Immagina di poter smettere di essere a misura d'uomo per un po' e rimpicciolirti fino alle dimensioni di un batterio, circa un milionesimo della tua statura attuale. A questa scala, smetteresti di essere vincolato dalla gravità e scopriresti invece che la viscosità è il fattore dominante, facendo sembrare l'aria più simile a nuotare attraverso una palude cupa.

Orde dei tuoi compagni batteri ronzano oltre, alimentati da motori rotativi reversibili che li spingono fino a 20 volte la loro lunghezza del corpo al secondo. Questo è il tipo di velocità che, relativamente parlando, avresti bisogno di un motore per raggiungere nel mondo umano.

Il cibo è facile da trovare; i nutrienti atterrano semplicemente sulla tua superficie tramite diffusione molecolare. Altri aspetti della vita batterica sono forse più familiari:batteri, proprio come creature più grandi, sono cacciati dai predatori e afflitti da agenti patogeni.

Questi universi di Tom Thumb non hanno molto senso per noi umani, che sono più abituati a trattare con le cose che possiamo vedere e toccare. Infatti, eravamo ignari del mondo microbico fino a quando Robert Hooke inventò il microscopio nel 1665, un'impresa resa possibile dall'avvento del vetro di alta qualità e dalla scienza emergente dell'ottica.

La vita è piena di sorprese

Da quel risveglio scaturì una comprensione della pura complessità della vita. È qualcosa con cui stiamo ancora lottando oggi, come dimostra il fatto che un cucchiaino medio di acqua, il suolo o il ghiaccio pullulano di milioni di microbi che non sono mai stati contati o nominati.

Questa vertiginosa diversità si guadagna da vivere in ogni angolo immaginabile della Terra. Nella tua bocca ce ne sono fino a 100, 000 batteri solo su ogni dente. C'è un vero e proprio zoo batterico che banchetta con i nostri depositi giornalieri sulle ringhiere dei treni e degli autobus, sedili e altri accessori, per non parlare dei batteri carnivori.

Questo è abbastanza difficile da farti girare la testa, ma resta con noi mentre scendiamo in un molto più piccolo, un'arena più complessa e complessivamente più strana.

Ancora più piccolo

Giù alla scala frequentata da particelle subatomiche, la viscosità non viene presa in considerazione:le cose sono orchestrate da principi quantistici in cui la causalità, località e realismo sono fuori dalla finestra.

Qui, a soli femtometri, o milionesimi di miliardesimo di metro, le particelle come gli elettroni non sono particelle nel senso tradizionale. Possono effettivamente trovarsi in più punti (e muoversi in più direzioni) contemporaneamente e comportarsi come onde, una proprietà che ha aperto la strada ai microscopi elettronici.

Questo potrebbe non sembrare più tangibile o rilevante degli scarabocchi sulla lavagna di un fisico, ma l'evidenza della sua realtà è lì da vedere, sia sotto forma di dimostrazioni sperimentali di effetti particelle-onda che nella gamma della moderna tecnologia che utilizza effetti quantistici come orologi atomici o altre pratiche, se spaventoso, usi.

Forse un giorno presto avremo anche computer quantistici (basta chiedere a Justin Trudeau, anche se in verità lotta anche con i dettagli).

Processi viventi su scala subatomica

Ma cosa c'entra la fisica quantistica con gli esseri viventi?

Mentre i microscopi convenzionali mettevano a fuoco la scala micrometrica (seguita dalla versione elettronica, che estendeva la risoluzione di diversi ordini di grandezza), qui nel 21° secolo possiamo scrutare la scala atomica dei nanometri, o miliardesimi di metro, grazie ai laser a raggi X.

Questa tecnologia ha già registrato alcuni scorci spettacolari sui processi molecolari che sono alla base di alcune delle funzioni più basilari della vita, come la fotosintesi e il rilevamento della luce.

I filmati realizzati con l'imaging a raggi X di istantanee (che può richiedere fino a 100 trilioni di immagini al secondo) mostrano il funzionamento interno della macchina molecolare durante la fotosintesi, un processo in cui gli atomi di magnesio, circondato da proteine, dividere l'acqua e digerire l'anidride carbonica come cibo in tutte le piante verdi. La natura usa questo stesso meccanismo, in combinazione con reazioni di trasferimento di elettroni, per generare praticamente tutto l'ossigeno respirato sulla Terra.

Film simili mostrano cosa succede quando la luce colpisce la retina e interagisce con una proteina fotosensibile.

Ciò equivale a qualcosa di più di una semplice curiosità:l'imaging in questo modo può fornire informazioni su un'ampia gamma di molecole importanti dal punto di vista biologico e farmaceutico, che a sua volta può potenzialmente aiutare nello sviluppo di farmaci più efficaci. E questo per non parlare delle implicazioni per l'ecologia nell'arrivare a una comprensione a grana fine della fotosintesi, la sala macchine del regno vegetale e le miriadi di creature che dipendono da esso.

Queste tecnologie mettono a nudo le intricate connessioni tra processi subatomici ed ecologici.

Un'intera nuova industria costruita su piccoli

Il campo in rapido sviluppo della nanoscienza e della tecnologia - un'ulteriore derivazione dai principi quantistici - ha dato origine a non mancano i potenziali usi. Ciò include la promessa della nanobiotecnologia di sviluppare nuovi, farmaci più efficaci per condizioni come l'ipertensione, assistita dalla visione di queste molecole offerta dai laser a raggi X.

Poi c'è la bionanoscienza più proattiva che mira, tra l'altro, per simulare i meccanismi biologici in modo così accurato, ora puoi fare una passeggiata virtuale attraverso una cellula cancerosa mentre viene affrontata da nanoparticelle contenenti farmaci.

Stiamo quindi entrando nell'era della "produzione molecolare". E all'orizzonte ci sono i "nanobot", cavalli da lavoro su scala molecolare abbastanza piccoli da manipolare i processi molecolari all'interno delle cellule. Forse un giorno questi saranno abbastanza sofisticati da somministrare farmaci a specifici siti molecolari o persino eseguire interventi chirurgici.

La forza invisibile

Questi non sono progetti con cui gli umani possono interagire direttamente, non da ultimo perché stanno funzionando in un ambiente che possiamo a malapena iniziare a immaginare data la nostra scala metrica, realtà di senso comune. Ciò significa anche che se questi processi avessero un rovescio della medaglia dannoso, non sappiamo molto su come affrontarli.

Sosteniamo la scala dimensionale, abbiamo procedure come valutazioni di impatto ambientale, gestione del prodotto e test tossicologici. Come si adattano questi concetti, se non del tutto, con l'avvento delle strutture molecolari nanoingegnerizzate? È del tutto possibile che i nostri contenitori per rifiuti elettronici nei centri di riciclaggio (o anche nelle discariche) possano un giorno trovarsi pieni di nanostrutture ingegnerizzate con conseguenze ambientali sconosciute.

Questo è forse fantasioso, ma ci sono comunque potenziali problemi con le nanoparticelle a base minerale già presenti nei cosmetici, vernici, abbigliamento e altri prodotti. Alcuni hanno percorsi ben definiti nel mondo esterno, andando dalle nostre docce e lavandini per sgattaiolare attraverso gli impianti di depurazione. Quello che potrebbero fare dopo essere "divenuti selvatici" nei corsi d'acqua e nel suolo è indovinato da chiunque, sebbene qualche indicazione possa provenire dai loro fratelli maggiori come limi fini o microplastiche, le cui superfici possono diventare portatrici di inquinanti sia inorganici che organici.

Questi problemi non sono attualmente scritti alla grande per l'industria dell'acqua. Anche i tanto decantati impianti di trattamento delle acque reflue di classe A trattano solo agenti patogeni, interessandosi poco ai nutrienti, sostanze chimiche, microplastiche o nanoparticelle.

Ma le dimensioni delle nanoparticelle, forma, superficie, l'aggregazione e il comportamento nell'ambiente più ampio rendono difficile concepire il modo migliore per regolarli. Inoltre, ci sono stati pochi studi normativi sulle nanoparticelle in cui il rischio e l'esposizione sono stati considerati insieme, quindi è difficile fornire una valutazione completa del rischio.

E queste sono varianti relativamente "inerti". La mancanza di conoscenza potrebbe diventare più pressante se i nanobot diventassero selvaggi.

Niente va via

Dovremmo essere abbastanza avanzati come società da capire che tutto ciò che produciamo deve essere considerato. Niente semplicemente "va via" - anche cose che sono troppo piccole per essere viste.

A differenza dello smog o dei rifiuti, questo è il modo, giù in quel mondo invisibile, rendendo difficile la formazione di un collegio elettorale politico attorno alla questione.

Ciò nonostante, progressi nella nostra comprensione delle profonde connessioni tra i processi su scala atomica e le molecole biologiche in quel minuscolo, piccolo mondo serve ad approfondire, se non trasformare, il modo in cui consideriamo i processi ecologici – e, di conseguenza, "esseri viventi", non importa quanto invisibile.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).