La cellula vivente rappresenta una delle sfide più affascinanti per la fisica contemporanea: un sistema che consuma energia, si auto-organizza e mantiene uno stato di equilibrio dinamico in modi che i tre principi della termodinamica classica faticano a descrivere completamente. Un team di ricercatori tedeschi sta ora esplorando se sia necessaria una nuova legge termodinamica – una sorta di quarto principio – specificamente dedicata ai sistemi biologici, capace di quantificare con precisione quanto le cellule viventi si discostino dall'equilibrio termodinamico. Il punto di partenza è una constatazione fondamentale: mentre la termodinamica tradizionale offre strumenti consolidati per descrivere sistemi idealizzati di particelle, le cellule con le loro reti molecolari interconnesse e i loro meccanismi di feedback attivi potrebbero richiedere un quadro concettuale radicalmente diverso.
N Narinder ed Elisabeth Fischer-Friedrich dell'Università Tecnologica di Dresda hanno condotto una serie di esperimenti utilizzando cellule HeLa, una linea cellulare umana di origine tumorale ampiamente impiegata nella ricerca biomedica. Queste cellule, prelevate senza consenso dalla paziente afroamericana Henrietta Lacks negli anni '50, rappresentano ormai uno standard sperimentale consolidato. I ricercatori hanno bloccato chimicamente le cellule durante la divisione cellulare, nella fase di telofase, e hanno utilizzato un microscopio a forza atomica per sondare con precisione nanometrica le fluttuazioni della membrana cellulare esterna, osservando come la punta dello strumento oscillasse in risposta ai movimenti molecolari.
La proprietà fondamentale che distingue i sistemi biologici da quelli inanimati è la presenza di un set point, un valore di riferimento interno paragonabile a un termostato biologico. Le cellule non si limitano a rispondere passivamente alle perturbazioni esterne, ma implementano meccanismi di feedback che le riportano costantemente verso questo stato preferenziale, garantendo così la continuità delle loro funzioni vitali. Questo comportamento teleonomico – orientato verso uno scopo come la sopravvivenza e la proliferazione – non trova un'adeguata rappresentazione nei concetti termodinamici classici sviluppati per sistemi inerti.
Manipolando specifici processi cellulari, come la trasformazione morfologica di determinate molecole o il movimento di proteine specifiche, il team ha verificato che il concetto di "temperatura effettiva" – tradizionalmente utilizzato per descrivere sistemi fuori equilibrio come una pentola d'acqua riscaldata – si rivela impreciso quando applicato alle cellule viventi. Questa grandezza, pensata per catturare analogicamente l'aumento di temperatura in sistemi portati fuori dall'equilibrio, non riesce a descrivere adeguatamente la complessità del non-equilibrio biologico.
I ricercatori hanno invece identificato nella asimmetria di inversione temporale una misura più efficace per quantificare il grado di disequilibrio dei sistemi viventi. Questo parametro valuta quanto un processo biologico – ad esempio, molecole che si aggregano ripetutamente in strutture complesse prima di dissociarsi nuovamente – differirebbe se venisse osservato scorrendo all'indietro nel tempo anziché in avanti. Come spiega Fischer-Friedrich, questa proprietà potrebbe essere intrinsecamente legata alla natura finalistica dei processi biologici, che perseguono obiettivi specifici anziché evolvere casualmente.
Chase Broedersz della Vrije Universiteit di Amsterdam sottolinea l'importanza pratica di questi risultati: sappiamo che in biologia molti processi dipendono crucialmente dal fatto che il sistema sia fuori equilibrio, ma è fondamentale quantificare con precisione quanto un sistema si discosta dall'equilibrio. Lo studio, a suo avviso, identifica strumenti preziosi per raggiungere questo obiettivo. Anche Yair Shokef dell'Università di Tel Aviv evidenzia l'originalità metodologica della ricerca: la capacità di misurare sperimentalmente e simultaneamente non solo l'asimmetria temporale ma anche diverse altre grandezze caratteristiche del non-equilibrio rappresenta un'innovazione significativa nel campo.
La strada verso una comprensione termodinamica completa della vita è ancora lunga. Fischer-Friedrich e il suo gruppo stanno ora lavorando all'identificazione di osservabili fisiologiche – parametri specifici misurabili nelle cellule – che potrebbero costituire il fondamento per formulare un principio termodinamico applicabile esclusivamente alla materia vivente, ai sistemi dotati di set point. Si tratterebbe di un'estensione concettuale della termodinamica, non di una sua negazione: così come il terzo principio ha completato il quadro teorico aggiungendo considerazioni sull'entropia allo zero assoluto, un eventuale quarto principio dedicato ai sistemi biologici integrerebbe i principi esistenti con concetti specifici per descrivere l'organizzazione attiva, il consumo energetico finalizzato e i meccanismi omeostatici che caratterizzano la vita.