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"Nota breve sulla Termodinamica dei Sistemi Complessi Viventi e un contributo alla lettura di due libri inerenti l’argomento" - PARTE SECONDA - 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.
Recensione 1 - "Evolutionary Essays. A Thermodynamic Interpretation of the Evolution” Ed.: ELSEVIER, First ed. 2008
Sven E. Jorgensen
Il libro inizia con una prefazione di Enzo Tiezzi “Thermodynamics’ Armony”, in cui sono citati alcuni versi di Lucrezio dal “De rerum natura” (disputa simpatica con il successivo preludio di Jorgensen con differente citazione dello stesso testo latino).
Tiezzi prosegue sintetizzando in tre passaggi gli argomenti ricorrenti nella descrizione della moderna fisica proposti dall’autore:
1 Everything is relative (A. Einstein)
2 Everything is uncertain (N. Bohr, W. Hisemberg and E. SchrÖdinger)
3 Everything is irreversible (Prigogine)
Entrando nel merito del libro di Jorgensen, si osserva che la struttura si presenta con tre Movimenti che comprendono paragrafi molto ben articolati:
- First Movement: Thermodynamics, Ecosystems and the Evolutionary Mechanisms
- Second Movement: History of the Biological Evolution from a Thermodynamic Point of View
- Third Movement: A Holistic Thermodynamic Interpretation of the Evolution
Il libro è interessantissimo ed è corredato da analisi, formule ed equazioni termodinamiche su ciascun argomento affrontato.
Per l’uomo di cultura generale la condizione di minima per avere una visione complessiva del percorso è di conoscere a grandi linee la termodinamica, l’evoluzione dei sistemi viventi e possedere qualche nozione sulle ere geologiche.
Per un lettore a specializzazione elevata il libro è fonte di riflessione e costituisce un serbatoio di aspetti interpretativi sulla fisica evolutiva che vanno ben oltre il consolidato. L'autore inoltre fornisce chiari riferimenti sulla biologia dei meccanismi evoluzionistici da un punto di vista termodinamico con uno spaccato dedicato all’energia degli ecosistemi.
Talvolta, dopo aver trattato un argomento in maniera scientificamente ineccepibile e innovativa, si pone anche interrogativi, cui fornisce sempre risposta, che possono sembrare retorici come, ad esempio, (nel primo movimento alle pagg. 27 e 59):
Why living systems have such a high level of Exergy?
Perché i sistemi viventi hanno un così alto livello di Exergia?
- What is life? Che cos'è la vita?
La sua risposta è così espressa:
- Most scientists would agree that life is:
La maggior parte degli scienziati potrebbe essere d'accordo che la vita è:
1. The ability to methabolite, that is to draw nutrients from the environment and convert it into energy, useful biochemical compounds and excretre waste products
2. The ability to reproduce
la prima (punto 1.) è una risposta veramente materialistica, mentre la seconda (punto 2.) si avvicina un po’ di più ad una visione umanistica e meno razionale. Giusto per rimanere sul concetto di vita, ancora Jorgensen si interroga e poi commenta a (pag. 59):
-Is the life a miracle? È la vita un miracolo?
Ed ancora :
-How can we explain the diversity of life – the biodiversity, which is rooted in the enormous variability of the life conditions in time and space? How can we explain the beauties of nature: the colour and pattern of butterflies, the spectacular colour symphony of a temperate forest at fall, the songs of the birds at dawn, he bright and soft skin of a polar bear and many more examples?
L'uomo di scienza quindi si lascia un piccolo spazio per la contemplazione della natura e cita poi una serie di condizioni che hanno consentito lo sviluppo della vita sulla terra aggiungendo, a questa complessità di fattori, l’evento dell’impatto umano in tale sistema complesso. -The human impact on natural ecosystems today adds to this complexity-.
Queste considerazioni permettono a Jorgensen di inserire uno dei suoi concetti più significativi: L'informazione quale elemento essenziale dell'evoluzione.
Tutto questo a conclusione di un capitolo che riguarda la termodinamica e i processi evoluzionistici in cui oltre al formulario è degno di osservazione il grafico (sotto riportato) sul trasferimento dell’informazione in un sistema complesso che cambia le proprie condizioni di sviluppo dinamico.
Proprio la quantità e i flussi d'informazioni sono accreditati da Jorgensen come primaria importanza per un'evoluzione obbligata e adattabile delle specie al mutare delle condizioni vitali. Nello schema Jorgensen illustra a grandi linee come le condizioni di vita siano correntemente cambiate e presentino un'alta variabilità nel tempo e nello spazio.
Questo fatto crea nuove sfide o problemi di sopravvivenza. Gli organismi possono adattarsi, così come una mutazione di specie può portare a una condizione di miglior sviluppo.
Ciò (scrive ancora l'autore) richiede un sistema che sia in grado di trasferire informazioni per il raggiungimento di buone soluzioni al fine di arrivare alla generazione di nuovi organismi.
Di conseguenza un sistema d'informazioni è molto benefico ma bisogna, oltre a questo, considerarlo come una nuova "costrizione" o obbligo che tuttavia apre nuove possibilità.
Questo vale anche per gli esseri umani che usarono (e usano) il linguaggio e la scrittura per trasferire informazioni in condizioni di evoluzione continua e lenta, ma quando essa procede a jumps tali sistemi si modificano e utilizzano quelle tecnologie nate da nuove costrizioni (Internet) o qualcos'altro ancora in divenire.
A proposito dell'adattabilità a nuove e stressogene condizioni di vita, Jorgensen ricorda come la FOTOSINTESI (argomento a me caro) delle crassulacee si attui attraverso un percorso diverso dalle altre piante e che consenta loro di sopravvivere in zone desertiche a elevate escursioni termiche.
Tale percorso fotosintetico è indicato nel CAM (Crassulacean Acid Metabolism) dove l'enzima RuBisCO è fondamentale per modulare le risposte all'intensità di luce e rallentare il metabolismo che conseguentemente produce pochissima BIOMASSA in tali condizioni.
Saltando al secondo movimento (pagg.95-134.)
"History of the Biological Evolution from a Thermodynamic Point of View"
E’ interessante osservare l'ottima capacità di sintesi che l'autore mostra nel descrivere il lungo percorso che parte dall'evoluzione dell'universo, dai procarioti agli eucarioti sino ai primati e all'uomo. Il suo taglio è sempre termodinamico e, infatti, aggiunge come sottotilo:"Eco-exergy as a Criterion of Selection in the Macroevolution".
Arriva a ipotizzare un'evoluzione di 100-200 milioni di anni per la fase da pro a eucariotica. Cita Geigy per una valutazione del flusso di densità di energia nella sintesi di polimeri organici da cellule primitive e anche fornisce calcoli sulla densità di flusso di eco-exergia, comprensiva dell'accumulo dell'informazione (vedasi pag. 111).
Quando si sofferma sull'organizzazione policellulare nel Cambriano (qualche bilione di anni fa), l'autore ci propone una visione legata all'associazione di più organismi unicellulari (polycellular organization) e della formazione di colonie. Un inizio di associazionismo in cui tutti possono trarre benefici di sviluppo e crescita. È probabile che in questa epoca (Cambriano) inizi anche quella forma di cooperativismo, oggi conservatosi nella simbiosi, come ad esempio nei licheni (argomento a me caro). Jorgensen individua in quattro situazioni il successo di questa fase evolutiva.
1) All participants in the colony must have some sort of benefit as a result of the colony.
2) Communication among the components is a prerequisite.
3) The energy efficiencies and/or mass efficiences are improved by the participation in colonies.
4) The colony offers better defence for the organisms.
A ben vedere questi prerequisiti di associazionismo evolutivo assomigliano molto a quelle caratteristiche sociologiche suggerite e necessarie oggi per un equilibrato sviluppo delle aggregazioni animali e umane, (seppure di nicchia).
In grande sintesi c'è da dire che lo sviluppo evolutivo proposto da Jorgensen ricalca tappe che vanno dall'epoca dei dinosauri a quella degli uccelli, mammiferi, scimmie, uomini e non introduce novità di rilievo rispetto ad altri autori moderni.
Terzo Movimento (pagg. 137-192)
"A Holistic, Thermodynamic Interpretation of the Evolution"
"Un'interpretazione Olistica della Termodinamica dell'evoluzione" è quanto di più difficile si possa illustrare a chi spesso si rifugia in interpretazioni riduzionistiche che tendono a frammentare i sistemi complessi sia viventi sia non. Jorgensen dedica molta attenzione all'aspetto olistico e, con particolare enfasi, si avvia a una lettura della Termodinamica con metodologia innovativa. Ogni riga, formula, grafico o tabella di questo capitolo pretendono dal lettore un'applicazione e concentrazione maggiore che non quella degli altri movimenti. Una frase, nell'introduzione di questo movimento, rende l'idea di ciò che Jorgensen vede: "The evolution in the thermodynamic interpretation may be considered a steady increase of eco-exergy by growth of the biomass, the ecological network and the information".
Gli incrementi di BIOMASSA, di network ecologico e d'informazione sono aspetti che appartengono alla crescita degli organismi viventi e della loro evoluzione. Ma non solo, se anche si tiene conto di quello che Jorgensen scrive alcune righe successive, sempre nell'introduzione, a pag.139:
"The next capter of this movement will look into the increase of biodiversity which is the prerequisite for the development/evolution of ecological network, because the more components that we have available to build an ecological network, the easier it is to build the ecological network. The concept of ascendency is developed to account for the organization of network".
Introduce quindi l'efficacia delle biodiversità nell'incremento del network ecologico dell'informazione e l'importanza dell' ascendenza (Ascendency) nell'organizzazione dello stesso network. Tale ascendenza A rappresenta l'informazione contenuta nel network e la sua formulazione matematica è la seguente:
Dove A è l’"Ascendency", TiJ è il flusso d'informazione dal compartimento i a quello j e Ti rappresenta il compartimento i così come Tj il compartimento j. mentre e T è la somma di tutti i flussi (Vedasi pag. 152).
Proseguendo a salti sul contenuto di questo terzo movimento, è interessante proporre uno dei tanti schemi di network tra Specie evolutive, utile a comprendere come possano esserci state interazioni di scambi di flussi di energia e informazioni nei milioni di anni di evoluzione sul Pianeta Terra fino alle primitive specie di pesci, come nel caso sotto riportato.
L'interpretazione del grafico (Fig.15.13) fornisce solo un'idea della complessità dell'evoluzione orizzontale. Per comprenderla meglio è necessario porsi nelle condizioni di una lettura completa del capitolo. Motivi di opportunità consentono la descrizione di un solo esempio dell'intricata rete di scambio tra le varie specie comparse e illustrate in una ventina di grafici che relazionano energie e biodiversità in una temporalità di milioni di anni.
Il risultato di tutto questo è quantificato da Jorgensen in due tabelle che trattano di energia, ascendency, BIOMASSA e network.
Le tabelle 15.1 e 15.2 si riferiscono a periodi lunghissimi dell'evoluzione in cui eco-exergy, ascendency e BIOMASSA sono in progressivo aumento nel tempo e mostrano che la quantità di Eco-exergy da network incrementa enormemente, segno evidente del contributo ricevuto dall'immensità d’informazioni utilizzate.
È interessante osservare come l'incremento di Ecoexergia (di circa 400 volte), in entrambe le tabelle, può indurre a far pensare che l'informazione dovuta alle biodiversità abbia avuto un ruolo decisivo nello sviluppo del network durante 35 milioni di anni fa. Questo fatto è altrettanto evidente (Tabella 15.2.) se consideriamo il valore della BIOMASSA che mostra, appunto, un notevole incremento (100 vs 155). Desidero concludere il mio commento al libro con una frase che Jorgensen pone in Code 5 a pag.192 che, a buona ragione, un lettore potrebbe aspettarsela all'inizio e non alla fine di un così importante libro:
"The scope of the book is to quantify the evolution by a translation of Darwin's theory to Thermodynamics".
Cioè, che lo scopo di questo libro è di quantificare l'evoluzione mediante una traslazione della teoria di Darwin alla Termodinamica.
Ringraziamenti
Desidero ringraziare Elsevier's Science & Technology Rights Dept. in Oxford U.K. per il permesso accordato nel rendere pubblicate parti degli scritti, grafici e tabelle contenute nel libro di Sven Jorgensen qui riportate nel loro testo integrale.
Paolo Pasquinelli, biologo
Laboratorio di Ricerca Sociale, Dipartimento di Scienze Politiche e Sociali. Università di Pisa, Italia.