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"Nota breve sulla Termodinamica dei Sistemi Complessi Viventi e un contributo alla lettura di due libri inerenti l’argomento" - PARTE PRIMA - Paolo Pasquinelli -
Il presente articolo è già stato oggetto di pubblicazione preliminare nel "The Lab's Quarterly/Il Trimestrale del Laboratorio" 2009/n.2 ISSN 2035-5548 del Laboratorio di Ricerca Sociale presso il Dipartimento di Scienze Politiche e Sociali dell'Università di Pisa. Autorizzazione a replica del 16/02/2010. Riveduto e corretto il 19 Feb.2010.
Nota breve sulla termodinamica dei sistemi complessi viventi
La “lettura della Vita” è, in questo periodo, uno tra gli argomenti che più si presta allo studio Termodinamico comparato sia che si consideri immodificabile la valenza assoluta dei Principi, sia che se ne proponga una diversa lettura piuttosto che un’implementazione degli stessi.
A ben vedere, in una precedente pubblicazione (1), di cui sono il secondo coautore insieme a U.Mastromatteo e A.Giorgetti (2007) furono affrontati studi su sistemi complessi di microstrutture artificiali e di organismi viventi comparati e mediati da informazioni.
Questi particolari argomenti hanno permesso di elevare i contenuti della comparazione fino a proporre una loro interpretazione che potrebbe discostarsi dal Secondo Principio della Termodinamica in ragione del fatto che a minimi input energetici sembra corrispondere una restituzione in prodotti sia tecnologici sia vitali di valenza molto superiore.
Ciò ha avuto il pregio immediato di attivare un “dibattito aperto” tra uomini di Scienza che perdura su canali anche informali (m-list).
Del tutto recentemente, in uno di questi messaggi, ho ricevuto un commento da parte di un ricercatore di un network scientifico che suona così:
We all know that there are limits to the second law :-) .
Segno evidente che non siamo soli ad avere l'esigenza di pensare ad un superamento del secondo principio.
Poi, prendendo “la fotosintesi” quale esempio tra i fenomeni viventi complessi, lo scrivente P. Pasquinelli (2008), in un proprio articolo (2) sulla simbiosi lichenica, introduce un parametro aggiuntivo al BILANCIO ENERGETICO: la Qualità.
L’articolo, infatti, tratta della “Qualità” e fa riferimento alla visione di Odum (1994) nel suo iter sugli “Integrativi Approcci della Termodinamica” (3).
Quest’aspetto è riscontrabile sin dai lavori di Patterson M.G. (1983), (4), di M. Patterson (1998), (5) e di Giannantoni (2006-2007) che v’introduce il calcolo delle “derivate incipienti” (6), (7), (8).
I metodi e i calcoli di questi autori sono proposti e utilizzati per studi di flussi d’energia in ecosistemi.
A proposito di questi flussi rimane sempre aperto il “paradosso entropico” ovvero [l’ENTROPIA dei flussi come grandezza evolutiva, al contrario dei flussi di energia e di materia considerati grandezze conservative].
Tale paradosso, citato anche da E.Tiezzi nel suo libro “Verso una fisica evolutiva” (9), è così descritto:
- Come può l’entropia, essere calcolata soltanto sulla base di quantità energetiche e di massa? -.
La risposta ce la fornisce lo stesso autore:
- Non ci resta che prendere atto che il punto di vista ecodinamico è diverso da quello della fisica classica e dell’ecologia classica.
Giova ricordare che nel caso di flusso di energia nell’organizzazione di un processo o sistema vitale quale la FOTOSINTESI si ravvede una diminuzione di ENTROPIA che corrisponde a un maggior utilizzo delle informazioni a disposizione del sistema, negative entropy, -S (negentropy).
Si potrebbe aprire un capitolo sul sistema isolato che riceve energia dall’esterno e sul tempo di raggiungimento di un equilibrio, ma la situazione si presenta alquanto complicata ed è preferibile rimandare il lettore ad altri lavori più specialistici.
Invece, quello che per me può essere un’occasione di studio successivo è l’aver individuato come nuovo target l’intermittenza delle informazioni, o meglio l’uso intermittente delle informazioni che compie un organismo unicellulare (microsistema) nei momenti di attivazione o disattivazione genetica durante un processo vitale complesso (ad es. la fotosintesi).
A questo punto, occorre precisare che anche in un ECOSISTEMA (macrosistema) la valutazione della sostenibilità (10), (P.P. Franzese et al. 2009), non può prescindere dallo studio della dinamica dei flussi di energia, della diversa capacità di compiere lavoro e dall'informazione.
La sottigliezza di distinguere un JOULE dipendente dalla sua origine (solare o meccanica) non è certo un sofisma. Infatti, il JOULE solare (seJ) possiede, secondo Odum, qualità più elevata rispetto all’altro tipo di JOULE meccanico (N·m, W·s).
Per definizione quindi il JOULE solare è chiamato solar emergy JOULE o solar equivalent JOULE ed è rappresentato come l’unità di misura della grandezza estensiva Emergia.
Quest’ultima viene espressa come la quantità di energia solare che è necessaria direttamente o indirettamente per ottenere un prodotto o un flusso di energia in un dato processo (Odum, 1996).
Altro aspetto che consente di uscire dagli schemi classici della termodinamica è quello dell’Exergia-Anergia che si affianca al concetto di entropia-energia libera, in ecosistemi isolati che raggiungono un equilibrio con l'ambiente.
Infatti, la possibilità di una lettura diversa è quella di considerare l'Exergia come una buona misura della creatività (S.E.Jorgensen 2008), (11).
La posizione che intendo esprimere dunque è quella che nei sistemi complessi viventi le scelte derivate o prodotte dalle informazioni, i percorsi di associazione, le attivazioni, i flussi energetici, dalla qualità e tutti gli altri aspetti di specializzazione e adattamenti evolutivi richiedano una visione che vada oltre la Termodinamica classica.
In altre parole: che sia possibile l’introduzione di nuovi e diversi elementi di discussione sull’applicabilità, ai sistemi viventi, di quei Principi classici della Termodinamica già consolidati.
Oltre ciò, è mia opinione che sarebbe opportuno porre una particolare attenzione all’aspetto della quantità d’informazioni necessarie per lo sviluppo (la sua misura la si ritrova nell'equazione di Kullback), l’evoluzione e l’armonizzazione dei sistemi complessi viventi; aspetti questi che furono già attesi da Boltzman.
Allo stato attuale ciò avrebbe bisogno di una rivisitazione se si tiene conto dell’incremento dinamico delle informazioni ricevute ed elaborate dalle cellule attraverso il DNA e alle sue evolutive mutazioni (12) così come ripreso da Kurzynski (2006).
A tal proposito (evolutivo) un autore (A. Bennici, 2008) affronta nel suo lavoro (13) la parte più antica dell'evoluzione delle piante sulla terra e attribuisce alle alghe unicellulari con ciclo aplo-diplonte una posizione primaria nella FOTOSINTESI per potenzialità di sviluppo e scambio d'informazioni.
Tornando alla termodinamica non è poi così raro che alcuni principi fisici ormai consolidati siano implementati, ricevano “contributi” o addirittura talvolta vengano considerati violati da parte di alcuni scienziati.
A conferma di ciò, è di qualche mese fa l’annuncio di una presunta violazione della legge di Planck (corpo nero) in situazioni di distanze misurabili in nanoscala da parte di un gruppo di ricercatori del M.I.T. (Sheng Shen et al. 2009), (14).
Altrettanto dicasi per le discussioni sulla concezione del tempo nelle dinamiche reversibili microscopiche e irreversibili macroscopiche (I.V.Volovich 2009) (15).
Ecco che, per una ragionevole e più approfondita conoscenza della questione concernente la “Termodinamica dei Sistemi Viventi”, cui ho accennato all’inizio, è stato inevitabile imbattermi in due libri, che hanno stimolato la mia attenzione e poi sollecitato la richiesta di recensione da parte del Laboratorio di Ricerca Sociale dell’Università di Pisa:
- Sven E. Jorgensen . " Evolutionary Essays: A Thermodynamic Interpretation of the Evolution”. Ed.: ELSEVIER, First ed.2008. (Vedi PARTE SECONDA)
- Michal Kurzynski. “The Thermodynamic Machinery of Life” Ed.:Springer. 2006 (Vedi PARTE TERZA)
Bibliografia
(1) U.Mastromatteo, P.Pasquinelli, A.Giorgetti.“Thermodynamics, Information and Complexity in Artificial and Living Systems”. International Journal of Ecodynamics. Vol.2-N.1, 2007, 39-47
(2) P.Pasquinelli. “Some Aspect of the Quality in a Living System. A Preliminary Approach: "The Lichen Symbiosis". ISA-RC33. “7th International Conference on Social Science Methodology”. UNINA-Campus Monte Sant’Angelo Naples, Italy, September 1-5, 2008
(3) Odum H.T. “Ecological and General Systems. An Introduction to System Ecology, 1994. University Press Colorado
(4) Patterson M.G. 1983.“Estimation of the Quality of Energy Sources and Uses”. Energy Policy 11,4, 346-359
(5) Patterson M. "Understanding Energy Quality in Ecological and Economic Systems: A Brief Explanation of QEM". Advances in Energy studies. Energy Flows in Ecology end Economy". Proceedings of VI European week of Scientific Culture. 22-28 Nov. 1998. Page. 257-274
(6) C. Giannantoni. “Introduzione alla Matematica dei Processi Generativi”. Biologi Italiani, anno XXXVII n.6. Giugno 2006. Ecodinamica pag. 47-57.
(7) C. Giannantoni. "Il Principio della massima potenza Emergetica come base per unaTermodinamica della Qualità”. Edizioni Serigraf 2006, Pescara.
(8) C. Giannantoni. “Armonia delle Scienze. La leggerezza della qualità”. Edizioni Serigraf 2007, Pescara.
(9) Enzo Tiezzi “verso una Fisica Evolutiva”. Donzelli Editore 15 Sett. 2006.
(10) P.P. Franzese, E.Buonocore, S. Mellino, S. Ulgiati. “La contabilità biofisica per la valutazione della sostenibilità ambientale dei Comuni italiani”. Biologi Italiani Anno XXXIX n.7, Luglio 2009.
(11) Sven E. Jorgensen, " Evolutionary Essays: A Thermodynamic Interpretation of the Evolution" ELSEVIER, first Ed. 2008.
(12) Michael Kurzynski "The Thermodynamic Machinery of Life". Springer 2006.
(13) A. Bennici. “Origin and early evolution of land plants”. Communicative & Integrative Biology 1:2, 1-7 Oct.Nov.Dec. 2008
(14) Sheng Shen, Arvin Narayanaswamy and Gang Chen. “Surface Phonon Polaritons Mediated Energy Transfer between Nanoscale Gaps”. Nanoletters 2009 Vol. 9, N.8, 2909-2913.
(15) Igor V. Volovich. “Time Irreversibility Problem and Functional Formulation of Classical Mechanics”. [Cond-math.stat-mech] 15 July 2009 http://arcxiv.org/abs/0907.2445v1
Paolo Pasquinelli, biologo
Laboratorio di Ricerca Sociale, Dipartimento di Scienze Politiche e Sociali. Università di Pisa, Italia.