Teoria dei sistemi

I sistemi dei viventi sono sostanzialmente aperti in quanto, continuamente riforniti di materia ed energia , restituiscono prodotti non utilizzabili ed energia degradata a calore a bassa temperatura; sono sistemi complessi che si distinguono da tutti gli altri per il gran numero di variabili coinvolte intermedie tra quelle molecolari (regolate dalla indeterminazione) e quelle macroscopiche.

Si tratta di sistemi stazionari, sempre lontani dall' equilibrio, che possono passare da uno stato stazionario ad un altro e devono essere costantemente riforniti di energia.

Prigogine teorizza sistemi aperti lontani dall' equilibrio termodinamico in grado di generare strutture dissipative in opportune condizioni, sottolineando la necessità del carattere non lineare della transizione e l' importanza delle fluttuazioni per il raggiungimento di uno stato stabile diverso dall' equilibrio termodinamico.

Secondo Prigogine tanto più vi è lontananza dall'equilibrio tanto più la materia è attiva "la materia è cieca in prossimità dell'equilibrio, ma lontana dall' equilibrio comincia a vedere"

L' esempio più semplice e forse studiato è quello di un sistema chimico:

[ A] «[ X] «[ F] all'equilibrio le transizioni in tutti i versi si equivalgono

Se si opera all'interno di un reattore chimico ,attraverso flussi di materia , possiamo fissare i valori di concentrazione di [ A] ed [ F] nel modo opportuno. Cosa succede degli intermedi [X] ?

Essendo le reazioni chimiche in genere non lineari per ogni valore di [ A] ed [ F] esistono molte possibili soluzioni per la concentrazione degli intermedi e tra queste una sola corrisponde all'equilibrio temodinamico ed alla entropia massima , tanto più ci si allontana dall'equilibrio tanto più si producono fenomeni di reazioni oscillanti, strutture spaziali nuove, nuove organizzazioni spazio temporali dette strutture dissipative.
 
Nel punto di biforcazione corrispondente ad un determinato valore di [A]/[F] il ramo termodinamico definito a partire dalla concentrazione degli intermedi, diventa instabile, mentre diventa stabile una nuova soluzione (il ramo d)

In chimica le condizioni necessarie per la comparsa delle strutture dissipative sono essenzialmente: · Distanza critica dall'equilibrio al di sotto della quale il ramo termodinamico è stabile, senza biforcazione · Esistenza di tappe catalitiche Queste condizioni sono soddisfatte da ogni vivente, anche il più semplice in quanto gli enzimi assicurano una ricchezza di reazioni catalitiche senza eguali nel mondo inorganico.

Le biforcazioni sono origine di rottura di simmetria , autoorganizzazione delle strutture dissipative, la freccia del tempo svolge un ruolo essenziale nella formazione di strutture: i sistemi autoorganizzati sono capaci di adattamento, reagiscono a variazioni ambientali con una risposta flessibile alla perturbazione Ora i sistemi chimico-fisici sono sostanzialmente ripetitivi, quelli biologici hanno componenti non ripetitive (SNC non è un gas di neuroni)

SISTEMI VIVENTI

Consideriamo i casi più semplici come una popolazione di esemplari con 5000 geni strutturali ( pochi, come una Drosophila) con mediamente 2 alleli per ogni gene avrà un numero aploide di gameti 25000 cioè circa 101500 contro 1079 nucleoni stimati nell'universo dai cosmologi. Per una popolazione batterica c'è poca differenza, perciò il numero di genotipi possibili è sterminato rispetto al numero di individui di una popolazione.
Le proprietà della popolazione nascono dalle interazioni e relazioni delle parti tra loro e con l'ambiente, sono frutto di sistemi biochimici complessi che lavorano lontano dall'equilibrio, le novità che emergono nelle diverse condizioni possono generare variazione. Nei sistemi viventi, ci sono diversi tipi di instabilità sostanzialmente chimica, instabilità causate da circuiti autoregolativi catalitici capaci di agire con meccanismo feedback negativo o rafforzativo, instabilità che possono spingere i sistemi stessi ancora più lontani dall'equilibrio fino ai limiti di stabilità con biforcazioni caratterizzate da nuove strutture, le cui forme spontanee generano evoluzione. In questa visione la forza della evoluzione non è tanto rappresentata da eventi fortuiti, ma dalla tendenza intrinseca dei sistemi viventi a dare manifestazioni di ordine entro sistemi complessi. Ad esempio le popolazioni batteriche, uniche forme di vita sulla terra per più di 2 miliardi di anni, hanno inventato le biotecnologie essenziali. La mutazione genetica è sicuramente fattore evolutivo, ma la frequenza spontanea è bassa. I batteri hanno sperimentato altre strade efficaci, infatti un certo numero di elementi genici entrano ed escono dal cromosoma batterico influenzandone sia la struttura che la funzione (DNA ricombinante, plasmidi, fagi) e questi frammenti possono essere scambiati spontaneamente e liberamente in una rete globale di scambi di grandissima efficacia. L'efficacia di queste forme di autoorganizzazione è più importante per l'adattamento che la mutazione, vedi ad esempio la resistenza agli antibiotici. Perciò la modifica di tappe catalitiche in un sistema di non equilibrio può portare a tante soluzioni- strategie possibili, di cui alcune possono coevolvere con il contesto. Anche per i cromosomi eucarioti, così come per quello batterico, si sono dimostrati fenomeni di riaggiustamento, delezione, giunzione ecc, quindi possibilità evidenti anche in ontogenesi di adattamento. Ad esempio i linfociti contengono i geni che codificano per gli anticorpi . Non ci sono abbastanza geni per codificare per tutte le proteine o tutti i glucidi potenziali antigeni. Le IG sono costituite da catene polipeptidiche con una regione costante, selezionata per filogenesi e regioni variabili, selezionate in ontogenesi, tenute insieme da segmenti di giunzione, i geni che codificano per i filamenti risultano assemblati casualmente, ma possono anche essere spostati e riordinati a partire da minigeni, oltre 100 per le reg. variabili, 12 per quelle di diversità, 4 per le giunzioni . Durante la maturazione del sistema immunitario ogni cellula riarrangia casualmente, per spostamento, questi minigeni con 4800 possibili varietà di catene lunghe e 400 combinazioni fondamentali per quelle più corte. La diversità di catene pesanti e leggere fornisce la possibilità di 4800 x 400 diverse classi di anticorpi, incrementate ultreriormente dalla attività catalitica di aggiunta di segmenti di DNA nelle regioni variabili. Sistema complesso lontano dall'equilibrio, presenza di fluttuazioni entro una dinamica non lineare, catalisi sono perciò anche i parametri che permettono di capire come la funzione ( resistenza al non self) sia un successo evolutivo. Le proprietà del sistema immunitario non si possono comprendere attraverso l'analisi delle singole parti, sono proprietà del tutto che nessuna delle sue parti possiede, la ricerca si incentra non sui mattoni, ma sui principi di organizzazione, in quanto le proprietà generali nascono da interazioni e relazioni tra le parti. Ad ogni livello di complessità dei sistemi esistono proprietà non osservabili ai livelli inferiori. E si tratta sempre di sistemi complessi di non equilibrio. Analogamente si può ragionare per il cervello: non è possibile comprenderlo completamente con una specie di ingegneria al contrario, considerando le sue componenti o spezzando il suo codice.
"…non è una macchina, né l'implementazione di un programma per computer. ….è invece un sistema selezionistico, in cui la selezione agisce sulle variazioni nel tempo somatico, ovvero nel corso della vita di un individuo …" (G.Edelman)
Infatti i SN individuali mostrano una enorme variabilità strutturale e funzionale a livello molecolare, anatomico, comportamentale. L'enorme ricchezza e complessità di interazioni possibili non può essere imputabile ad una serie di informazioni codificate, un hardware adeguato . La selezione all'interno di popolazioni di neuroni ha ruolo chiave nello sviluppo della funzione. la variazione non è rumore, sovrapposto a procedure programmate. Ad esempio l'evoluzione di un gran numero di neurotrasmettitori aumenta di molto il numero di circuiti possibili all'interno di una data rete anatomica: base necessaria per gli eventi di selezione. Il mondo inoltre degli stimoli e delle esperienze dopo la nascita non puiò essere descritto adeguatamente come informazione preesistente, pronta ad essere elaborata. Occorre una alternativa all'istruzionismo = TNGS , popolazionistica come quella clonale di Burnett. La capacità di un organismo di categorizzare in un mondo privo di etichette e di comportarsi in modo adattativo non nasce da istruzioni trasferite, ma da processi di selezione basati su variazione/ fluttuazione. Secondo TNGS nel cervello avviene una continua generazione di diversità, con processi di selezione attivi a livelli diversi. Nell'embrione e nello sviluppo variazione e selezione agiscono durante la migrazione di neuroni, la morte cellulare, la formazione di sinapsi: nel corso dello sviluppo la perdita di sinapsi è incredibile. Nell'adulto selezione e variazione determinano l'amplificazione differenziale della efficacia delle sinapsi, con integrazione tra mappe.

Selezione durante lo sviluppo


Diversità strutturali dei SN sono frutto di maturazione epigenetica, non rigidamente programmati dal codice. Molecole morforegolatrici: CAM e SAM regolano migrazione e adesione, divisione, morte cellulare estensione e contrazione dei prolungamenti. Influenzano pertanto le interazioni cellulari. Molecole sottoposte a vincoli locali epigenetici. Inevitabile la diversità (repertori primari)

Selezione durante l'esperienza


Una volta formatasi la rete dei repertori primari, le attività di gruppi di neuroni attivi continuano as essere selezionate dinamicamente per mutamento sinaptico legato a comportamento ed esperienza, per amplificazione di popolazioni di sinapsi attraverso il rafforzamento o indebolimento , senza grandi mutamenti anatomici. I segnali ambientali, le esperienze selezionano perciò altre popolazioni (repertori secondari)

Segnalazione rientrante


La categorizzazione degli stimoli originati nel mondo non è presente prima della selezione dei gruppi di neuroni, ma se le correlazioni neuronali devono garantire un comportamento adattativo, devono riflettere le proprietà spazio-temporali del mondo reale. Ciò si ottiene con segnalazione-mappatura rientrante. Segnali tra recettori e SNC permettono di garantire la regolarità spazio temporale. La coordinazione tra mappe diverse è possibile attraverso scambio e correlazione di segnali tramite rientro, una sorta di segnalazione parallela, bidirezionale e ricorsiva tra gruppi di neuroni tra corteccia e corteccia, tra corteccia, gangli basali e cervelletto. Il rientro è diverso dal feedback per lo più utilizzato in biotecnologie naturali per correggere errori. Il rientro in parallelo agisce attraverso connessioni ordinate nel tempo: la attivazione simultanea di gruppi neuronali nella mappa per un definito stimolo sommati agli effetti di precedenti rientri aumentano la probabilità di rafforzare alcune connessioni tra gruppi instaurando una correlazione.

Pertanto