Cristalli, informazioni e origine della vita

I cristalli sono tra gli oggetti più belli del mondo naturale. Sono ben capiti, usati ubiquitariamente e molto ammirati.

Eppure il modo in cui gli scienziati li definiscono è spettacolarmente noioso. L'Unione Internazionale di Cristallografia definisce i cristalli come strutture che producono uno schema di diffrazione con punti discreti.

In altre parole, questi oggetti sono definiti dal singolo processo utilizzato per misurarli. Se non produce il modello di diffrazione richiesto, non è un cristallo.

Oggi, Julyan Cartwright dell'Università di Granada in Spagna e Alan Mackay dell'Università di Londra nel Regno Unito sostengono che questa definizione è miope e inutilmente limitante.

Sottolineano che la convergenza di cristallografia, scienza dei materiali e biologia sta aprendo un nuovo approccio allo studio della struttura, della forma e della funzione. Questa nuova scienza non si occupa di forme statiche in equilibri stabili, ma di forme metastabili che sono alla mercé del panorama energetico in cui esistono e del flusso di informazioni da e verso l'ambiente.

Cartwright e Mackay danno come esempio la struttura della madreperla, il bellissimo biominerale iridescente che alcuni molluschi producono come rivestimento interno dei loro gusci.

Questa è certamente una struttura ordinata, simile a un cristallo, ma non una che produce il modello di diffrazione necessario per essere classificato come un cristallo.

Questo è il risultato della sua complessità. La madreperla è formata da strati di lastre esagonali di carbonato di calcio in una disposizione 'mattone'. Questi strati sono separati da fogli di biopolimeri, come la chitina.

Questa combinazione produce proprietà utili. I fogli organici impediscono la diffusione delle crepe mentre le piastrine forniscono resistenza. Quindi la madreperla è forte, resistente e bella.

Ma come descrivere e analizzare un materiale del genere? Cartwright e Mackay dicono che una considerazione importante è l'informazione che un mollusco usa per fare la madreperla; e questo è determinato dal suo genoma, proteoma e così via, che insieme chiamano conchome.

In qualche modo, da tutta questa complessità e autorganizzazione, emerge la madreperla. Nessuno è abbastanza sicuro di come.

Tuttavia, il loro punto chiave è che questa struttura è un fenomeno di informazione. E che questa informazione è una specie di algoritmo o formula per produrre madreperla, analogo a un algoritmo che produce le cifre del pi greco.

Solo una scienza che tenga conto di queste informazioni sarà in grado di fornire una descrizione completa della madreperla e di altri materiali simili, affermano Cartwright e Mackay.

Questo è un approccio interessante e ambizioso che ha il potenziale per cambiare profondamente il modo in cui gli scienziati dei materiali e i biologi pensano alla forma e alla struttura.

La cosa interessante è che un simile cambiamento nel modo di pensare alla forma e alla funzione sta emergendo anche nel campo completamente diverso della robotica e dell'intelligenza artificiale.

Per molti anni, i robotisti hanno tentato di copiare le abilità umane come camminare e correre, costruendo dispositivi con un processore centrale che controllava ogni aspetto del movimento.

Ciò richiedeva robot con sensori su ogni articolazione che inviassero segnali sullo stato di ciascun arto in ogni momento. Il processore centrale ha quindi deciso una strategia di movimento, ha calcolato una traiettoria per l'arto e quindi lo ha spostato di conseguenza. Questo è esattamente il modo in cui lo fanno gli umani. O così credevano.

Ma questo approccio fallisce in modo spettacolare perché il problema di coordinare tutte queste articolazioni diventa computazionalmente difficile quando le condizioni cambiano, ad esempio quando si cammina fuori o al piano di sopra o si fa jogging.

Quindi i roboticisti hanno dovuto abbracciare un nuovo approccio. Si scopre che gli esseri umani eseguono molte azioni così rapidamente che il cervello umano non può essere coinvolto. Il tensionamento, l'accelerazione e la decelerazione di muscoli, tendini e legamenti quando si salta da un muro, per esempio.

Tutti questi cambiamenti nelle proprietà dei materiali si verificano in un batter d'occhio senza alcun coinvolgimento del cervello. Invece, la struttura, la forma e le proprietà dei materiali stessi svolgono questo compito: l'intelligenza è incorporata.

In un certo senso, il cervello affida il controllo di questo movimento ai materiali stessi.

In effetti, i robotisti hanno iniziato a pensare a questo tipo di movimento come a un calcolo poiché può essere approssimativamente equiparato alla quantità di potenza di calcolo di cui un processore centrale avrebbe bisogno per svolgere un compito simile. E hanno iniziato a progettare robot basati su questo principio del cosiddetto calcolo morfologico.

Questo sta iniziando a rivoluzionare la robotica. Invece di robot controllati centralmente, gli ingegneri stanno costruendo robot in cui l'intelligenza è incorporata nella forma e nella forma della struttura. Questi possono svolgere compiti apparentemente complessi come camminare, correre e nuotare con poca o nessuna supervisione computazionale.

Un'intuizione chiave in tutto questo è stata una migliore comprensione del ruolo dell'ambiente. Metti un robot ambulante in una piscina ed è impotente. Quindi la forma e la forma da sole non conferiscono intelligenza: è l'interazione tra forma e forma e un ambiente particolare che è cruciale.

Il modo in cui le informazioni possono essere estratte dall'ambiente a volte è spettacolare. Un esempio è un apparentemente blob intelligente che può risolvere un labirinto . Ma ovviamente ogni labirinto codifica la sua soluzione nella sua struttura. Il trucco sta nel progettare un sistema semplice che estrae queste informazioni.

Questo elemento – il ruolo cruciale dell'ambiente – non è ancora fortemente presente nelle idee di Cartwright e Mackay. Sarebbero i primi a riconoscere che l'ambiente gioca un ruolo cruciale nella formazione di qualsiasi struttura cristallina o biologica.

Ma c'è un senso in cui i processi di cristallizzazione e autoorganizzazione sono come il blob che risolve il labirinto: il modello o la struttura è chiaramente il risultato di una sorta di estrazione o scambio di informazioni. Un simile approccio può anche gettare luce sull'origine della vita.

La chiave sarà comprendere e caratterizzare il rapporto tra l'ambiente, le strutture che in esso si formano e il flusso di informazioni che lo rende possibile.

E se cristallografi, scienziati dei materiali e biologi vogliono risolverlo, potrebbero fare bene a collaborare con i robotisti, gli ingegneri e i biologi evoluzionisti che stanno giocando con idee molto simili.

Rif: arxiv.org/abs/1207.3997 : Oltre i cristalli: la dialettica dei materiali e delle informazioni

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