, correggendo gli errori della copia. Gli assemblatori potrebbero necessitare di analoghe capacità di controllo, detenzione e correzione degli errori, perché possano essere in grado di produrre risultati affidabili. |
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° Le radiazioni potrebbero distruggere le macchine molecolari, rendendole inutilizzabili? |
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Le radiazioni d'alta energia possono rompere i legami molecolari e distruggere le macchine molecolari. Ancora una volta le cellule viventi mostrano che esistono delle soluzioni: esse funzionano per anni riparando e rimpiazzando le parti danneggiate dalle radiazioni(27). Poiché le macchine, individualmente, sono comunque così minuscole, esse costituiscono bersagli piccoli per le radiazioni e ne vengono raramente colpite. Inoltre, se un sistema di nanomacchine deve essere affidabile, deve tollerare una certa percentuale di danno e le parti danneggiate devono regolarmente essere riparate o sostituite. Questo approccio alla affidabilità è ben noto ai progettisti di aereoplani e navette spaziali. |
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° Poiché l'evoluzione non è riuscita a produrre assemblatori, questo non dimostra che essi sono impossibili o privi d'utilità? |
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Alle prime domande si è risposto in parte guardando al funzionamento del macchinario molecolare delle cellule. Esso infatti rappresenta una prova semplice e potente del fatto che le leggi naturali consentono, a piccoli raggruppamenti di atomi, di comportarsi come macchine controllate in grado di costruire altre nanomacchine. Tuttavia, a dispetto della loro somiglianza di base con i ribosomi, gli assemblatori differiranno da qualsiasi cosa mai trovata nelle cellule; le cose che produrranno, pur fabbricate per mezzo di movimenti ordinari ed ordinarie reazioni molecolari, rappresenteranno risultati del tutto inediti. Nessuna cellula, per esempio, produce fibre di diamante. |
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L'idea che nuovi tipi di nanomacchine ci metteranno a disposizione capacità nuove ed utili capacità, potrebbe sembrare sbalorditiva: in tutti i suoi miliardi di anni di evoluzione la vita non ha mai smesso di basarsi(28) sulle macchine proteiche. Questo suggerisce forse che sono impossibili dei miglioramenti? L'evoluzione avanza attraverso piccoli cambiamenti e l'evoluzione del DNA non può facilmente sostituire il DNA stesso. Poiché il sistema DNA/RNA/ribosomi è specializzato nel produrre proteine, la vita non ha nessuna opportunità reale di evolvere una alternativa. Qualunque manager di produzione ne può ben apprezzare la ragione; anche più di quel che accade in una fabbrica, la vita non può permettersi di arrestarsi per sostituire i suoi vecchi sistemi. |
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Non dovremmo perciò essere sorpresi delle migliorie possibili sulle macchine molecolari più di quanto lo siamo del fatto di poter produrre leghe d'acciaio dieci volte più forti delle ossa o cavi di rame che trasmettono segnali un milione di volte più velocemente di quanto facciano i nervi. Le automobili sorpassano i ghepardi, gli aerei jet volano più veloci dei falchi ed i computer già superano le capacità di calcolo mentale umano. Il futuro porterà ulteriori esempi di migliorie che sono possibili rispetto alla evoluzione biologica, nell'ambito delle quali la seconda generazione di nanomacchine non sarà che una di esse. |
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In termini fisici è abbastanza chiaro perché gli assemblatori avanzati saranno in grado di fare più di quanto siano capaci di fare le macchine proteiche esistenti. Essi saranno programmabili come i ribosomi, ma capaci di usare un insieme di strumenti più ampio di quello costituito da tutti gli enzimi di una cellula messi insieme. Poiché, rispetto alle proteine saranno fatti di materiali molto più forti rigidi e stabili, saranno quindi in grado di esercitare forze più grandi e muoversi con più grande precisione nonché sopportare condizioni più difficili. Come i bracci di robot industriali, ma a differenza di qualsiasi cosa in una cellula vivente, essi saranno capaci di spostare e ruotare molecole in tre dimensioni e sotto controllo programmato, rendendo possibile il preciso assemblaggio di oggetti complessi. Questi vantaggi li renderanno capaci di assemblare un insieme di strutture molecolari più vasto di quello che le cellule viventi hanno finora realizzato. |
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° Non c'è qualcosa di magico e speciale nella vita che dovrebbe quindi essere indispensabile per rendere funzionanti le macchine molecolari artificiali? |
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Si potrebbe dubitare che le nanomacchine artificiali possano mai eguagliare le capacità delle nanomacchine naturali delle cellule se ci fosse una qualche ragione di credere che le cellule contengano qualche specialità magica che permette loro di funzionare. Questa idea è chiamata "vitalismo". I biologi l'hanno abbandonata perché hanno trovato spiegazioni chimiche e fisiche per ogni aspetto delle cellule viventi finora studiato, inclusi il loro moto, la loro crescita e la loro riproduzione. Di fatto, questa conoscenza costituisce il fondamento essenziale delle biotecnologie. |
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Le nanomacchine che fluttuano in sterili provette da laboratorio, ossia liberamente fuori dalle cellule, sono state in grado di svolgere tutti i tipi di attività basilari che svolgono nelle cellule viventi. Partendo da reagenti chimici che possono essere estratti da aria ricca di smog i biochimici hanno costruito macchine proteiche senza aiuto dalle cellule. R. B. Merrifield(29), per esempio, ha usato tecniche chimiche per assemblare semplici aminoacidi, fino a produrre ribonucleasi pancreatica bovina, un dispositivo enzimatico che disassembla molecole di RNA. La vita è speciale nella sua struttura, nel suo comportamento e in quello che di essa "percepiamo" essendo noi stessi "vivi", tuttavia le leggi della natura che governano il suo macchinario molecolare governano anche il resto dell'universo. |
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° I motivi della realizzabilità degli assemblatori e di altre nanomacchine saranno anche solidamente fondati, ma perché non aspettare semplicemente di vedere se queste cose possano essere sviluppate? |
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La pura curiosità sembra motivo sufficiente per esaminare le possibilità che la nanotecnologia ci aprirebbe, ma ci sono anche motivi più forti per farlo. Questi sviluppi si propagheranno come un'onda lungo il mondo intero e lo faranno entro un periodo che va da dieci a cinquant'anni; il che significa entro il tempo di vita che ci attendiamo per noi stessi o per le nostre famiglie. C'è da dire inoltre che le conclusioni a cui si giunge nei capitoli seguenti suggeriscono che una politica di "aspetta e guarda" potrebbe essere molto costosa, nel senso che potrebbe costare molti milioni di vite nonché, forse, persino la fine della vita sulla Terra. |
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I motivi della realizzabilità della nanotecnologia e degli assemblatori sono sufficientemente fondati da dover prendere in seria considerazione queste cose? Sembra che sia proprio così, perché il nucleo centrale della possibilità si basa su due fatti ben stabiliti della scienza e dell'ingegneria. Questi fatti sono: (1) che le macchine molecolari esistenti sono in grado di svolgere un insieme di funzioni di base, e (2) che le parti che svolgono queste funzioni di base possono essere combinate per costruire macchine complesse. Poiché le reazioni chimiche possono legare assieme gli atomi in diversi modi e poiché le macchine molecolari possono dirigere le reazioni chimiche in accordo a istruzioni programmate, gli assemblatori sono indubbiamente realizzabili. |
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Nanocomputer |
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Gli assemblatori prepareranno la strada ad un altro passo avanti tecnologico di importanza ovvia e basilare: gli ingegneri infatti sfrutteranno gli assemblatori per ridurre la dimensione ed i costi dei circuiti per computer ed accelerare di fattori enormi la loro velocità operativa. |
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Con l'attuale tecnologia di "mole", gli ingegneri tracciano degli schemi su schegge di silicio e vi lasciano depositare atomi e fotoni, ma gli schemi restano comunque piatti e sono inevitabilmente caratterizzati da difetti di scala molecolare. Tuttavia, con gli assemblatori, gli ingegneri realizzeranno circuiti in tre dimensioni e costruiti con precisione atomica. I limiti esatti della tecnologia elettronica odierna rimangono incerti, perché il comportamento quantistico degli elettroni in complesse reti di minuscole strutture è inscindibile da problemi complessi, alcuni dei quali risultanti direttamente dal principio di indeterminazione. Qualunque siano i limiti effettivi, sarà comunque possibile raggiungerli con l'aiuto degli assemblatori. |
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I più veloci fra i computer sfrutteranno effetti elettronici, ma i più piccoli potrebbero anche non farlo. Ciò potrebbe sembrarci strano e tuttavia l'essenza della computazione non ha nulla a che fare con l'elettronica. Un computer digitale è una raccolta di interruttori in grado di far commutare altri interruttori da condizioni di "acceso" a condizioni di "spento". Gli interruttori del computer partono da una determinata configurazione (per esempio rappresentante la somma 2 + 2), poi si commutano uno con l'altro in una nuova configurazione (rappresentante 4) e così via. Tali configurazioni possono rappresentare quasi qualunque cosa. Gli ingegneri costruiscono computer composti da minuscoli interruttori elettronici e connessi fra loro da cablaggi elettrici semplicemente perché degli interruttori meccanici connessi da bacchette o corde risulterebbero, allo stato attuale delle cose, troppo grandi, lenti, inaffidabili e dispendiosi. |
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L'idea di un computer puramente meccanico è tutt'altro che nuova. In Inghilterra, durante la metà del 1800(30), Charles Babbage inventò un computer meccanico costituito da ingranaggi d'ottone; la sua collaboratrice, Augusta Ada, contessa di Lovelace, inventò la programmazione per computer. Babbage riprogettò senza fine la sua macchina, circostanza che, assieme alle difficoltà tecniche per la accurata produzione degli ingranaggi ed all'ostilità dei critici attenti al bilancio economico (alcune di queste critiche riguardavano dubbi sulla stessa utilità dei computer!), contribuì ad impedire il completamento del progetto. |
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In questa tradizione, Danny Hillis e Brian Silverman del Laboratorio di Intelligenza Artificiale del MIT, hanno costruito un computer "dedicato", specializzato nel giocare a tic-tac-toe (NdT - gioco noto in Italia come 'Tris'). Di dimensioni di metri e pieno zeppo di alberi rotanti e telai mobili che rappresentano lo stato del tavoliere di gioco e la strategia di azione, questo computer si trova adesso al Computer Museum di Boston. Assomiglia molto ad un enorme modello di molecola realizzato con biglie e bacchette che connettono le biglie, e proprio per questo è stato costruito con pezzi del Mecano. |
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Ingranaggi di ottone e pezzi di Mecano possono solo dar forma a computer lenti ed ingombranti. Tuttavia, con componenti della estensione di pochi atomi, un computer puramente meccanico potrebbe occupare un centesimo di micrometro cubo e risulterebbe perciò molti miliardi di volte più compatto di quelli realizzabili con la "cosiddetta" microelettronica attuale. Anche se avesse un miliardo di bytes di memoria, un computer nanomeccanico potrebbe stare in una scatola di un micrometro di lato(31), all'incirca la dimensione di un batterio. E sarebbe persino veloce. Nonostante nelle macchine attuali i segnali meccanici(32) si propaghino circa centomila volte più lentamente dei segnali elettrici, i primi avrebbero bisogno di percorrere distanze un milione di volte più brevi, determinando così ritardi di propagazione inferiori. Sicché, un computer puramente meccanico lavorerebbe più velocemente dei frenetici computer elettronici odierni. |
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Per finire, considerando invece dei nanocomputer elettronici, essi saranno probabilmente anche migliaia di volte più veloci dei microcomputer elettronici, anzi forse persino centinaia di migliaia di volte più veloci se uno schema di progetto proposto dal premio Nobel per la Fisica Richard Feynman(33) dovesse dimostrarsi capace di funzionare. In elettronica, accrescere la velocità per effetto della riduzione della dimensione è una vecchia storia. |
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Disassemblatori |
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I computers molecolari dirigeranno gli assemblatori molecolari, fornendo loro il rapido flusso di istruzioni necessarie a comandare il posizionamento di un immenso numero di atomi. Nanocomputer con dispositivi molecolari di memoria, immagazzineranno anche dati generati da un processo che è l'esatto contrario dell'assemblaggio. |
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Gli assemblatori aiuteranno gli ingegneri a sintetizzare le cose; i loro "complementari", i disassemblatori(34), aiuteranno gli scienziati e gli stessi ingegneri ad analizzare le cose. La realizzabilità degli assemblatori si basa sulla capacità degli enzimi e delle reazioni chimiche di formare legami e su quella delle macchine di controllare il processo. La realizzabilità dei disassemblatori si basa sulla capacità degli enzimi e delle reazioni chimiche di rompere legami e su quella delle macchine di controllare il processo. Enzimi, acidi, ossidanti, metalli alcalini, ioni ed i gruppi di atomi reattivi denominati "radicali liberi", possono tutti rompere legami e rimuovere gruppi di atomi. Poiché nulla è assolutamente immune alla corrosione, sembrerebbe perciò che gli utensili molecolari saranno in grado di smantellare ogni cosa, pochi atomi alla volta. Ed in più, una nanomacchina potrebbe (per necessità o convenienza) anche saper applicare adeguate forze meccaniche, riuscendo di fatto a curiosare all'interno dei gruppi di atomi appena liberati. |
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Una nanomacchina in grado di far tutto questo e che allo stesso tempo mantiene una registrazione di ciò che, livello dopo livello, sta rimuovendo, è un disassemblatore. Assemblatori, disassemblatori e nanocomputer lavoreranno assieme. Per esempio, un sistema di nanocomputer sarà in grado di dirigere il disassemblamento di un oggetto, registrare la sua struttura e poi dirigere l'assemblaggio di sue copie perfette. E tutto ciò ci fornisce qualche indizio per afferrare quale sia la potenza implicita nella nanotecnologia. |
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Il Mondo Ricreato |
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Ci vorranno anni perché compaiano gli assemblatori ma il loro emergere sembra quasi inevitabile: sebbene percorrere l'intera strada che conduce verso gli assemblatori richieda il compimento di molti passi distinti, ogni passo ci condurrà al punto dal quale potremo cominciare a lavorare per il successivo, ed ogni passo compiuto comporterà immediate ricompense. I primi passi sono già stati fatti sotto i nomi di ingegneria genetica e biotecnologia. Sembra che esistano anche altre possibili strade che conducono verso gli assemblatori. Fatta eccezione per il verificarsi di eventi come distruzioni o dittature totalitarie di estensioni mondiali, la corsa tecnologica proseguirà, che lo si desideri o meno. E quando i progressi nella progettazione assistita dal calcolatore andranno ad accelerare lo sviluppo di strumenti molecolari, i progressi verso gli assemblatori diverranno acutamente più rapidi. |
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Per avere qualche speranza di comprendere il nostro futuro, dobbiamo capire le conseguenze degli assemblatori, dei disassemblatori e dei nanocomputer. Essi promettono di provocare trasformazioni tanto profonde quanto quelle causate dalla rivoluzione industriale, dagli antibiotici e dalle armi nucleari, tutte assieme, in un unico massiccio passo avanti tecnologico. Per comprendere un futuro di così profonda trasformazione, ha senso esplorare gli intrinseci principi del cambiamento che hanno caratterizzato ognuno dei più grandi sconvolgimenti del passato. Essi possono dimostrarsi una utile guida. |
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Capitolo 2: I PRINCIPI DEL CAMBIAMENTO |
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Si pensi al processo di progettazione(1) come qualcosa che richiede in un primo momento la generazione di alternative e successivamente la verifica di queste alternative contro un intera schiera di requisiti e vincoli. |
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- HERBERT A. SIMON |
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Gli assemblatori molecolari costituiranno una rivoluzione che non ha equivalente dai tempi dello sviluppo dei ribosomi, i primitivi assemblatori interni alla cellula. La nanotecnologia che ne risulterebbe può aiutare la vita a diffondersi oltre la Terra, un passo che non ha equivalente dai tempi in cui la vita si è diffusa al di fuori dei mari. Essa potrebbe anche aiutarci nel riuscire a far manifestare la "mente" nelle macchine, un fatto senza equivalente fin dai tempi in cui la mente si è manifestata nei primati. E ci permetterebbe di rigenerare le nostri menti e rimodellare i nostri corpi, un fatto senza equivalente alcuno. |
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Queste rivoluzioni saranno accompagnate da pericoli ed opportunità troppo grandi per essere afferrate dall'immaginazione umana. Eppure i principi del cambiamento che sono stati applicati a molecole, cellule, animali, menti e macchine, dovrebbero mantenere la loro validità anche in un'epoca di biotecnologie, nanomacchine e menti artificiali. Gli stessi principi che sono stati applicati al mare, alla terraferma e all'aria, dovrebbero conservare la loro validità quando diffonderemo la vita terrestre verso le stelle. Comprendere i persistenti principi del cambiamento ci aiuterà a comprendere il potenziale benefico e il potenziale malefico delle nuove tecnologie. |
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Ordine dal Caos |
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L'ordine può emergere dal caos senza che nessuno lo imponga: cristalli ordinati si sono condensati da gas interstellari privi di forma molto tempo prima che apparissero il Sole, la Terra o la vita. Il caos può far emergere ordine cristallino anche sotto circostanze più familiari. Immaginate una molecola, forse regolare nella forma, o forse obliqua e nodosa come una radice di zenzero. Ora immaginate un immenso numero di tali molecole muoversi a caso in un liquido, roteando e spingendosi l'una con l'altra, come ubriachi privi di peso ed al buio. Immaginate il liquido che evapora e si raffredda, obbligando le molecole a disporsi più vicine fra loro ed a rallentare il loro moto. Queste molecole dalla forma strana e dai movimenti casuali si raccoglieranno semplicemente in mucchi disordinati? Generalmente no. Esse si disporranno, di solito, in uno schema cristallino, con ogni molecola accuratamente accoccolata contro le sue vicine, a formare righe e colonne così perfette come quelle di una scacchiera e spesso persino più complesse. |
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Questo processo non coinvolge nulla di magico e nemmeno qualche speciale proprietà delle molecole e delle forze meccaniche quantistiche. Esso non richiede null'altro che l'esistenza di specifiche corrispondenze di forme, tali da consentire alle molecole proteiche di auto-assemblarsi in macchine. Biglie di uguale dimensione, se messe in una vaschetta ed agitate, si dispongono in schemi regolari. |
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I cristalli si accrescono per tentativi e rimozione degli errori, per variazione e selezione. Non ci sono minuscole mani ad assemblarli. Un cristallo può cominciare con un fortuito agglutinarsi di molecole in un piccolo gruppo: le molecole vagano, si urtano e si raggruppano a caso, ma i raggruppamenti sono più coesi quando confezionati secondo un appropriato schema cristallino. Altre molecole colpiscono questo primo minuscolo cristallo. Alcune di esse lo urtano nella posizione o nella orientazione sbagliata; si attaccano debolmente al cristallo e poi se ne distaccano. Ad altre molecole succede di urtare il cristallo nel modo appropriato; vi aderiscono meglio e spesso vi restano stabilmente attaccate. Un livello si costruisce su un altro livello, estendendo così lo schema cristallino. Nonostante la casualità degli urti fra molecole, esse non aderiscono a caso. Sicché dal caos si viene a sviluppare ordine per mezzo di variazione e selezione. |
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Evolvere Molecole |
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Nella crescita cristallina, ogni livello si comporta da stampo per il successivo. Livelli uniformi si accumulano, per formare un blocco solido. Nelle cellule, filamenti di DNA o RNA possono fungere anche loro come uno stampo, aiutati da enzimi che agiscono da macchine di copiatura molecolari. Ma le sub-unità dei filamenti di acido nucleico possono essere disposte in molte differenti sequenze, ed un filamento "matrice" può separarsi dalla sua copia. Sia il filamento originario che la copia(2) possono essere ulteriormente copiati. Il biochimico Sol Spiegelman(3) ha usato una macchina copiatrice (una proteina tratta da un virus) per esperimenti in provetta. In un ambiente pur semplice e privo di vita, essa riesce a duplicare molecole di RNA. |
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Immaginate un filamento di RNA che fluttua in una provetta contenente macchine di copiatura e sub-unità di RNA. Il filamento rotea e si contorce su se stesso finché va ad urtare contro una macchina copiatrice nella giusta posizione per aderirvi. Le sub-unità si scontrano tutt'attorno fino a che una del tipo giusto incontra la macchina copiatrice nella giusta posizione per adattarsi alla forma del filamento-stampo. Mano a mano che le sub-unità cadono casualmente nella giusta posizione, la macchina copiatrice le cattura e le lega chimicamente alla copia in accrescimento; nonostante le sub-unità rimbalzino a caso, la macchina le lega in modo selettivo. Alla fine, macchina, stampo e copia si separano. |
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Nella terminologia di Richard Dawkins, zoologo di Oxford, le cose che producono copie di se stesse sono dette replicatori(4). Nel caso dell'ambiente che stiamo ipotizzando, le molecole di RNA ben corrispondono alla seguente caratterizzazione: una singola molecola presto diventa "due" molecole, queste diventano quattro, quindi otto, sedici, trentadue e così via, in una moltiplicazione esponenziale. Successivamente, il tasso di crescita della velocità di replicazione si azzera: l'insieme considerato di macchine proteiche, può sfornare copie di RNA solo a quella velocità, non importa quante siano le molecole di "stampo" che si contendono i loro servigi. Più tardi ancora, i materiali grezzi per produrre molecole di RNA cominciano a scarseggiare ed il processo di replicazione giunge, per inedia, ad un arresto. L'esplosiva crescita di popolazione delle molecole raggiunge un limite al suo accrescimento, e le molecole smettono di riprodursi. |
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Le macchine copiatrici, comunque, spesso copiano erroneamente i filamenti di RNA, inserendo o cancellando singole sub-unità, oppure accoppiandole in modo sbagliato. Il filamento mutante che ne risultata differisce dall'originale per lunghezza o nella sequenza delle sue sub-unità. Tali modificazioni sono in gran parte casuali e le differenze si accumulano sempre più mano a mano che le copie molecolari erronee vengono ancora una volta copiate erroneamente. Poiché le molecole proliferano, comincia a crescere il grado di differenza che c'è fra l'una e l'altra o fra loro e i loro progenitori. Questa potrebbe sembrare una sicura ricetta per il caos. |
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I biochimici hanno riscontrato che molecole di RNA differenti si replicano a ritmi differenti, a seconda della lunghezza dei filamenti e degli schemi di disposizione delle loro sub-unità. I discendenti dei replicatori più rapidi, diventano naturalmente più comuni. Infatti, se un tipo di replicatore si replica con un tasso soltanto del 10 percento più rapido dei suoi simili, rispetto ad essi avrà, dopo cento generazioni, mille volte più discendenti. Le piccole differenze, in una crescita esponenziale, si moltiplicano esponenzialmente. |
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Quando in una provetta non ci sono più sub-unità libere, uno sperimentatore può prelevare campioni di RNA e "infettare" una nuova provetta. Il processo inizia nuovamente e le molecole che hanno dominato il primo round della competizione partono da una condizione di assoluta dominanza numerica. Appaiono ulteriori piccole variazioni che si accumulano nel tempo in variazioni più grandi. Alcune molecole si replicano più velocemente e la loro specie giunge a dominare la miscela della provetta. Quando le risorse si esauriscono, lo sperimentatore può prelevare dalla provetta altri campioni di RNA e ricominciare ancora una volta l'esperimento, ed ancora, ed ancora, mantenendo sempre stabili le condizioni sperimentali. |
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Questo esperimento è rilevatore di un processo naturale: indipendentemente da quali siano le sequenze di RNA con cui l'esperimento viene avviato, l'apparente caos di errori casuali e copiature preferenziali porta avanti un solo tipo di molecola di RNA (fatta eccezione per qualche errore di copiatura). La versione tipica dell'RNA vincente ha una ben definita sequenza di 220 sub-unità. È il miglior RNA replicatore nel suo ambiente, sicché si moltiplica rispetto agli altri fino a restare solo. |
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Un prolungato processo di copiatura, copiatura erronea e competizione, produce all'incirca sempre lo stesso risultato, indipendentemente da quale sia la lunghezza della molecola di RNA che ha avviato il processo o quale sia lo schema costituente la sua sequenza. Sebbene nessuno potrebbe prevedere quale sarà lo schema vincente, chiunque può accorgersi che mutazione e competizione tenderanno a portare avanti un singolo vincitore. In un sistema così semplice potrebbe accadere ben poco d'altro. Se questi replicatori si influenzassero fortemente l'uno con l'altro (aggredendosi selettivamente oppure aiutandosi l'un l'altro), allora il risultato potrebbe assomigliare ad una ecologia un po' più complessa. Ma per come stanno le cose, essi possono soltanto competere per le risorse. |
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Una possibile "variazione sul tema" per questo esempio, ci mostra qualcos'altro: le molecole di RNA si adattano differentemente in ambienti differenti. Una macchina molecolare chiamata ribonucleasi afferra delle molecole di RNA che hanno determinate sequenze di sub-unità esposte, e le taglia in due. Ma le molecole di RNA, come le proteine, si ripiegano spazialmente in configurazioni che dipendono dalla loro sequenza, e ripiegandosi nel modo appropriato possono proteggere i loro punti vulnerabili. Gli sperimentatori hanno riscontrato che, quando la ribonucleasi è presente nel loro ambiente, le molecole di RNA evolvono sacrificando la rapidità di replicazione a vantaggio di una loro maggiore protezione. Ancora una volta emerge fra tutti un competitore "eccellente". |
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Si noti come alcuni termini biologici si siano infiltrati in questa descrizione: poiché le molecole si replicano, la parola "generazione" sembra appropriata; le molecole "discendenti" da un comune "antenato" sono "imparentate", e le parole "crescita", "riproduzione", "mutazione" e "competizione" sembrano altrettanto adatte. Perché tutto questo? Perché queste molecole copiano se stesse con piccole variazioni, proprio come fanno i geni degli organismi viventi. Quando replicatori varianti vanno incontro a un successo variabile, il replicatore di maggior successo tende ad accumularsi. Questo processo, dovunque accada, è definito "evoluzione". |
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Questo esempio della provetta ci consente di osservare l'evoluzione spogliata fino alla sua nuda essenza, libera dalla polemica emotiva che circonda l'evoluzione della vita. Gli RNA replicatori e le macchine copiatrici proteiche sono raggruppamenti ben definiti di atomi, che obbediscono a principi ben compresi e possono evolversi in condizioni di laboratorio ripetibili. I biochimici possono produrre RNA e proteine da comunissimi reagenti chimici prelevati dagli scaffali del loro laboratorio, senza alcun aiuto dalla vita. |
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I biochimici prendono a prestito queste macchine copiatrici da un tipo di virus che infetta i batteri ed utilizzano dell'RNA come suo materiale genetico. I virus sopravvivono entrando in un batterio, copiando se stessi con l'uso delle risorse del batterio e quindi fuggendo per infettare un nuovo batterio. Gli errori di copiatura dell'RNA virale producono virus mutati ed i virus che si replicano con maggior successo diventano i più comuni; questo processo rappresenta una evoluzione per selezione naturale, che a quanto pare si chiama "naturale" perché coinvolge parti "non umane" della natura. Ma a differenza dell'RNA in provetta, l'RNA virale deve fare di più che il semplice replicarsi come fa una molecola nuda. Per aver successo, l'RNA virale deve anche dirigere i ribosomi del batterio infettato perché costruiscano dispositivi proteici che gli permettano anzitutto di fuggire dal vecchio batterio, nonché di sopravvivere all'esterno ed infine entrare in un batterio nuovo. Questa informazione aggiuntiva comporta una lunghezza delle molecole di RNA virale di circa 4.500 sub-unità. |
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Per replicarsi con successo, il DNA di grossi organismi deve fare ancora di più, dirigendo la costruzione di decine di migliaia di differenti macchine proteiche e lo sviluppo di complessi organi e tessuti. Questo richiede migliaia di geni, codificati in milioni di miliardi di sub-unità di DNA. Nonostante ciò, il basilare processo d'evoluzione attraverso variazione e selezione resta identico a quello che si svolge nella provetta, nei virus e in molti altri sistemi. |
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Spiegando l'Ordine |
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Ci sono almeno tre modi per spiegare la struttura di una popolazione di replicatori molecolari dopo un processo d'evoluzione, sia che si parli di RNA in provetta, che di geni virali o di geni umani. Il primo tipo di spiegazione è una descrizione passo-passo della loro storia: la spiegazione di come sono avvenute specifiche mutazioni e come si sono diffuse. Ciò è ovviamente impossibile senza registrare tutti gli eventi molecolari, ed una tale registrazione sarebbe in ogni caso enormemente tediosa. |
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Il secondo tipo di spiegazione fa ricorso ad una parola in qualche modo ingannevole: scopo. Guardando nel dettaglio, vediamo soltanto variazioni a casaccio e replicazioni selettive. Tuttavia, guardando il processo da una maggiore distanza, si potrebbe descriverne il risultato finale immaginando che le molecole sopravvissute si siano trasformate per "raggiungere l'obiettivo" rappresentato dalla replicazione. Perché le molecole di RNA che evolvono sotto la minaccia della ribonucleasi si ripiegano spazialmente nel modo in cui fanno? A causa di una lunga e dettagliata storia passata, naturalmente, ma l'idea che "esse vogliano evitare attacchi e sopravvivere alla replicazione" sarebbe in grado di prevedere lo stesso risultato. Il linguaggio dello scopo costituisce una comoda scorciatoia (provare a discutere in termini di azione umana pur in assenza di questa), ma l'apparenza di uno scopo non deve necessariamente risultare dall'azione di una mente. L'esempio dell'RNA mostra tutto questo in modo piuttosto chiaro. |
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Il terzo (e spesso il migliore) tipo di spiegazione in termini di evoluzione afferma che l'ordine emerge tramite la variazione e la selezione dei replicatori. Una molecola si ripiega in un particolare modo perché assomiglia ai suoi antenati che si sono moltiplicati con maggior successo (evitando attacchi, ecc..) e che sono riusciti a lasciare dei discendenti, compresa questa stessa particolare molecola. Come Richard Dawkins fa notare(5), il linguaggio dello scopo (se usato con attenzione) può essere tradotto nel linguaggio dell'evoluzione. |
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L'evoluzione attribuisce schemi di successo alla "eliminazione di modifiche che non hanno incontrato il successo". Così facendo, interpreta un risultato positivo come equivalente ad un doppio risultato negativo, un tipo di spiegazione che, per la sua sottigliezza, sembra difficile da afferrare. Quel che è peggio, essa spiega qualcosa di visibile (entità di successo, entità con uno scopo) in termini di qualcosa di invisibile (entità senza successo che sono quindi scomparse). Poiché solo gli animali di successo hanno cosparso la terraferma delle ossa dei loro discendenti, i fallimenti malformati del passato non hanno mai potuto lasciare molti fossili. |
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La mente umana tende a focalizzarsi sul visibile, cercando cause positive per risultati positivi e cercando inoltre una forza ordinatrice dietro a risultati ordinati. Tuttavia, riflettendoci, possiamo vedere il grande principio che ha cambiato il nostro passato e modellerà il nostro futuro: l'evoluzione procede per variazione e selezione dei replicatori. |
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Organismi in Evoluzione |
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La storia della vita è la storia di una corsa agli armamenti basata sulle macchine molecolari. Oggi che questa corsa si avvicina ad una fase nuova e più rapida, è necessario che ci assicuriamo di comprendere bene quanto profondamente radicata sia l'evoluzione. In tempi in cui l'idea di evoluzione biologica è spesso disprezzata nelle scuole e talvolta attaccata, dovremmo ricordare che le prove a suo supporto sono solide come roccia e comuni quanto lo sono le cellule. |
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In pagine di pietra, la Terra stessa ha registrato la storia della vita. Sul fondo dei laghi e nei letti marini si sono accumulate conchiglie, ossa e limo, livello dopo livello. Talvolta il cambiamento di una corrente o uno sconvolgimento geologico hanno spazzato via alcuni livelli; oppure essi sono semplicemente sprofondati più in basso. I primi livelli, profondamente seppelliti com'erano, sono stati distrutti, cotti, disciolti in acque minerali, e ritrasformati in pietra. |
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Per secoli i geologi hanno studiato le rocce per leggere il passato della Terra. Molto tempo fa, essi trovarono conchiglie marine nelle rocce raggrinzite e frantumante di alcune catene montuose. Nel 1785, settantaquattro anni dalla pubblicazione del detestato libro di Darwin(6), James Hutton concluse che il fango dei letti marini era stato pressato fino a formare queste rocce, le quali erano poi state sollevate verso il cielo da forze non ancora comprese. Che cos'altro potevano pensare i geologi, a parte un inganno della natura stessa? |
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Essi notarono che le ossa e le conchiglie fossili differivano da livello a livello. Videro che le conchiglie in un livello qui, corrispondevano a quelle trovate in un livello lì, per quanto profondamente sotterrati i livelli fossero. Diedero nomi ai livelli (A,B,C,D..., o Osagian, Meramecian, Lower Chesterian, Upper Chesterian,…) [NdT -Epoche del sottoperiodo Missisipiano nel Carbonifero Inferiore - da 345 a 320 milioni di anni fa], ed usarono i loro fossili caratteristici per identificare i livelli delle stratificazioni rocciose. Gli sconvolgimenti della crosta non hanno lasciato impressa in alcun luogo una completa sequenza di livelli, sicché i geologi, trovando A,B,C,D,E in un posto, C,D,E,F,G,H,I,J in un'altro e J,K,L da qualche altra parte ancora, poterono comunque concludere che A precedeva L. I geologi petroliferi (anche quelli per nulla interessati all'evoluzione o alle sue implicazioni) usano tuttora la datazione dei livelli di roccia basata sui fossili per comparare i livelli fra un sito di trivellazione ed un altro. |
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Gli scienziati giunsero alla ovvia conclusione. Proprio come le specie marine odierne vivono in aree molto estese, così facevano le specie estinte in anni passati. Proprio come il livello odierno si è depositato sopra il più alto dei livelli passati, così fecero in passato. Conchiglie simili in livelli simili indicano sedimenti depositati nella stessa era. Le conchiglie cambiano da livello a livello perché le specie cambiano da era ad era. Questo è ciò che i geologi hanno trovato scritto in conchiglie ed ossa, su pagine di pietra. |
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I livelli superiori delle rocce contengono ossa di animali più recenti, mentre i livelli più profondi contengono ossa di animali ormai estinti. I livelli ancora più primitivi non mostrano traccia di alcuna delle specie moderne. Sotto ossa di mammiferi giacciono ossa di dinosauri. Nei livelli più vecchi giacciono le ossa di anfibi, più giù conchiglie e ossa di pesci, ed infine del tutto nessuna conchiglia od osso. Le più antiche rocce che contengono fossili, portano solo tracce microscopiche di singole cellule. |
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La datazione con metodi radioattivi indica che queste tracce più antiche risalgono a qualche miliardo di anni fa. Le prime cellule più complesse dei batteri si datano a poco più di un miliardo di anni fa. La storia dei vermi, pesci, anfibi, rettili e mammiferi copre solo le ultime centinaia di milioni di anni. Ossa simili a quelle umane si datano attorno a qualche milione di anni da ora. I resti delle civiltà passate si datano entro qualche migliaio di anni. |
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In tre miliardi di anni, la vita è evoluta da cellule singole in grado di assorbire semplici reagenti chimici a raggruppamenti di cellule che incorporano menti capaci di assorbire idee. Nell'ambito dell'ultimo secolo, la tecnologia si è evoluta dalla locomotiva a vapore e dalla luce elettrica fino alle navi spaziali ed ai computer elettronici, e questi ultimi cominciano ad imparare a leggere e scrivere. Con la mente e la tecnologia, il ritmo dell'evoluzione è schizzato in avanti di un milione di volte o più. |
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Un'altro Percorso all'Indietro |
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Il libro delle pietre registra le forme di organismi morti da tempo, tuttavia anche le cellule viventi contengono delle registrazioni, veri testi genetici che solo ora vengono letti. Come le idee della geologia, le idee essenziali dell'evoluzione erano note prima che Darwin(7) mettesse la penna sul foglio. |
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In templi e monasteri illuminati da lampade ad olio, generazioni di scribi copiarono e ricopiarono i manoscritti. Talvolta copiarono erroneamente parole e frasi, sia per caso o perversità che per ordine del locale legislatore, e mano a mano che il manoscritto veniva replicato ad opera di queste macchine umane di copiatura, gli errori si sono accumulati. Gli errori peggiori potrebbero essere stati scovati e rimossi ed alcuni dei passi ormai famosi potrebbero essere sopravvissuti senza alterazioni, ma si generarono comunque molte differenze rispetto agli originali. |
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I libri antichi raramente esistono nella loro versione originale. Le copie più vecchie sono spesso di secoli più giovani rispetto ai perduti originali. Ciononostante, da copie differenti con differenti errori, gli studiosi possono ricostruire versioni più vicine alla originale. |
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Essi confrontano i testi. Possono tracciare linee di discendenza da antenati comuni sulla base di schemi di errori univoci, che tradiscano la copiatura da una sorgente comune (gli insegnanti scolastici conoscono questo principio: risposte identiche e corrette non sono sospette, a meno che non siano state copiate da un libro di testo, ma guai agli studenti seduti fianco a fianco che facciano gli stessi errori nei loro compiti in classe!). Dove tutte le copie sopravvissute concordano, gli studiosi possono assumere che la copia originale (o almeno l'ultimo comune antenato delle copie sopravvissute) contenesse le stesse parole. Dove le copie sopravvissute differiscono, gli studiosi trovano indicazioni per individuare il comune distante antenato da cui discendono le due copie divergenti, poiché le restanti aree di accordo delle due copie indicano una derivazione comune dalla versione più antica. |
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I geni assomigliano a manoscritti composti con un alfabeto di sole quattro lettere. Così come uno stesso messaggio nel linguaggio ordinario può assumere più forme (non è necessario un grande sforzo per formulare nuovamente una idea con l'uso di parole totalmente differenti), così anche differenti parole genetiche possono dirigere la costruzione di identiche molecole proteiche. Inoltre, molecole di proteine con caratteristiche di dettaglio differenti possono svolgere funzioni identiche. Un gruppo di geni in una cellula è come un intero libro, come un vecchio manoscritto copiato e ricopiato da scribi imprecisi. |
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Come studiosi all'esame di antichi testi, i biologi generalmente lavorano con copie moderne del loro materiale (con la differenza che, ahimè, non c'è nessun "papiro" biologico proveniente da un mare ormai defunto, che sia stato trascritto per noi nei primitivi giorni della vita). Essi confrontano gli organismi dotati di aspetti simili (leoni e tigri, cavalli e zebre, ratti e topi) e scoprono che questi sono provvisti, nei loro geni e nelle loro proteine, di risposte simili agli stessi problemi. Più due organismi differiscono (leoni e lucertole, umani e girasoli), più queste risposte differiscono, persino fra macchine molecolari che assolvono identiche funzioni. Per dirla tutta, animali simili fanno errori simili: tutti i primati, per esempio, mancano di enzimi che producano vitamina C, una omissione condivisa soltanto da altri due fra i mammiferi conosciuti, il maiale della Guinea e il pipistrello della frutta. E ciò suggerisce che noi primati abbiamo copiato le stesse risposte genetiche da una sorgente comune, tanto tempo fa. |
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Lo stesso principio che mostra le linee di discendenza dei testi antichi (e che aiuta a correggere i loro errori di copiatura) rivela così anche le linee di discendenza della vita moderna. Infatti, esso indica che tutta la vita conosciuta condivide la sua discendenza da un comune antenato. |
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L'ascesa dei Replicatori |
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I primi replicatori sulla Terra evolsero abilità che andavano oltre a quelle consentite a molecole di RNA che si replicano in una provetta. Al tempo in cui avevano raggiunto lo stadio batterico, essi avevano sviluppato il "moderno" sistema che utilizza DNA, RNA, e ribosomi per costruire proteine. Le mutazioni quindi modificarono non solo lo stesso DNA replicatore, ma anche le macchine proteiche e le strutture viventi che queste costruiscono e modellano. |
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Squadre di geni modellarono cellule sempre più elaborate, quindi guidarono verso la cooperazione cellulare che costituì infine organismi complessi. Variazione e selezione favorirono squadre di geni che modellarono bestie con pelli protettive e bocche affamate, animate da nervi e muscoli, guidati da occhi e cervello. Come dice Richard Dawkins(8), i geni costruirono macchine di sopravvivenza sempre più elaborate per favorire la replicazione di se stessi. |
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Quando i geni di un cane si replicano, spesso si mescolano con i geni di altri cani che sono stati artificialmente selezionati da persone che scelgono quali cuccioli tenere ed allevare. Lungo i millenni, la gente ha plasmato degli animali simili a lupi per trasformarli in levrieri, barboncini, bassotti e san bernardi. Selezionando quali geni dovessero sopravvivere, la gente ha rimodellato i cani sia nel corpo che nel carattere. I desideri umani hanno stabilito le caratteristiche di successo per i geni canini; pressioni ben diverse hanno definito i geni di successo dei lupi. |
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Mutazione e selezione dei geni hanno, attraverso lunghe ere, riempito il mondo di erba e di alberi, di insetti e di pesci, e di gente. Più di recente altre cose sono apparse e si sono moltiplicate; strumenti, case, aerei e computer. E come le molecole di RNA prive di vita, questo hardware si è evoluto. |
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Tecnologia in evoluzione |
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Come le pietre della Terra registrano la comparsa di forme di vita sempre più complesse e capaci, così i resti e gli scritti dell'umanità registrano la comparsa di forme di hardware sempre più complesso e capace. Il nostro hardware più antico sopravvissuto fino ad oggi è la pietra stessa, seppellita assieme ai fossili dei nostri antenati; il nostro hardware più recente orbita sopra le nostre teste. |
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Consideriamo per un momento l'ascendenza ibrida dello space shuttle. Per il suo aspetto di aereoplano, esso discende dai jet di alluminio degli anni sessanta, che derivano in linea diretta dagli aerei rivestiti con alluminio della seconda guerra mondiale, dai biblani di legno e tela della prima guerra mondiale, dagli alianti a motore dei fratelli Wright, e infine dagli alianti giocattolo e agli aquiloni. Per il suo aspetto di razzo, lo shuttle deriva dai razzi lunari, che sono derivati dai missili militari, che discendono dai razzi di artiglieria dell'ultimo secolo ("ed il rosso bagliore del razzo..."), ed infine dai fuochi artificiali giocattolo. Questo ibrido aereoplano/razzo riesce a librarsi ed attraverso un processo di variazione dei componenti e della progettazione, gli ingegneri aereospaziali ne evolveranno di ancora migliori. |
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Gli ingegneri parlano di "generazioni" di tecnologie; I progetti giapponesi per computer di "quinta generazione" mostrano quanto rapidamente alcune tecnologie crescano e prolifichino. Gli ingegneri parlano di "ibridi", di "tecnologie in competizione" nonché della loro "proliferazione". Il direttore delle ricerche dell'IBM, Ralph E. Gomory sottolinea con enfasi la natura evolutiva della tecnologia, scrivendo che "lo sviluppo della tecnologia è più evolutivo e molto meno rivoluzionario e meno basato su improvvisi passi avanti radicali, di quanto la maggior parte delle persone immagini" (Infatti anche passi avanti radicali come quelli rappresentati dagli assemblatori molecolari si svilupperanno attraverso molti piccoli passi). Nella citazione all'inizio di questo capitolo, il Professor Herbert A. Simon della Carnegie-Mellon University ci invita a pensare "al processo di progettazione come qualcosa che richiede in un primo momento la generazione di alternative e successivamente la verifica di queste alternative contro un intera schiera di requisiti e vincoli". Generazione e verifica di alternative sono sinonimi di variazione e selezione. |
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A volte esistono già varie alternative. Nel testo "One Highly Evolved Toolbox" (Una Scatola degli Attrezzi Altamente Evoluta), tratto da The Next Whole Earth Catalog(9), J. Baldwin scrive: "La nostra scatola degli attrezzi portatile si è evoluta per circa venti anni fino ad oggi. Non c'è nulla di realmente speciale in essa, eccetto che un continuo processo di rimozione di utensili obsoleti o inadeguati nonché di sostituzione degli stessi con altri più adatti, è infine risultato in una collezione di utensili che l'ha resa un vero e proprio sistema per "fare-cose" piuttosto che un semplice mucchio di ferramenta". |
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Baldwin usa il termine "evolvere" appropriatamente. Per millenni, invenzione e fabbricazione hanno generato variazioni nelle caratteristiche di progetto degli utensili e Baldwin ha individuato l'insieme risultante attuale tramite una "selezione competitiva", mantenendo gli utensili che funzionano meglio assieme ad altri che meglio si prestano per le sue necessità. Attraverso anni di variazione e selezione il suo sistema è evoluto, lungo un processo che egli raccomanda vivamente. Di fatto egli esorta chiunque a non tentare mai di valutare l'acquisto di un insieme completo di attrezzi. Piuttosto, egli consiglia di comprare solo gli attrezzi che si è soliti prendere in prestito, utensili selezionati dalla esperienza e non dalla teoria. |
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Le variazioni tecnologiche sono spesso deliberate, nel senso che gli ingegneri sono pagati per inventare e collaudare. Tuttavia, alcune innovazioni sono assolutamente casuali, come la scoperta di una rozza forma di Teflon in un cilindro che si presumeva pieno di gas tetrafluoroetilene: pur con la valvola accidentalmente aperta, il cilindro restò pesante; quando venne segato ed aperto, rivelò uno strano e pallido materiale solido. Altre innovazioni sono derivate da sistematici tentativi alla cieca. Edison, quando era alla ricerca di un buon filamento per le lampade a bulbo, provò a carbonizzare ogni cosa, dalla carta al bambù, e persino tele di ragno. Charles Goodyear pasticciò in una cucina per anni tentando di convertire la gomma naturale in una sostanza resistente, fino a che gli capitò di far gocciolare della gomma solforizzata su un fornello caldo, ottenendo così la prima rozza vulcanizzazione. |
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Nell'ingegneria, illuminati tentativi per prove ed errori, non pianificati da un impeccabile intelletto, hanno condotto alla maggior parte dei progressi; questo è il motivo per cui gli ingegneri costruiscono prototipi. Peters e Waterman(10) nel loro libro In Search of Excellence mostrano che la stessa cosa è vera per i progressi dei prodotti commerciali e delle politiche aziendali. Questo è il motivo per cui le aziende eccellenti creano "un ambiente ed un insieme di attitudini che incoraggiano la sperimentazione" nonché il motivo per cui esse si evolvono "in modo realmente Darwiniano". |
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Anche le industrie generano ordine tramite variazione e selezione. Grossolani sistemi di controllo della qualità saggiano e scartano parti difettose prima di assemblarle in prodotti completi, e sistemi di "controllo della qualità" più sofisticati utilizzano metodi statistici per individuare alla sorgente i difetti, aiutando gli ingegneri a minimizzarli per mezzo della modifica opportuna del processo di fabbricazione. Gli ingegneri giapponesi, basandosi sugli studi sul controllo statistico della qualità di W. Edwards Deming, hanno fatto di un tale processo di variazione e selezione un pilastro del successo economico del loro paese. I sistemi basati sugli assemblatori avranno analogamente bisogno di misurare i risultati per eliminare i difetti. |
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Il controllo di qualità è una sorta di evoluzione perché mira non a modificare ma ad eliminare le variazioni dannose. Ma proprio come l'evoluzione Darwiniana può conservare e diffondere le mutazioni favorevoli, così dei buoni sistemi di controllo di qualità possono aiutare dirigenti ed operai a conservare e diffondere i processi più efficaci, sia che essi siano comparsi per caso che per consapevole progettazione. |
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Tutto questo armeggiare da parte di ingegneri e produttori industriali prepara i prodotti al loro collaudo definitivo. Fuori, nel mercato, un'infinita varietà di chiavi inglesi, automobili, calzini e computer, competono per l'approvazione degli acquirenti. Se degli acquirenti adeguatamente informati venissero lasciati liberi di scegliere, i prodotti che fanno ben poco o costano troppo non riuscirebbero, probabilmente, ad essere riprodotti. Come accade in natura, la verifica sperimentale competitiva ha trasformato i migliori competitori di ieri nei fossili di oggi. "Ecologia" ed "economia" condividono ben più che comuni radici linguistiche. |
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Sia nel mercato che su campi di battaglia reali ed immaginari, la competizione globale guida le organizzazioni nell'inventare, acquistare, elemosinare o rubare tecnologie sempre più capaci. Alcune organizzazioni competono principalmente cercando di fornire alla gente beni di qualità superiore, altre competono principalmente cercando di intimidire le prime con armi superiori. La pressione dell'evoluzione guida entrambe. |
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La corsa tecnologica globale ha premuto sull'acceleratore per miliardi di anni. I ciechi vermi terrestri non poterono arrestare lo sviluppo di occhi negli uccelli. I piccoli cervelli degli uccelli e le loro maldestre ali non poterono impedire che gli uomini sviluppassero mani, menti e doppiette da fuoco. Analogamente, le proibizioni locali non possono bloccare i progressi nella tecnologia militare e commerciale. Sembra quindi che dobbiamo imparare a guidare la corsa tecnologica o morire, sebbene la forza dell'evoluzione tecnologica si faccia beffe dei movimenti antitecnologici: i movimenti democratici che si prefiggono l'obiettivo di imporre restrizioni locali possono soltanto riuscire a limitare le singole democrazie del mondo, non il mondo nel suo complesso. La storia della vita ed il potenziale delle nuove tecnologie suggerisce qualche soluzione, ma questo è l'argomento centrale della terza parte di questo libro. |
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L'evoluzione della Progettazione |
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Potrebbe sembrare che il processo della progettazione offra una alternativa all'azione dell'evoluzione, ma il progetto coinvolge implicitamente l'evoluzione stessa in due distinte maniere. Anzitutto, la stessa pratica progettuale evolve. Non solo gli ingegneri accumulano progetti che funzionano, ma accumulano anche metodi di progetto che funzionano. Questi metodi vanno dagli standard da manuale per la scelta di adeguate scansioni temporali delle fasi progettuali, ai sistemi gestionali per organizzare la ricerca e lo sviluppo. Come ha affermato Alfred North Whitehead(11), "La più grande invenzione del dicianovesimo secolo è l'invenzione del metodo dell'invenzione". |
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In secondo luogo, la progettazione stessa procede per variazione e selezione. Gli ingegneri spesso utilizzano leggi matematiche evolutesi per descrivere (per esempio) il flusso di calore o l'elasticità, al fine di sperimentare in modo simulato un progetto prima ancora di costruirne un prototipo. Essi quindi evolvono piani attraverso un ciclo di progetto, calcolo, critica e riprogettazione, risparmiandosi in parte la spesa economica del taglio del metallo per un prototipo. La creazione di progetti procede quindi attraverso una forma non materiale di evoluzione. |
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La legge di Hooke, per esempio, descrive come i materiali si pieghino e si tendano: la deformazione è proporzionale alla forza di trazione applicata; raddoppiando la trazione, raddoppia lo stiramento ottenuto. Nonostante sia una legge solo approssimativamente corretta, resta abbastanza precisa fintanto che l'elasticità non si arrende alla tensione come infine è costretta a fare. Gli ingegneri possono usare una forma della legge di Hooke per progettare una barra metallica che possa sopportare un carico non eccessivamente deformante, poi ne realizzano una versione materiale un tantino più spessa per compensare le inaccuratezze della legge e dei loro calcoli di progetto. Essi possono anche usare una forma della legge di Hooke per descrivere la deformazioni e le contorsioni nelle ali degli aerei, nelle racchette da tennis, e nelle carrozzerie d'automobile. Ma delle semplici equazioni matematiche non si adattano facilmente a strutture così complicate. Gli ingegneri hanno adattato le equazioni alle forme più semplici (a pezzi del progetto) e successivamente hanno composto queste soluzioni parziali per descrivere la flessione dell'insieme. Si tratta di un metodo (denominato "analisi agli elementi finiti") che tipicamente richiede moli immense di calcoli, e che sarebbe impraticabile senza i computer. Grazie a questi, invece, è diventato un metodo di impiego comune. |
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Tali simulazioni rappresentano l'estensione generalizzata di una tendenza antica. Quando abbiamo bisogno di selezionare una linea d'azione fra quelle possibili, le abbiamo sempre valutate immaginando le sue conseguenze auspicabili e quelle temibili. I modelli mentali più semplici (sia quelli innati che quelli appresi) guidano indubbiamente nello stesso modo gli animali. Quando sulla base di accurati modelli mentali gli esperimenti nel pensiero possono sostituire più costosi (o persino più pericolosi) esperimenti fisici, si favorisce uno sviluppo evolutivo. Le simulazioni degli ingegneri semplicemente estendono questa capacità di immaginazione delle conseguenze, per consentirci di compiere i nostri errori nel pensiero piuttosto che nei fatti. |
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In "One Highly Evolved Toolbox", J. Baldwin discute di come strumenti e pensiero interagiscano durante lo svolgimento di un lavoro da officina: "Cominci a definire la capacità del tuo insieme di utensili secondo quello che pensi debba significare 'fabbricare le cose'. Quando qualcuno che costruisce un sacco di roba ti fornisce delle spiegazioni, gli utensili diventano presto una parte automatica del processo di progettazione. Ma gli utensili non possono diventare parte del tuo processo di progettazione se non conosci quali siano disponibili e che cosa i vari utensili facciano". |
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Disporre di una percezione intuitiva delle capacità di uno strumento è essenziale quando si pianifica un lavoro da officina la cui consegna è per il prossimo mercoledì, ed è ugualmente essenziale quando si deve modellare una strategia per affrontare i progressi radicali delle prossime decadi. Migliore è la percezione degli strumenti disponibili in futuro, più verosimili sono i nostri piani per sopravvivere e prosperare. |
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Un artigiano in una officina può tenere gli utensili bene in vista; lavorando tutti i giorni con questi utensili, essi divengono familiari per i suoi occhi, le sue mani e la sua mente. Egli acquisisce in modo spontaneo conoscenza delle loro capacità e può disporre di tale conoscenza per un loro utilizzo creativo immediato. Ma per la gente come noi riuscire a comprendere il futuro si presenta come una sfida ben più grande, a causa del fatto che gli strumenti futuri esistono per ora solo come idee e come possibilità implicite nelle leggi di natura. Questi strumenti non sono appesi al muro, e nemmeno impressi nella nostra mente per mezzo di sensazioni visive, uditive o tattili o quantomeno non lo saranno fino a che non si materializzeranno fisicamente come hardware. Nei prossimi anni di preparativi, solo lo studio, l'immaginazione e la riflessione(12) possono illuminare le nostre menti sulle capacità di questi strumenti. |
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Quali sono i Nuovi Replicatori? |
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La storia ci mostra che l'hardware evolve. RNA in provetta, virus e cani, ci mostrano tutti come l'evoluzione proceda per modifica e collaudo dei replicatori. Ma l'hardware (quello odierno, quantomeno) non può riprodurre se stesso. Quindi quali sono i replicatori che sono alla base dell'evoluzione tecnologica? Quali sono i geni delle macchine? |
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Ovviamente non è realmente indispensabile identificare i replicatori per riuscire a riconoscere la presenza di un processo di evoluzione. Darwin descrisse l'evoluzione prima che Mendel scoprisse i geni, ed i genetisti impararono molte cose sulla ereditarietà anche prima che Watson e Crick scoprissero la struttura del DNA. Darwin non aveva bisogno di alcuna conoscenza della genetica molecolare per accorgersi che gli organismi mutano e che alcuni lasciano più discendenti di altri. |
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Un replicatore è uno schema che può riuscire a far si che siano fabbricate copie di se stesso. Potrebbe aver bisogno di aiuto, ed infatti il DNA non potrebbe replicarsi se non ci fossero delle macchine proteiche a copiarlo. Ma se considerate secondo questi standard, alcune macchine sono effettivamente dei replicatori! Le compagnie commerciali spesso realizzano macchine che cadono nelle mani di un concorrente; il concorrente impara quindi i segreti delle loro macchine e ne costruisce delle copie. Proprio come un gene "usa" le macchine proteiche per replicarsi, così queste macchine "usano" le menti e le mani umane per replicarsi. Con dei nanocomputer a dirigere l'azione di assemblatori e disassemblatori, si potrebbe persino automatizzare la replicazione dell'hardware. |
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La mente umana, tuttavia, è una macchina di imitazione di gran lunga più sottile di qualsiasi semplice macchina proteica o assemblatore. Voce, scrittura e disegno possono trasmettere progetti da mente a mente prima che prendano forma fisica come hardware. Le idee che sono dietro i metodi di progetto sono ancora più sottili: in modo più astratto di quanto faccia l'hardware, esse si replicano ed operano esclusivamente nel mondo delle menti e dei sistemi simbolici. |
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Se i geni si sono evoluti lungo generazioni ed eoni, i replicatori mentali si evolvono ora nell'arco di giorni e decadi. Come i geni, le idee si scompongono e ricombinano, ed assumono forme multiple (i geni possono essere trascritti da DNA ad RNA e di nuovo a DNA; le idee possono essere tradotte da una lingua ad un'altra). La scienza non può ancora descrivere gli schemi neurali che nel cervello danno forma alle idee, ma chiunque può osservare che le idee mutano, si replicano e competono. Le idee "evolvono". |
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Richard Dawkins chiama(13) le unità elementari (i bit) degli schemi mentali "memi" (la pronuncia inglese di meme fa rima con cream). Egli afferma: "esempi di memi sono melodie musicali, idee, frasi d'effetto, stili di vestiario, modi di fabbricazione di vasi o di costruzione di archi). Proprio come i geni propagano se stessi nel 'pool' genetico di una popolazione saltando [generazione dopo generazione] da un corpo all'altro per mezzo di sperma o uova, così i memi propagano se stessi nel pool memetico saltando da cervello a cervello per mezzo di un processo che, in senso ampio, può essere chiamato 'imitazione'". |
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Le Creature della Mente |
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I memi si replicano sia perché le persone imparano che perché insegnano. Essi mutano perché le persone creano memi nuovi o fraintendono quelli vecchi. Essi vengono selezionati (in parte) perché le persone non credono a tutto quello che ascoltano o non lo ripetono. Come le molecole di RNA in provetta competono per appropriarsi di macchine copiatrici e sub-unità dalla disponibilità limitata, così i memi devono competere per risorse limitate come l'attenzione e gli sforzi umani. Poiché i memi modellano il comportamento, il loro successo o il loro fallimento è d'importanza mortalmente seria. |
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Fin da tempi antichi, modelli e schemi mentali di comportamento sono stati trasferiti da genitore a figlio. Gli schemi memetici che favorivano sopravvivenza e riproduzione hanno manifestato la tendenza a diffondersi (mangia questa radice solo dopo averla cotta; non mangiare queste bacche, gli spiriti malvagi ti torceranno le budella). Anno dopo anno, la gente ha variato le proprie azioni con risultati variabili. Anno dopo anno, alcune persone morivano mentre altre trovavano nuovi trucchi per sopravvivere e li trasferivano agli altri. I nostri geni costruiscono cervelli abili nell'imitazione perché gli schemi imitati erano, considerati nel complesso, schemi di valore; dopotutto i loro propositori originari erano sopravvissuti per diffonderli. |
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I memi stessi, tuttavia, devono fronteggiare problemi di "vita" e di "morte": in quanto replicatori essi evolvono unicamente per sopravvivere e diffondersi. Ma come i virus, essi possono replicarsi senza favorire la sopravvivenza o il benessere di chi li ospita. Di fatto il meme del "martire-per-una-causa" può diffondere se stesso proprio grazie al semplice fatto di uccidere la persona che lo ospita. |
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I geni, come i memi, sopravvivono per mezzo di molte strategie. Alcuni geni d'anatra hanno diffuso se stessi incoraggiando le anatre a formare coppie stabili che potessero prendersi cura dei portatori dei loro geni, ossia uova e piccoli. Alcuni geni d'anatra hanno diffuso se stessi incoraggiando (nei maschi d'anatra) lo stupro, ed altri (nelle femmine d'anatra) la posa delle uova in nidi d'altre anatre. Altri geni, anche questi riscontrati nelle anatre, sono geni virali capaci di diffondere se stessi senza contribuire alla generazione di ulteriori anatre. Proteggere le uova aiuta le specie d'anatra (e i singoli geni d'anatra) a sopravvivere; lo stupro aiuta un insieme di geni d'anatra a spese di un altro insieme; le infezioni virali aiutano i geni virali a spese dei geni d'anatra nel complesso. Come sottolinea Richard Dawkins, i geni hanno "cura" solo della propria replicazione: essi quindi si mostrano "egoisti". |
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Ma motivi egoistici possono incoraggiare la cooperazione(14). La gente in cerca di denaro e di riconoscimenti personali, coopera alla costituzione di enti che servono i bisogni di altra gente. I geni egoisti cooperano per costruire organismi che spesso risultano essere cooperativi di per se stessi. Ma anche se le cose stanno così, immaginare che i geni servano automaticamente qualche bene più grande (il bene dei loro cromosomi? Delle loro cellule? Dei loro corpi? Delle loro specie?) significa interpretare erroneamente quello che è un effetto comunemente diffuso, confondendolo con una causa sottostante. Ignorare l'egoismo dei replicatori significa cullarsi con una pericolosa illusione. |
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Alcuni geni nelle cellule sono in tutto e per tutto "parassiti". Come i geni dell'herpes inseriti nel cromosoma umano, essi sfruttano le cellule e danneggiano l'organismo che li ospita. Quindi, se i geni possono essere parassiti, perché non altrettanto i memi? |
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Nel libro The Extended Phenotype(15), Richard Dawkins descrive un verme che parassitizza le api e completa il suo ciclo vitale in acqua. Esso induce l'ape che la ospita ad andare verso l'acqua, facendo in modo che l'ape si tuffi verso la sua morte. Analogamente, alcuni vermi che parassitizzano i cervelli di formica devono entrare in una pecora per completare il loro ciclo vitale. Per portare a termine questo compito, essi scavano cunicoli nel cervello della formica che li ospita, provocando in qualche modo dei cambiamenti che fanno sì che la formica "voglia" arrampicarsi sulla cima di un filo d'erba ed attendere di essere finalmente mangiata da una pecora. |
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Così come i vermi penetrano in altri organismi e li usano per sopravvivere e replicarsi, così fanno i memi. Infatti, l'assenza di memi che sfruttino la gente per i loro fini egoistici dovrebbe risultare sorprendente, sintomo di un sistema immunitario mentale piuttosto potente, di fatto quasi perfetto. Ma i memi parassiti indubbiamente esistono. Proprio come i virus evolvono per spingere le cellule a fabbricare virus, così le voci evolvono per suonare plausibili ed interessanti, stimolando la loro ripetizione. Non vi domandate se una voce è vera, domandatevi come si diffonde. L'esperienza mostra che le idee evolutesi per essere replicatori di successo hanno ben poco bisogno di avere a che fare con la verità. |
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Nella migliore delle ipotesi, le catene di Sant'Antonio, le chiacchiere apocrife, le follie alla moda ed altri parassiti mentali, danneggiano la gente facendogli sprecare del tempo. Ma nella peggiore delle ipotesi, essi inculcano concezioni erronee mortali. Questi sistemi memetici sfruttano l'ignoranza e la vulnerabilità umana. Diffonderli è come avere un raffreddore e starnutire in faccia ad un amico. Nonostante alcuni memi agiscano in modo non dissimile da quello di un virus, le infezioni non sono necessariamente una cattiva cosa (pensiamo ad un sorriso contagioso, o ad un contagioso buon carattere). Se un corpo di idee ha dei meriti, la sua diffusione per infezione semplicemente ne aumenta il merito, ed infatti i migliori insegnamenti etici ci insegnano anche ad insegnare l'etica. Le buone pubblicazioni possono intrattenere, arricchire la comprensione, aiutare a giudicare, ed anche far propaganda per gli abbonamenti. Diffondere sistemi memetici utili è come offrire semi utili ad un amico che ha un giardino. |
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Selezionare Idee |
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I parassiti hanno obbligato gli organismi ad evolvere sistemi immunitari, come per esempio gli enzimi che i batteri utilizzano per fare a pezzi i virus invasori, o i globuli bianchi del sangue che pattugliano i nostri corpi per distruggere i batteri. I memi parassiti hanno obbligato le nostre menti a percorrere una strada analoga, ed esse hanno evoluto dei sistemi memetici che svolgono la funzione di sistemi immunitari mentali. |
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Il più vecchio e più semplice sistema immunitario mentale ordina semplicemente: "credi nel vecchio, rifiuta il nuovo". Qualcosa di simile a questo sistema generalmente preserva le tribù dall'abbandonare le strade vecchie e già collaudate, in favore di nuove e folli nozioni come quella di obbedire a presunti fantasmi che ordinano una distruzione di tutto il bestiame e il grano della tribù, perché tale distruzione in qualche maniera provocherebbe una miracolosa abbondanza di cibo, nonché la disponibilità di grandi eserciti di antenati per scacciare gli stranieri (questo meme ha realmente infettato la gente della tribù dei Xhosa(16) nel Sud Africa nel 1856 e nei successivi anni sono morte 68.000 persone, principalmente di fame). |
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Il sistema immunitario del vostro corpo segue una regola simile: generalmente esso accetta tutte i tipi di cellule già presenti all'inizio della vostra vita e rigetta come straniere e pericolose quelle che potrebbero essere potenziali cellule cancerose o batteri invasori. Questo semplice sistema "rigetta-il-nuovo" un tempo funzionava bene, tuttavia in questa era di trapianti d'organi può anche uccidere. Analogamente, in un'era in cui scienza e tecnologia regolarmente presentano fatti che sono nuovi ma anche attendibili, un sistema immunitario mentale rigido diventa una menomazione dannosa. |
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Nonostante le sue manchevolezze, tuttavia, il principio del "rigetto del nuovo" è semplice ed offre vantaggi reali. La tradizione mantiene molto di ciò che è vero e provato (o, se non proprio vero, quanto meno funzionante). Cambiare è rischioso: proprio come la maggior parte delle mutazioni sono maligne, così molte delle nuove idee sono sbagliate. Persino la ragione può essere pericolosa: se una tradizione lega delle pratiche fondate ad una irrazionale paura dei fantasmi, la eccessiva confidenza nel pensiero razionale potrebbe gettar via il buono assieme al falso. Sfortunatamente, le tradizioni evolutesi per essere buone, potrebbero risultare meno attraenti rispetto ad idee evolutesi per sembrare buone. Come già detto, le tradizioni fondate potrebbero essere sostituite da idee maligne che meglio si appellano alla mente razionale. |
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Tuttavia, i memi che sigillano la mente per proteggerla dalle nuove idee, proteggono anche se stessi in un auto-utilitarismo che è sospetto. Mentre preservano tradizioni di valore da alterazioni maldestre, potrebbero anche funzionare come uno scudo che impedisca la verifica della veridicità di parassitari sproloqui ad effetto. In tempi di trasformazioni rapide essi possono rendere le menti pericolosamente rigide. |
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Molta della storia della filosofia e della scienza potrebbe essere interpretata come la ricerca di migliori sistemi immunitari mentali, ossia di migliori modi per rigettare quel che è falso, inutile e dannoso. I sistemi migliori rispettano la tradizione, sebbene incoraggino la sperimentazione. Essi suggeriscono degli standard per giudicare i memi, aiutando la mente a distinguere fra parassiti e strumenti. |
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I principi dell'evoluzione ci forniscono un modo per guardare al cambiamento, indipendentemente dal fatto che esso si presenti in molecole, organismi, tecnologie, menti o culture. Le questioni di base che vengono sollevate in tutte queste situazioni sono invariabilmente le stesse: Cosa sono i replicatori? Come mutano? Cosa determina il loro successo? Come si difendono dagli invasori? Tali questioni emergeranno nuovamente quando si esamineranno le conseguenze della rivoluzione degli assemblatori, ed ancora una volta prenderemo in considerazione i modi in cui la società potrebbe affrontare queste conseguenze. |
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I principi fortemente invarianti del cambiamento evolutivo definiranno le forme in cui si manifesterà lo sviluppo della nanotecnologia, tanto più che la distinzione fra hardware e vita comincia a diventare sfocata. Questi principi mostrano moltissimo di ciò che possiamo o non possiamo conquistare, e possono aiutarci a indirizzare adeguatamente i nostri sforzi di modellare il futuro. Essi ci spiegano anche molto su quello che possiamo e non possiamo prevedere, perché guidano non solo l'evoluzione dell'hardware, ma della conoscenza stessa. |
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Capitolo 3: PREVEDERE E PROGETTARE |
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L'attitudine critica può essere descritta come il tentativo cosciente di fare in modo che le nostre teorie e congetture soffrano al posto nostro nella lotta per la sopravvivenza del più adatto. Essa ci da una possibilità di sopravvivere all'eliminazione di ipotesi inadeguate, dove una attitudine dogmatica le eliminerebbe eliminandoci(1). |
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- Sir KARL POPPER |
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Nel guardare avanti per vedere dove ci stia conducendo la corsa tecnologica, dovremmo porci tre domande. Cosa è possibile, cosa è ottenibile e cosa è desiderabile? |
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Anzitutto, dove sia coinvolto dell'hardware, le leggi naturali impongono limiti al possibile. Dato che gli assemblatori apriranno una strada inedita verso il raggiungimento di questi limiti, comprendere gli assemblatori è una chiave per comprendere ciò che è possibile. |
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In secondo luogo, i principi del cambiamento ed i fatti specifici della nostra situazione attuale impongono limiti all'ottenibile. Dato che l'evoluzione di replicatori giocherà un ruolo basilare, i principi dell'evoluzione sono una chiave per comprendere ciò che è ottenibile. |
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Per quanto riguarda cosa sia desiderabile o indesiderabile, la diversità dei nostri sogni spinge verso la ricerca di un futuro che abbia spazio per la diversità, mentre le nostre comuni paure spingono verso la ricerca di un futuro sicuro. |
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Queste tre domande (sul possibile, l'ottenibile, ed il desiderabile) formano un cornice di riferimento entro cui definire un approccio alla previsione. In primo luogo, le conoscenze scientifiche ed ingegneristiche delineano una mappa dei limiti del possibile. Nonostante ancora confusa ed incompleta, questa mappa traccia i confini dei limiti permanenti all'interno dei quali il futuro deve muoversi. In secondo luogo, i principi evolutivi determinano quali percorsi restano aperti e definiscono i limiti dell'ottenibile, inclusi i limiti inferiori poiché i progressi che promettono di migliorare la vita o di accrescere la potenza militare saranno virtualmente inevitabili. Ciò consente una predicibilità limitata: se la corsa evolutiva, vecchia di eoni, non frenerà bruscamente fino ad un completo arresto, la pressione competitiva modellerà il nostro futuro tecnologico entro i confini dei limiti del possibile. Infine, entro i vasti confini del possibile e dell'ottenibile, possiamo tentare di conquistarci un futuro che ci sembri desiderabile. |
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Le Trappole della Profezia |
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Ma come potrebbe, una qualunque persona, riuscire a prevedere il futuro? Le tendenze politiche ed economiche sono notoriamente capricciose, ed i mutamenti si propagano in modo puramente casuale, come fossero rotolanti dadi da gioco lanciati sulle superfici dei continenti. Persino i, relativamente continui, progressi della tecnologia, spesso eludono la previsione. |
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I pronosticatori spesso avanzano ipotesi sui tempi ed i costi richiesti per lo sfruttamento di nuove tecnologie. Quando si spingono oltre il confine delle possibilità delineate e tentano predizioni accurate, di solito falliscono. Per esempio, nonostante gli space shuttle fossero indubbiamente possibili, le predizioni sui loro costi e sulla data del loro primo lancio erano sbagliate in termini di diversi anni e di miliardi di dollari. Gli ingegneri non possono prevedere accuratamente quando sarà sviluppata una tecnologia, perché lo sviluppo coinvolge sempre delle incertezze. |
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Ma dobbiamo provare a prevedere e a guidare lo sviluppo. Svilupperemo delle tecnologie mostruose prima o dopo di sviluppare quelle per ingabbiarle? Alcuni mostri, una volta sguinzagliati, non possono più essere ricacciati nelle gabbie. Per sopravvivere, dobbiamo mantenere il controllo accelerando certi sviluppi e rallentandone altri. |
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Nonostante una tecnologia possa, talvolta, intercettare i pericoli comportati da un'altra tecnologia (difesa contro offesa, sorveglianza dell'inquinamento contro inquinamento stesso), le tecnologie in competizione fra loro spesso procedono nella stessa direzione. Il 29 Dicembre 1959, Richard Feynman (successivamente premiato con un Nobel) tenne una conferenza al raduno annuale della American Physical Society intitolata "There's Plenty of Room at the Bottom(2)" (C'è un mucchio di spazio giù in fondo). Descrisse un approccio di tipo non biochimico alla realizzazione di nanomacchine artificiali (lavorando a scalare verso il basso, un passo dopo l'altro ed utilizzando macchine più grandi per costruirne di più piccole) ed affermò che i principi della fisica non si esprimono contro la possibilità di manovrare le cose atomo per atomo: "Non è qualcosa che tenta di violare una qualche legge; è qualcosa che, in linea di principio, può essere fatta; ma in pratica non è stata fatta perché siamo troppo grandi [...] in definitiva, siamo capaci di fare della sintesi chimica [...] metti giù atomi, dove i chimici dicono che vanno messi, e fabbrichi la sostanza". Essenzialmente, Feynman tracciò un'altra strada, non biochimica, verso gli assemblatori. Affermò anche che questo è "uno sviluppo che io penso non possa essere evitato". |
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Come discuterò nei capitoli 4 e 5, assemblatori e macchine intelligenti semplificheranno molti problemi riguardanti il costo e i tempi dello sviluppo tecnologico. Ma le domande su tempi e costi annebbiano ancora la nostra visione del periodo fra il presente e questi passi avanti tecnologici. Nel 1959 Richard Feynman disse che le nanomacchine potrebbero dirigere la sintesi chimica, inclusa, probabilmente, la sintesi del DNA. Tuttavia non poté prevedere nulla ne riguardo i tempi, ne riguardo i costi per poter fare tutto questo. |
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Di fatto, naturalmente, i biochimici hanno sviluppato tecniche per produrre DNA anche senza farsi aiutare da nanomacchine programmabili, sfruttando scorciatoie che si basano su specifici trucchi chimici. Le tecnologie vincenti spesso hanno successo a causa di trucchi e dettagli che non sono ovvi. A metà degli anni '50 i fisici riuscirono a vedere che i principi basilari dei semiconduttori rendevano fisicamente possibile i microcircuiti, ma prevedere come potessero essere realizzati, vedere in anticipo in tutta la loro complessità i dettagli delle tecniche di produzione dei mascherini e dei rivestimenti isolanti, ed i dettagli delle tecniche di accrescimento degli ossidi, dell'impiantazione ionica, dell'incisione, ecc…, sarebbe stato impossibile. Le sfumature dei dettagli e i vantaggi competitivi che selezionano le tecnologie vincenti rendono complessa la corsa tecnologica ed impredicibile il suo percorso. |
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Ma tutto questo rende futile la previsione sul lungo termine? In una corsa verso i limiti imposti dalle leggi naturali, la linea di arrivo è prevedibile anche se il percorso e il passo dei corridori non lo sono. Non sono i capricci umani ma le immutabili leggi naturali a tracciare la linea fra ciò che è fisicamente possibile e quello che non lo è; nessun atto politico, nessun movimento sociale può cambiare la legge di gravità di un solo pizzico. Così, per quanto futuristiche possano sembrare, le fondate proiezioni delle possibilità tecnologiche sono pienamente distinte dalle previsioni. Esse si fondano sulle leggi senza tempo della natura piuttosto che sulle bizzarrie degli eventi. |
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E' una sfortuna che visioni di una certa perspicacia rimangano rare. In mancanza di esse, incespichiamo inebetiti lungo il paesaggio del possibile, confondendo montagne per miraggi e non dando importanza ad entrambi. Guardiamo avanti con menti e culture radicate nelle idee di tempi più indolenti, quando sia la competizione scientifica che quella tecnologica mancavano della loro attuale velocità e robustezza. Solo di recente abbiamo cominciato a evolvere una tradizione di previsione tecnologica. |
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Scienza e Legge Naturale |
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Scienza e tecnologia sono intrecciate. Gli ingegneri utilizzano la conoscenza prodotta dagli scienziati; gli scienziati utilizzano gli strumenti prodotti dagli ingegneri. Scienziati e ingegneri lavorano entrambi con descrizioni matematiche delle leggi naturali e verificano le loro idee grazie ad esperimenti. Ma scienza e tecnologia differiscono radicalmente nelle loro basi, nei loro metodi e nei loro obiettivi. La comprensione di queste differenze è cruciale per una previsone credibile. Nonostante entrambi i campi siano costituiti da sistemi evolutivi di memi, tali memi evolvono, nei rispettivi campi, sotto pressioni selettive differenti. Consideriamo le radici della conoscenza scientifica. |
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Lungo la maggior parte della storia, la gente ha avuto ben poca comprensione della evoluzione. Ciò lasciava pensare ai filosofi che l'evidenza sensoriale, mediata dalla ragione, doveva in qualche modo imprimere nella mente l'intera umana conoscenza, inclusa la conoscenza delle leggi di natura. Ma nel 1737, il filosofo scozzese David Hume presentò agli altri filosofi un malizioso rompicapo: egli mostrò che le osservazioni non possono dimostrare con la logica una regola generale, e che il fatto che il Sole abbia brillato fino ad ora, giorno dopo giorno, a rigor di logica non prova nulla riguardo l'ipotesi che splenderà domani. Ed infatti un qualche giorno il sole morirà smentendo questa logica. Il problema di Hume apparve per distruggere l'idea di una conoscenza razionale, che fortemente influenzava i filosofi razionali (incluso lo stesso Hume). I filosofi si agitarono e sudarono per la sconfitta, e l'irrazionalismo guadagnò terreno. Nel 1945, il filosofo Bertrand Russell osservò che "la crescita dell'irrazionale attraverso il dicianovesimo secolo e quello che è trascorso del ventesimo è una naturale conseguenza della distruzione dell'empirismo ad opera di Hume(3)". Il meme-problema di Hume ha reciso di netto la stessa idea di conoscenza razionale, quantomeno di quella intesa nel modo in cui la gente l'aveva immaginata. |
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Nelle decadi recenti, Karl Popper (forse il filosofo della scienza preferito degli scienzati), nonché Thomas Kuhn, ed altri, hanno riconosciuto che la scienza è un processo evolutivo. Essi hanno visto la scienza non più come un processo meccanico tramite cui delle osservazioni, in qualche modo, generano delle conclusioni, ma come una battaglia in cui le idee competono per l'approvazione. |
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Tutte le idee, in quanto memi, competono per l'approvazione, ma il sistema memetico della scienza è speciale: esso ha una tradizione di deliberata mutazione delle idee nonché un sistema immunitario unico per controllare i mutanti. I risultati dell'evoluzione mutano a seconda della pressione selettiva applicata, si tratti di evoluzione di molecole di RNA in provetta o di insetti, idee, o macchine. L'hardware evoluto per la refrigerazione differisce dall' hardware evoluto per il trasporto, per cui i frigoriferi sono automobili molto scadenti. In generale, i replicatori evoluti per "A" differiscono da quelli evoluti per "B". I memi non fanno eccezione. |
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Parlando in senso ampio, le idee possono evolvere per sembrare vere o possono evolvere per essere vere (intendendo, in questo secondo caso, idee evolute per sembrare vere a coloro che le hanno esaminate accuratamente) (4). Antropologi e storici hanno descritto cosa accade quando le idee evolvono per sembrare vere fra gente priva dei metodi della scienza; le teorie che ne risultano (la teoria delle malattie basata sugli spiriti maligni, la teoria delle stelle come luci infisse su una cupola, e così via) sono, quasi senza eccezioni, identiche in tutto il mondo. Gli psicologi che hanno indagato sulle ingenue concezioni erronee della gente riguardo il moto degli oggetti in caduta, hanno riscontrato molte credenze simili a quelle che nel Medio Evo, prima del lavoro di Galileo e Newton, hanno finito per evolversi in formali sistemi "scientifici". |
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Galileo e Newton utilizzarono esperimenti ed osservazioni per mettere alla prova le idee riguardanti gli oggetti ed il loro moto, dando quindi inizio ad un'era di drastico progresso scientifico: Newton evolse una teoria che sopravvisse ad ogni verifica allora disponibile. I loro metodi di verifica deliberata uccisero le idee che si allontanavano troppo dalla verità, incluse idee che si erano evolute per fare appello alla ingenua mente umana. |
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Questa tendenza è proseguita. Ulteriori variazioni e verifiche hanno indotto l'evoluzione ulteriore delle idee scientifiche, obbligandole a cedere strada anche ad alcune idee apparentemente bizzarre come la varianza del tempo e la curvatura dello spazio nella teoria della relatività, o la funzione d'onda di probabilità delle particelle in meccanica quantistica. Anche la biologia si è sbarazzata della speciale forza vitale la cui esistenza veniva presunta dai primi biologi, rivelando invece elaborati sistemi di piccole ed invisibili macchine molecolari. Le idee evolutesi per essere vere (o vicine alla verità) si sono trasformate più e più volte fino a sembrare false o incomprensibili. La verità e l'apparenza di verità si sono trasformate fino a diventare diverse come lo sono automobili e frigoriferi. |
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Le idee nelle scienze fisiche si sono evolute sotto varie regole selettive di base. In primo luogo, gli scienziati non prestano attenzione alle idee che mancano di conseguenze verificabili; essi evitano così che le loro teste restino ingombrate da parassiti inutili. In secondo luogo, gli scienziati cercano dei sostituti per le idee che non hanno superato le verifiche sperimentali. E per finire, gli scienziati cercano idee in grado di produrre l'insieme più ampio possibile di predizioni esatte. La legge di gravità, per esempio, descrive come cadono le pietre, come orbitano i pianeti, e come vorticano le galassie, producendo predizioni talmente esatte da lasciare ampio margine per la loro confutazione. La ampiezza e la precisione della legge di gravità, allo stesso modo, le conferiscono una utilizzabilità ampia, ed aiutano gli ingegneri tanto a progettare ponti quanto a pianificare voli spaziali. |
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La comunità scientifica fornisce un ambiente dove tali memi possono diffondersi, spronati dalla competizione e sottoposti ad verifica sperimentale in grado di farli evolvere verso caratteristiche di potenza ed accuratezza. L'accordo sull'importanza della verifica sperimentale delle teorie, tiene unita la comunità scientifica durante le feroci controversie riguardanti le teorie stesse. |
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Una prova inesatta e limitata non può mai dimostrare una teoria esatta e generale (come ha ben mostrato Hume), ma può confutare altre teorie generali, e così facendo può aiutare gli scienziati a scegliere fra queste. Come altri processi evolutivi, la scienza crea qualcosa di positivo (un crescente accumulo di teorie proficue) attraverso un doppio negativo (provare la falsità delle teorie incorrette). Il ruolo centrale della prova negativa tiene conto di alcune rivoluzioni mentali indotte dalla scienza: come meccanismo di confutazione, la scienza può sradicare credenze ben nutrite, lasciando vuoti psicologici che non ha affatto necessità di riempire nuovamente. |
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In termini pratici, ovviamente, molta conoscenza scientifica è solida come un sasso cascatovi sull'alluce. Sappiamo che la Terra gira attorno al Sole (nonostante i nostri sensi ci suggeriscano altrimenti) poiché la teoria si adatta alle innumerevoli osservazioni e perché sappiamo che i nostri sensi vengono ingannati. Abbiamo ben più di una semplice teoria dell'esistenza degli atomi: li abbiamo legati assieme per formare molecole, sollecitato l'emissione di luce da essi, ed infine li abbiamo osservati al microscopio (seppur a malapena) e persino distrutti in pezzi. Abbiamo ben più di una semplice teoria dell'evoluzione: abbiamo osservato mutazioni, osservato la selezione, e osservato l'evoluzione in laboratorio. Abbiamo trovato le tracce dell'evoluzione passata nelle rocce del nostro pianeta, ed osservato l'evoluzione modellare i nostri strumenti, le nostre menti, e le idee nelle nostre menti, inclusa la stessa idea di evoluzione. Il processo della scienza ha elaborato una spiegazione unificata di molti fatti, incluso il modo in cui la scienza e la gente stessa siano arrivate ad esistere. |
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Quando la scienza ha finito di confutare le teorie relative ad un certo fatto, quelle sopravvissute spesso si scoprono essere talmente addossate l'una vicina all'altra che le distanze fra loro non fanno alcuna differenza pratica(5). Dopo tutto, se ci fosse una differenza pratica fra due teorie sopravvissute, questa differenza potrebbe essere sperimentalmente messa alla prova ed usata per confutare una delle due teorie. Le differenze fra le moderne teorie della gravitazione, per esempio, sono di gran lunga troppo sottili per preoccupare gli ingegneri impegnati nel progetto di voli attraverso i campi gravitazionali dello spazio. Infatti, gli ingegneri pianificano i voli spaziali utilizzando ancora la ormai confutata teoria di Newton, perché è più semplice di quella di Einstein, e resta comunque abbastanza accurata per questo scopo. La teoria della gravitazione di Einstein è analogamente sopravvissuta a tutte le verifiche, per quanto non ci sia una prova assoluta per essa e mai ci sarà. La sua teoria produce predizioni esatte riguardo ogni cosa e dovunque (quanto meno riguardo alle questioni di gravitazione), ma gli scienziati possono eseguire solo approssimate misure riguardanti qualche cosa e qualche luogo. E, come Karl Popper fa notare, uno può sempre inventare una teoria così simile ad un'altra che le evidenze esistenti non possono permettere di scartarla(6). |
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Nonostante certi dibattiti condotti sui media evidenzino l'esistenza di incertezze e disaccordi che ricadono su questioni ai confini della conoscenza, resta chiaro il potere della scienza di costruire accordo. In che altro ambito c'è una così grande crescita di concordia, così costante e così internazionale? Sicuramente non in politica, o nella religione, o nell'arte. Infatti, il principale rivale della scienza è un suo parente: l'ingegneria, che evolve anch'essa attraverso proposte e verifiche rigorose. |
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Scienza contro Tecnologia |
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Nelle parole del direttore di ricerca IBM, Ralph E. Gomory, "L'evoluzione dello sviluppo tecnologico viene spesso confusa con la scienza nella mente del pubblico(7)". Questa confusione getta scompiglio sui nostri sforzi per la previsione. |
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Nonostante gli ingegneri si avventurino spesso su terreni incerti, non sono così obbligati a farlo quanto invece lo sono gli scienziati. Essi possono sfuggire ai rischi implicati dalla proposta di teorie scientifiche universali e precise. Gli ingegneri necessitano soltanto di dimostrare che sotto certe particolari condizioni, certi particolari oggetti funzionano abbastanza bene. Un ingegnere non ha bisogno di conoscere l'esatta tensione a cui è sottoposto il cavo di sospensione di un ponte, e nemmeno l'esatta tensione che lo romperà; il cavo reggerà il ponte fino a che la prima delle due tensioni, qualunque sia il suo valore, rimarrà inferiore alla seconda. |
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Nonostante delle misurazioni non possano provare una eguaglianza precisa, possono comunque provare delle diseguaglianze. I risultati degli ingegneri possono perciò possedere una solidità a cui le teorie scientifiche precise non possono aspirare. I risultati degli ingegneri possono anche sopravvivere alle successive confutazioni delle teorie scientifiche che li supportano, quando la nuova teoria fornisca risultati piuttosto simili. Il caso degli assemblatori, per esempio, sopravviverà ad ogni successivo raffinamento delle nostre teorie della meccanica quantistica e dei legami molecolari. |
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A rigor di logica, prevedere il contenuto delle nuove conoscenze scientifiche è impossibile, perché non ha senso dichiarare di conoscere già i fatti che si impareranno solo in futuro. Prevedere i dettagli delle tecnologie future, d'altra parte, è semplicemente un compito difficile. La scienza mira a conoscere, ma l'ingegneria mira a fare, e ciò consente agli ingegneri di parlare delle conquiste future senza paradosso. Essi possono evolvere il loro hardware nel mondo della mente e della computazione, prima ancora di iniziare ad intagliare il metallo o persino prima di aver riempito il progetto di tutti i dettagli necessari. |
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Gli scienziati comunemente riconoscono questa differenza fra previsione scientifica e previsione tecnologica: essi avanzano prontamente delle previsioni tecnologiche riguardo la scienza. Gli scienziati per esempio erano in grado di prevedere, come hanno effettivamente fatto, la qualità tecnica delle immagini degli anelli di Saturno prese dal Voyager, ma non il loro sorprendente contenuto. Infatti, essi previdero la qualità delle immagini mentre telecamere e fotocamere erano ancora delle semplici idee e bozze progettuali. I loro calcoli utilizzarono principi di ottica oramai ben dimostrati, senza coinvolgere nessuna nuova scienza. |
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Poiché la scienza mira a comprendere come ogni cosa funzioni, l'addestramento scientifico può essere di grande aiuto nella comprensione di specifici pezzi di hardware. Tuttavia, ciò non crea automaticamente ingegneri esperti; progettare un aereo di linea richiede molto più che una conoscenza delle scienze della metallurgia e della aereodinamica. |
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Gli scienziati sono stimolati dai loro colleghi ed indotti dal loro addestramento a focalizzare l'attenzione su idee che possono essere sottoposte a verifica per mezzo degli apparati disponibili. Ne risulta una attenzione su temi a breve termine, spesso idonei ad assolvere bene gli scopi della scienza: questa attenzione tiene alla larga gli scienziati dal vagare sterilmente in mondi nebulosi di fantasie non verificate ed accelera l'attuazione di verifiche sperimentali utili per costruire un efficiente sistema immunitario mentale. Sfortunatamente, tuttavia, questa preferenza culturale verso verifiche di breve termine può far si che gli scienziati siano meno interessati ai progressi tecnologici di lungo termine. |
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L'impossibilità di una previsione genuina riguardo la scienza conduce molti scienziati a considerare tutte le affermazioni riguardo gli sviluppi futuri come "speculative", un termine che ha perfettamente senso quando applicato al futuro della scienza, ma poco senso quando applicato alle proiezioni ben fondate sul terreno della tecnologia. Tuttavia la maggior parte degli ingegneri condivide una propensione analoga verso il breve termine. Essi sono troppo condizionati dal loro addestramento, nonché spronati dai loro colleghi e datori di lavoro, a focalizzarsi su un'unica tipologia di problema e cioè il progetto di un sistema che possa essere realizzato con la tecnologia presente o con tecnologie appena dietro l'angolo. Persino per progetti di ingegneria a lungo termine, come ad esempio lo space shuttle, sono costretti ad imporre una data tecnologicamente limitante, superata la quale nessun nuovo sviluppo tecnologico può divenire parte del progetto del sistema. |
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In breve, gli scienziati si rifiutano di fare previsioni sulla conoscenza scientifica futura, e raramente discutono gli sviluppi futuri dell'ingegneria. Gli ingegneri fanno proiezioni degli sviluppi futuri, ma raramente discutono qualsiasi capacità non basata su quelle presenti. Tuttavia questo lascia un vuoto cruciale: che ne è che degli sviluppi ingegneristici futuri solidamente basati sulla scienza presente ma in attesa di abilità ingegneristiche future? Questo vuoto lascia scoperta una proficua area di studio. |
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Immaginate una linea di sviluppo che coinvolga sia l'impiego di strumenti già esistenti per costruirne di nuovi, che l'impiego di questi nuovi strumenti per costruire hardware inedito (in cui sia eventualmente inclusa una ulteriore nuova generazione di strumenti). Ogni insieme di strumenti può basarsi su principi ben stabiliti e tuttavia l'intera sequenza di sviluppo può richiedere molti anni poiché ogni passo comporta un vasto insieme di problemi specifici da appianare. Gli scienziati che pianificano il loro prossimo esperimento e gli ingegneri che progettano il loro prossimo dispositivo, potrebbero ben ignorare tutto eccetto che il primo passo. E ciò nonostante, il risultato finale potrebbe ugualmente risultare prevedibile, se ricade entro l'area delimitata dai confini del possibile ampiamente dimostrati da quella parte di conoscenza scientifica già ben consolidata. |
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La storia recente può illustrare questa situazione in modo esplicito. Ben pochi ingegneri presero in considerazione la costruzione di stazioni spaziali quando ancora nessun razzo era mai entrato in orbita, sebbene i principi su cui esse si basano erano già allora sufficientemente chiari, e tuttavia l'ingegneria dei sistemi spaziali è oggi un campo fiorente. Analogamente, pochi matematici ed ingegneri studiarono le possibilità della computazione automatica fino a che non furono costruiti i primi computer, ma molti lo fecero in seguito. Non è perciò così sorprendente che pochi scienziati ed ingegneri abbiano finora esaminato il futuro della nanotecnologia, per quanto importante essa possa diventare. |
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La Lezione di Leonardo |
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I tentativi di proiettare gli sviluppi ingegneristici hanno una lunga storia, e gli esempi del passato ne illustrano le possibilità presenti. Per esempio, come fece Leonardo da Vinci a riuscire in così gran misura nella previsione tecnologica e perché in qualche caso ha fallito? |
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Leonardo visse cinque secoli fa, lungo un periodo di tempo che vide anche la scoperta del Nuovo Mondo. Produsse delle proiezioni in forma di disegni ed invenzioni; ogni suo progetto potrebbe essere inteso come una proiezione di qualcosa che con tutta probabilità si potrebbe rendere funzionante. Riuscì bene come ingegnere meccanico: progettò dispositivi funzionanti (alcuni dei quali non sarebbero stati costruiti che secoli dopo) per escavatrici, lavorazione di metalli, trasmissione di potenza meccanica ed altri scopi. Fallì come ingegnere aereo: oggi sappiamo che le sue macchine volanti non potrebbero mai funzionare se costruite secondo le sue descrizioni. |
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I suoi successi come progettista di macchine sono facilmente comprensibili. Se le parti costituenti possono realizzarsi con sufficiente accuratezza e con materiali sufficientemente forti e resistenti, il progetto di macchine dai movimenti lenti ed esclusivamente composte da leve, pulegge e cuscinetti rotanti, diviene un mero problema di geometria e teoria delle leve. Leonardo riuscì a comprendere questo piuttosto bene. Alcune delle sue "predizioni" erano di ampia portata, ma solo perché passarono molti anni prima che la gente imparasse a fabbricare parti sufficientemente precise, sufficientemente resistenti e sufficientemente forti da servire (per esempio) come buoni cuscinetti a sfera, il cui impiego infatti non giunse che circa trecento anni dopo che Leonardo li ebbe proposti. Analogamente, non fu possibile realizzare ingranaggi con dentature cicloidali di prim'ordine per quasi due secoli, dopo che Leonardo li ebbe disegnati, ed uno dei suoi progetti con "catene di guida" non venne costruito prima che passassero quasi tre secoli. |
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I suoi fallimenti con i velivoli sono altrettanto facili da comprendere. Poiché a Leonardo mancava una scienza della aereodinamica non poté calcolare le forze agenti sulle ali e nemmeno poté conoscere i requisiti per la spinta e il controllo del velivolo. |
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La gente del nostro tempo, può sperare di produrre delle proiezioni riguardanti le macchine molecolari altrettanto accurate di quelle sulle macchine di metallo prodotte all'epoca da Leonardo da Vinci? Possiamo evitare di incorrere in errori analoghi a quelli presenti nei suoi progetti per la costruzione di macchine volanti? L'esempio di Leonardo suggerisce che possiamo farlo. Potrebbe aiutarci ricordare che Leonardo stesso probabilmente non confidava nelle sue macchine aeree, e che i suoi errori, nonostante tutto, contenevano un germe di verità. Aveva ragione a credere che macchine volanti di qualche tipo fossero possibili, ed infatti ne poteva essere assolutamente certo poiché queste esistevano già. Uccelli, pipistrelli ed api dimostravano la possibilità del volo. Inoltre, nonostante non ci fossero esempi funzionanti dei suoi cuscinetti a sfera, o delle sue ruote dentate e delle sue catene di guida, poteva avere fiducia nei principi su cui si basavano. Menti abilissime avevano già costruito un esteso corpo di conoscenza a fondamento della geometria e delle leggi delle leve meccaniche. Sebbene alle parti di cui Leonardo necessitava dovessero richiedersi una forza ed una accuratezza tali che potrebbero aver suscitato in lui alcuni dubbi, non altrettanto si può dire delle loro interrelazioni riguardanti funzione e movimento(8). Leonardo fu in grado di proporre macchine che richiedevano parti migliori di quelle note a qualsiasi suo contemporaneo, e tuttavia poté nutrire un certo grado di fiducia nella validità del loro progetto. |
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Le proposte di tecnologie molecolari, allo stesso modo, si poggiano su vaste fondamenta di conoscenza, non solo geometria e teoria delle leve ma anche conoscenze riguardanti i legami chimici, la meccanica statistica e la fisica in generale. Questa volta, tuttavia, i problemi delle proprietà materiali e della accuratezza di fabbricazione non emergono in maniera separata. Le proprietà degli atomi e dei legami chimici sono le proprietà materiali, e gli atomi si presentano prefabbricati e perfettamente standardizzati. Per cui, sembra proprio che siamo meglio preparati alla previsione di quanto lo fosse la gente al tempo di Leonardo: sappiamo molto più sulle molecole e sul controllo dei legami chimici di quanto essi conoscessero sull'acciaio e la fabbricazione di parti meccaniche di precisione. In aggiunta a ciò, possiamo osservare le nanomacchine che già esistono nelle cellule, esattamente come Leonardo poté osservare le macchine (uccelli) che già volavano in cielo. |
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La produzione di proiezioni riguardanti il modo in cui si potrebbe costruire la seconda generazione di nanomacchine a partire dalle macchine proteiche è sicuramente più semplice di quanto fosse all'epoca produrre proiezioni sul modo in cui delle precise macchine d'acciaio potessero realizzarsi a partire dalle ben più rudimentali macchine del tempo di Leonardo. Imparare ad usare macchine rudimentali per costruirne di più precise richiedeva l'impiego di molto tempo, ed i metodi per farlo erano tutt'altro che ovvi. Le macchine molecolari, al contrario, saranno costruite a partire da parti atomiche prefabbricate e fra loro identiche, che necessitano solo di essere assemblate assieme. La fabbricazione di macchine precise con ingranaggi curvi ed irregolari deve essere stata ben più difficile da immaginare di quanto sia ora immaginare l'assemblaggio molecolare. E d'altra parte, sappiamo che l'assemblaggio molecolare è qualcosa che si verifica continuamente in natura. Per confidare sulle nostre proiezioni, ancora una volta poggiamo su un terreno più solido di quello su cui si poggiava Leonardo. |
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Ai tempi di Leonardo, la gente aveva scarse conoscenze di elettricità e magnetismo, e non conosceva nulla delle molecole e della meccanica quantistica. Di conseguenza, luci elettriche, radio e computer avrebbero sconcertato le persone di quei tempi. Oggi invece le leggi di base più importanti per l'ingegneria, ossia quelle che descrivono la normale materia, sembrano ben comprese. Come con le teorie gravitazionali sopravvissute, i meccanismi scientifici della confutazione hanno forzato la sopravvivenza delle sole teorie della materia su cui esiste uno stretto consenso generale. |
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Tale conoscenza è recente. Prima di questo secolo la gente non capiva ancora perché i solidi fossero solidi o perché il Sole splendesse. Gli scienziati non comprendevano le leggi che governano la materia nell'ordinario mondo di molecole, persone, pianeti e stelle. Questo è il motivo per cui il nostro secolo ha generato tutte assieme cose come i transistor e le bombe ad idrogeno, ed al contempo il motivo per cui le tecnologie molecolari cominciano a delinearsi all'orizzonte. Questa conoscenza è accompagnata da nuove speranze e nuovi pericoli, ma almeno ci fornisce i mezzi per vedere entrambi in anticipo e per prepararci ad essi. |
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Quando siano note le leggi alla base di una tecnologia, le possibilità future possono essere previste (sebbene con qualche lacuna, altrimenti Leonardo avrebbe previsto i computer meccanici). Persino quando le leggi di base siano scarsamente conosciute, come lo erano i principi della aereodinamica al tempo di Leonardo, la natura può comunque dimostrare delle possibilità. Infine, quando sia la scienza che la natura evidenzino una possibilità, dovremmo prendere a cuore tale possibilità e produrre piani in conseguenza. |
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Il Passo Avanti degli Assemblatori |
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I fondamenti della scienza possono evolvere e modificarsi, tuttavia continueranno a sostenere un edificio stabile e crescente di pragmatica conoscenza ingegneristica. Alla fine, gli assemblatori permetteranno agli ingegneri di fabbricare qualsiasi cosa possa essere progettata, scavalcando i tradizionali problemi riguardanti i materiali disponibili e i metodi di fabbricazione. Già adesso, approssimazioni e modelli computerizzati permettono agli ingegneri di evolvere progetti anche in assenza degli strumenti richiesti per implementarli (9). Tutto ciò contribuirà a rendere possibile la previsione, e non solo. |
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Al progredire della nanotecnologia, giungeranno tempi in cui gli assemblatori cominceranno a delinearsi come una prospettiva imminente, sostenuta da seri e ben finanziati programmi di sviluppo. Le loro capacità, da ipotetiche quali sono, diverranno ben chiare. |
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Per allora i sistemi di progettazione molecolare assistita dal computer, che già oggi iniziano a comparire, saranno diventati comuni e sofisticati grazie alla spinta impressa loro dai progressi nelle tecnologie dei computer e dalle crescenti necessità degli ingegneri molecolari(10). Utilizzando questi strumenti di progetto, gli ingegneri saranno in grado di progettare i nanosistemi di seconda generazione, inclusi gli assemblatori di seconda generazione che dovranno costruire tali nanosistemi. Inoltre, lasciando margini abbastanza ampi per tener conto di inaccuratezze (e preparando progetti alternativi), gli ingegneri saranno in grado di progettare molti sistemi che funzioneranno subito, ossia appena costruiti per la prima volta. Gli ingegneri avranno evoluto progetti fondati in un mondo di molecole simulate. |
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Consideriamo la forza di questa situazione: in fase di sviluppo ci saranno i più grandi utensili della storia, un autentico sistema di fabbricazione generale capace di costruire qualsiasi cosa si possa progettare - e per di più un sistema di progettazione che può stare in un'unica mano. C'è qualcuno che attenderebbe fino all'apparire degli assemblatori prima di iniziare a pianificare sui modi di utilizzarli? O le compagnie aziendali e le nazioni risponderanno alla pressione esercitata dalla presenza di nuove opportunità e nuove competizioni progettando in anticipo dei nanosistemi, al fine di accelerare lo sfruttamento degli assemblatori non appena questi arrivino? |
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Pare certo che questo processo di progettazione anticipata (11) si verificherà; il solo interrogativo residuo è quando partirà e quanto andrà lontano. Anni di tranquillo progresso progettuale potrebbero erompere, all'alba del passo avanti tecnologico degli assemblatori, nell'apparizione di nuovo hardware con una repentinità senza precedenti. Quanto bene progetteremo in anticipo e che cosa progetteremo, potrebbero determinare se sapremo sopravvivere e prosperare, o se cancelleremo noi stessi. |
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Poiché il passo avanti tecnologico degli assemblatori influenzerà quasi l'intero corpo della tecnologia, la sua previsione è un compito enorme. Dell'universo dei possibili dispositivi meccanici, Leonardo poté prevederne solo qualcuno. Analogamente, del ben più vasto universo delle tecnologie future, le menti moderne possono prevederne poche. Ma anche la visione anticipata di qualche progresso, sembra comunque essere di basilare importanza. |
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Tecnologia medica, frontiera spaziale, computer avanzati, e nuove invenzioni sul piano sociale, promettono tutte di giocare ruoli interdipendenti. Ma il rivoluzionario passo avanti degli assemblatori influenzerà tutte queste cose, e molte altre. |
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