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Nov
07
2012
1

Il fascino della timidezza

 

 

Era da tempo che l’osservavo ed era giunto il momento di documentarsi un po’.

Che la mimosa sia una pianta delicata – e per questo scelta a torto o a ragione come emblema della femminilità – lo si sa. Ma di mimose ce ne sono varie specie e quella che ho qui in laboratorio e che stiamo facendo germinare sotto delle belle lampade led a luce rossa e blu (vedi foto) è la mimosa pudica (comunemente “sensitiva”, o “humble plant” e “touch-me-not” – rispettivamente “pianta umile” e “non toccarmi”- in inglese). La mimosa pudica è una arbusto a vita breve appartenente alla famiglia delle leguminose. Può raggiungere 1 m in altezza e 2 m in larghezza. I suoi rametti sono corti e flessibili e supportano foglie con una o due paia di pinnae (la struttura di una pinna è mostrata nella figura in basso) ognuna delle quali supporta da 15 a 25 foglioline. Queste sono oblunghe e vanno da 3 a 12 mm di lunghezza. I fiori sono rosa e riuniti nella tipica ed elegante infiorescenza della mimosa.

 

Schema e parametri morfologici di una pinna di mimosa sensitiva. Fonte: Patil e Vaijapurkar (2007).

 

E’ facile trovare filmati in cui la mimosa pudica richiude e ritrae le sue foglie dopo uno stimolo tattile. Le immagini in rete di solito sono sorprendenti e la dicono lunga sull’eccitabilità delle piante, a lungo considerate prive dei sensi a cui noi siamo abituati (semplicemente perché sono quelli che usiamo e riteniamo prioritari e unici).

In natura, le foglie della mimosa sensitiva si chiudono rapidamente dopo il tocco di un parassita. Nel 1867, il botanico Wilhelm Hofmeister propose che I movimenti di acqua entro e fuori le cellule fossero alla base dei movimenti causati dal tatto delle foglie di mimosa. Wilhelm Pfeffer chiamò questi movimenti delle piante “tigmonastici”, cioè movimenti indotti dal tatto.

 

 

Molte leguminose (la maggior parte appartenenti ai generi Mimosa, Neptunia, Albizzia, and Samanea) mostrano movimenti tigmonastici dovuti a cambiamenti di turgore; questi sono il risultato di movimenti di acqua controllati dallo spostamento di ioni attraverso le membrane cellulari di particolari cellule appartenenti ad organi chiamati “pulvini”. Questi sono strutture specializzate presenti alla base del picciolo fogliare, in posizione ventrale e dorsale. Lo spostamento di ioni potassio (K+) e cloro (Cl-), ma anche di protoni (H+) e ioni calcio (Ca++), si accompagna allo spostamento di acqua per cui, quando si tocca la foglia, i pulvini dorsali si rigonfiano di acqua mentre si sgonfiano quelli ventrali. Viceversa quando la foglia è in posizione aperta (vedete la figura in basso).

 

Aperture e chiusura di una foglia di mimosa, con in evidenza il trasporto di ioni da e nelle cellule del pulvino. Fonte: Tauz and Zeiger (2002).

 

Lo stesso avviene, in mimosa ma anche in tante altre specie e soprattutto nei fiori, durante i movimenti nictinastici, cioè quando foglie e petali (anche essi alla fine delle foglie modificate, quindi non ci si deve sorprendere) si piegano e si richiudono durante le ore di buio. Questi movimenti sono molto più lenti di quelli tigmonastici, e oltretutto sono regolati da un orologio biologico,e per questo chiamati circadiani (dal latino circa diem, “intorno al giorno”). Anche le piante, per così dire, si addormentano come noi, magari sognando un mondo senza uomini disturbatori e taglialegna! Certo, alla base di questi movimenti e sonni ci sono segnali ambientali (prevalentemente la luce blu e rossa) e molecole (fitocromo e altre proteine ed enzimi dei fotosistemi) ma, se ci pensiamo, anche nell’uomo la situazione non è tanto diversa (mi viene in mente il ruolo dell’epifisi, della melatonina e della serotonina nei cicli veglia-sonno). Altri ricercatori hanno trovato un aminoacido, la glicina, sia coinvolto nel tigmotropismo della mimosa perché funzionerebbe come soluto osmoticamente attivo che richiama acqua nelle cellule dove viene prodotto e si accumula. Sembra anche che questo movimento richieda parecchia energia, perché in Arabidopsis thaliana (la pianta modello per eccellenza), la continua stimolazione delle foglie porta ad un ritardo dello sviluppo dei fiori, quasi la pianta aspetti tempi migliori prima di fiorire.

 

 

E ancora, il tigmotropismo di Mimosa è accompagnato da rapidi potenziali di azione (scariche elettriche simili a quelle che avvengono nelle nostre cellule eccitabili, come quelle nervose), i quali si propagano attraverso le cellule del floema (tubi cribrosi e cellule compagne) e i collegamenti tra cellule adiacenti (plasmodesmi). Questi potenziali si dirigono dalla foglia ai pulvini, dove si fermano di colpo, e viaggiano ad una velocità di circa 2 cm al secondo. Molto più lenti di quelli dei nostri nervi (decine di metri al secondo) ma pur sempre potenziali di azione simili ai nostri. Una questione ancora discussa è se le piante rispondano allo stimolo (tatto, temperatura, luce) con l’insorgenza dei potenziali di azione, o se questi siano una conseguenza dello spostamento di acqua (movimenti idraulici) tra i vari organi della foglia. Finora, gli indizi conducono più alla seconda ipotesi. Alcuni hanno trovato che l’acido 2,4-diclorofenossiacetico (un’auxina, cioè un ormone vegetale) è coinvolto nelle rapide variazioni della permeabilità delle membrane ad acqua e ioni, responsabili dei cambiamenti di turgore cellulare delle cellule dei pulvini (che a loro volta produrrebbero i deboli e lenti potenziali di azione osservati). Altra cosa interessante è che i pulvini in formazione non riescono a cambiare il loro turgore rapidamente, come avviene nei pulvini maturi (che diventano veri e propri “organi motori”), le cui cellule corticali hanno membrane ricchissime di acquaporine. Queste sono dei canali che si attivano e trasportano di acqua in risposta a precisi stimoli mediati da catene di fosforilazioni e defosforilazioni. Infine, da un punto di vista puramente meccanico, i movimenti tigmotropici della mimosa sono dovuti alla frammentazione dei filamenti di actina e dei microtubili durante i piegamenti fogliari, segno di una vera e propria riorganizzazione del citoscheletro delle cellule dei pulvini.

 

 

A ricapitolare la situazione, che almeno per me risulta un po’ complicata dopo tutte queste chiacchiere, ci hanno pensato Volkov et al. (2010). In base alla loro ipotesi, alcuni meccanosensori di membrana rileverebbero lo stimolo tattile, partirebbe così un potenziale di azione diretto al pulvino e trasmesso mediante le cellule del floema e i plasmodesmi. Il potenziale attiverebbe i canali di membrana per K+ e Cl- nel pulvino. Sarebbero questi canali lo “starter” per i movimenti di acqua (e di turgore) che si osservano. I flussi di ioni attiverebbero poi le acquaporine per fosforilazione e il passaggio di acqua, all’inizio più lento, diverrebbe così più veloce. A questo punto, i filamenti di actina cambierebbero la loro struttura e farebbero piegare le foglie. Più “chiaro” di così!

 

 

Se poi i potenziali siano anche mediati da sostanze chimiche e non solo elettro-meccaniche, ancora non ci è dato saperlo. Di sicuro ci sono però alcune evidenze curiose: sembra che estratti di mimosa siano in grado di indurre i potenziali in foglie di piante indotte e, inoltre, le foglie di mimosa contengono un aminoacido particolare (la mimosina) a concentrazioni molto alte (fino al 2-5% della sostanza secca). Ueda e Yamamura si sono sbizzarriti a trovare la sostanza che regola i movimenti delle foglie della sensitiva (in un lavoro parlano di “leaf-opening substance”, in un altro di “leaf-closing substance” ma, si sa, i dati devono sfruttati sempre al meglio!). Leggendo leggendo, ne viene fuori che i movimenti nictinastici (lenti e periodici) e tigmonastici (veloci e indotti) della mimosa sono regolati da differenti meccanismi. In base ai loro studi, nella mimosa, la mimopudina, è la responsabile dei movimenti nictonastici e agisce a concentrazioni molto molto basse (2 x 10-5 M), causando l’apertura della foglia di notte (nonché un’indicibile rottura di pxxxx per la mimosa). In altre specie nictinastiche, la mimopudina non funziona, anche se somministrata a concentrazioni più alte. La sveglia chimica è quindi specifica per la mimosa. La chiusura delle foglie di notte sarebbe invece provocata da un altro composto: il 5-O-β-D-glucopiranosilgentisato. Per quanto riguarda i movimenti tigmonastici rapidi, invece, il meccanismo sarebbe regolato da tre sostanze (si tratta di tre sali), che inducono la rapida chiusura delle foglie.

 

 

Come tutte le specie orientali, la mimosa pudica sembra avere innumerevoli virtù curative (non li tratto qui perché sono davvero tante e pubblicate in innumerevoli lavori). Le ipotesi sono quattro: o tutte le piante orientali sono curative, o gli studiosi orientali sono più bravi a studiare le proprietà curative delle loro piante, o forse siamo noi occidentali i meno capaci e interessati a trovarle, oppure, ancora, siamo scarognati e le nostre piante non sono curative! Altra piccola curiosità: la particolare geometria e la modalità di ripiegamento delle foglie di mimosa pudica, ottimamente plasmate dalla selezione naturale, sono considerate come modello per progettare strutture ingegneristiche efficienti, soprattutto nel campo dell’edilizia e della robotica.

Alla fine della giostra, a cosa servono questi adattamenti della mimosa pudica? Il tigmotropismo potrebbe essere una difesa contro gli insetti erbivori (si attiva con il contatto tra insetto e foglia; le foglie sembrano morte e risultano poco appetibili) o la perdita di nutrienti per dilavamento (anche le gocce di pioggia provocano la chiusura delle foglie), o il disseccamento (e qui entrerebbe in gioco la chiusura causata dalle alte temperature). Altro fatto molto bello che ho notato e che noterete bene nei video con in primo piano il mio dito importuno: il tigmotropismo funziona solo in seguito a colpi secchi e di una certa intensità, come quelli causati da una mandibola di un insetto erbivoro o di una grossa goccia di pioggia, altrimenti le foglie non si chiudono. Inoltre, sollecitando la foglia per più volte, questa si chiude sempre meno, fino quasi a non rispondere. Si tratterebbe quindi di un senso vero e proprio, molto simile al tatto umano, che si attiva solo al raggiungimento di una determinata soglia e provoca assuefazione se lo stimolo tattile esterno persiste. Infine, i cotiledoni, le prime foglioline che appaiono dopo la germinazione del seme, non reagiscono agli stimoli.

Anche se parliamo di piante e non di animali, tra il fight e il flight, la mimosa pudica sceglie il flight, e lo fa anche piuttosto bene ed elegantemente. Niente male per un piccolo e delicato arbusto!

 

 

 

Grazie a loro, ho scritto:

 

Alexander G. Volkov, Justin C. Foster, Kara D. Baker, Vladislav S. Markin. Mechanical and electrical anisotropy in Mimosa pudica pulvini. Plant Signaling & Behavior (2010) 5:10, 1211-1221.

Christelle Moyen, Janine Bonmort, Gabriel Roblin. Membrane effects of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid in motor cells of Mimosa pudica L. Plant Physiology and Biochemistry 45 (2007) 420-426.

František Baluška, Stefano Mancuso, Dieter Volkmann. Communication in Plants – Neuronal Aspects of Plant Life. 2006 Springer.

H. Toriyama and M.J. Jaffe. Migration of Calcium and Its Role in the Regulation of Seismonasty in the Motor Cell of Mimosa pudica. Plant Physiology (1972) 49, 72-81.

H.S. Patil, Siddharth Vaijapurkar. Study of the Geometry and Folding Pattern of Leaves of Mimosa pudica. Journal of Bionic Engineering (2007) 4: 19-23.

Lincoln Taiz and Eduardo Zeiger. Plant Physiology, 3rd Ed. 2002 Sinauer Associates.

Michael Wink. Biochemistry of Plant Secondary Metabolism, Second Edition. 2010 Blackwell Publishing Ltd.

Minoru Ueda, Shosuke Yamamura. The chemistry of leaf movement in Mimosa pudica L. Tetrahedron (1999) 55: 10937-10948.

Nobuyuki Kanzawa, Yoshinori Hoshino, Makiko Chiba, Daisuke Hoshino, Hidetaka Kobayashi, Naomi Kamasawa, Yoshiro Kishi, Masako Osumi, Masazumi Sameshima, Takahide Tsuchiya. Change in the Actin Cytoskeleton during Seismonastic Movement of Mimosa pudica. Plant Cell Physiology (2006) 47(4): 531-539.

Pierrette Fleurat-Lessard, Nathalie Frangne, Masayoshi Maeshima, Raphael Ratajczak, Jean-Louis Bonnemain, Enrico Martinoia. lncreased Expression of Vacuolar Aquaporin and H+-ATPase Related to Motor Cell Function in Mimosa pudica L. Plant Physiology (1997) 114: 827-834.

Randy Wayne. Plant Cell Biology. 2009 Elsevier, Inc.

Robert D. Allen. Mechanism of the Seismonastic Reaction in Mimosa pudica. Plant Physiology (1969) 44, 1101-1107.

 

 

COMMENTI 1   |   Scritto da Horty in:  Scienza e fantascienza |
Nov
05
2012
4

Caffè, prego


 

Queste sopra non sono ciliegione giganti!

Il caffè è la seconda merce di scambio al mondo dopo il petrolio, con un giro di affari di 45 miliardi di euro e un superficie coltivata di 10 milioni di ettari distribuiti in 50 paesi. Per oltre 100 milioni di persone costituisce l’unica fonte reale di reddito. Benché ci siano circa 100 specie del genere Coffea, sono solo due (Coffea arabica e Coffea canephora) ad essere coltivate per la produzione del caffè. Coffea arabica ha un areale di origine tra Kenya, Etiopia e Sudan. I primi a bere caffè furono gli yemeniti nel 1400, ma poi l’usanza si spostò in Europa attraverso la Turchia. Nel 1645 il caffè (la bevanda) arrivò a Venezia, prima ancora che a New York (1696).

Quello che stupisce del caffè è che la sua diffusione nel mondo è partita da una selezione limitatissima di piante coltivate. Dal corno d’Africa (origine) la coltura è arrivata nello Yemen, da cui pochi semi sono stati portati dalla Compagnia delle Indie Orientali a Giava, da qui altri semi sono arrivati ad Amsterdam dagli olandesi, e poi da qui in Francia (una pianta soltanto!). Fortunatamente, l’albero del caffè è una pianta autogama (s’impollina da sola; il bello è che le altre specie dello stesso genere non lo sono!!!) e quindi dalla Francia due piante sono partite per a Martinica, nei Caraibi; una di esse morì e l’altra attecchì, dando origine alle coltivazioni in tutto il centro America. Contemporaneamente, altre piante partirono da Amsterdam al Suriname, poi in Guiana Francese, e infine in Brasile – il maggiore produttore.

A causa dell’autogamia e delle poche piante di partenza – quest’ultimo fattore costituisce un vero e proprio collo di bottiglia genetico -, la variabilità genetica di questa specie è bassissima e quindi quando insorge una patologia sono cavoli amari per tutti. Per questo motivo, unito al fatto che le condizioni meteorologiche mutevoli stressano le piante (ricordiamo che le poverine fuori dal loro habitat africano originario), il mercato del caffè è un mercato endemicamente instabile e i prezzi fluttuano quotidianamente. Il miglioramento genetico e gli studi sul genoma dell’albero del caffè sono di conoseguenza economicamente importanti e numerosi. Coffea arabica è allotetraploide (cioè ha 44 cromosomi divisi in 4 serie da 11) e sono stati identificati più di 30.000 geni, praticamente un numero pari a quello dei geni umani. L’Etiopia, dal canto suo, produce le più prestigiose qualità di caffè, proprio perché le piante sguazzano a casa loro e si incrociano con specie e cultivar dello stesso genere, ma gli etiopi non si arricchiscono minimamente da questo, anche perché viene loro impedito di registrarle nel registro varietale e quindi di guadagnarci.

Il caffè “tira su” perché contiene la famigerata caffeina, un alcaloide che stimola il sistema nervoso centrale (la Red Bull ne è ad esempio strapiena, molto più della Coca Cola). La caffeina viene completamente assorbita nello stomaco e nel tratto iniziale dell’intestino nei primi 45 minuti dopo l’ingestione. Nel fegato viene convertita in paraxantina (84%), che stimola la lipolisi e porta ad una maggiore concentrazione di glicerolo ed acidi grassi nel sangue, teobromina (12%), che dilata i vasi sanguigni, e teofillina (4%), che rilassa la muscolatura liscia nei bronchi. La molecola della caffeina è strutturalmente simile all’adenina (che si trova anche nel DNA, ad esempio) e provoca un aumento dei livelli di adrenalina, che stimola a sua volta il sistema nervoso simpatico e determina un aumento del battito cardiaco e dell’afflusso di sangue ai muscoli, ad una diminuzione dell’afflusso di sangue alla pelle ed agli organi interni ed al rilascio di glucosio del fegato.

Lascio da parte le qualità della bevanda, che molti di noi conoscono bene, per concentrarmi sulla pianta. Coffea arabica, o pianta del caffè, appunto, è una pianta della famiglia delle Rubiaceae, una famiglia di Angiosperme che comprende specie prevalentemente legnose, la maggior parte delle quali si trova ai Tropici. Secondo la definizione attuale la famiglia comprende 600 generi e più di 10.000 specie. L’albero del caffè cresce tra i due tropici ad un’altitudine ideale tra i 600 e i 1800 metri e una temperatura ottimale mai al di sotto dei 15 gradi. Queste piante fragili devono essere protette dal sole e dal vento e spesso sorgono accanto ad alberi frondosi le cui chiome, come dei parasoli, li proteggono. Quando nasce spontaneamente, l’albero del caffè raggiunge un’altezza che va dagli otto ai dieci metri. Nelle piantagioni, invece, viene ridotto a 2,5 metri al massimo, per facilitare la raccolta dei frutti. Un grande fiore bianco dà origine a un frutto chiamato “ciliegia” (FALSE ciliege: in realtà è una bacca, non una drupa!). La sua pelle brillante racchiude due chicchi (infatti sono appressati tra loro e quindi piatti su un lato), da cui si estrae, con un lungo procedimento, il caffè.

Ora vado a farmene uno buono.

 

 

Grazie a loro, ho scritto:


Le Scienze, agosto 2008. I segreti del caffè. Pagg. 88-93.

A. Weinberg Bennet, K. Bealer Bonnie, Caffeina. Storia, cultura e scienza della sostanza più famosa del mondo, Roma, Donzelli, 2002

K. Sinnott. The Art and Craft of Coffee: An Enthusiast’s Guide to Selecting, Roasting and Brewing Exquisite Coffee. Quarry. 2012

http://www.pianetachimica.it/didattica/caffeina/caffeina.htm

Appunti e discussioni varie

COMMENTI 4   |   Scritto da Horty in:  Scienza e fantascienza |
Nov
01
2012
0

La Gaia scienza (terza parte)

 

 

[…segue]

 

Solo se riusciremo a vedere l’universo come un tutt’uno in cui ogni parte riflette la totalità e in cui la grande bellezza sta nella sua diversità, cominceremo a capire chi siamo e dove stiamo. Altrimenti saremo solo come la rana del proverbio cinese che, dal fondo di un pozzo, guarda in su e crede che quel che vede sia tutto il cielo. Le situazioni problematiche con le quali ogni giorno l’umanità deve confrontarsi diventano sempre più difficili da risolvere attraverso soluzioni unilaterali. Difatti, come stiamo sperimentando oggi, non esiste un’unica soluzione al problema, particolarmente drammatico, dell’effetto serra, che sta facendo alzare in maniera impressionante la temperatura della Terra, così come non ne esiste una per il buco dell’ozono, la distruzione delle foreste, la fame nel mondo, le guerre, che rientrano nella categoria dei problemi resistenti ad ipotesi unidirezionali.

Dunque, la domanda che ci poniamo è: perché il mondo attuale, attraverso le grandi risorse economiche, tecnologiche e scientifiche di cui dispone non riesce ad averla vinta su questi problemi? Perché si tratta di problemi complessi, ovvero coinvolgono diversi fattori: economici, ambientali, tecnici, politici, sociali, morali; pertanto, la soluzione, per essere efficace, deve tenere conto di tutti questi aspetti che interagiscono tra di loro. L’approccio consueto ai problemi, al contrario, è stato sempre di tipo meccanicistico secondo la tradizione cartesiana: un problema viene cioè scomposto in parti sempre più piccole, in modo da poterne studiare le proprietà. Le parti sono la cosa più importante perché è da esse che si risale alla comprensione del tutto. Tale orientamento ha guidato gran parte della scienza e della tecnologia del nostro secolo influenzando a tal punto il nostro modo di pensare che, quando ci troviamo di fronte ad un problema tendiamo a soffermarci sulla parte che non funziona usando l’apporto di specialisti. Questo atteggiamento ci porta ad effettuare interventi settoriali che, sebbene possono risultare efficaci per alcuni aspetti, riducono l’analisi ad un orizzonte limitato. Difatti, tale approccio risulta efficace ad un ambito circoscritto, ma si rivela meno adeguato all’aumentare delle dimensioni spaziali e temporali, ovvero della complessità.

Per cercare di dominare al meglio la complessità, nasce un nuovo modo di guardare il mondo: considerare non i singoli elementi ma l’insieme delle parti, intese come un tutto unico, concentrandosi sulle relazioni tra gli elementi, piuttosto che tra i singoli elementi presi separatamente. Dunque, le proprietà essenziali di un organismo sono proprietà del tutto, che nessuna delle parti possiede singolarmente. Ne consegue che tali proprietà mutino radicalmente quando il sistema viene sezionato, materialmente e teoricamente, in elementi isolati. La visione sistemica della vita è quanto più profondamente ci coinvolge con tutto ciò che ci circonda. Essa rappresenta la controparte di una concezione riduttiva ed elementare dei fenomeni osservati, promossa dalla scienza classica di Newton e Cartesio. La scienza sistemica, analogamente alla fisica quantistica, sostiene che i sistemi viventi non possono essere analizzati nei termini delle proprietà delle sue parti. Le proprietà essenziali di un organismo sono proprietà del tutto, che nessuna delle parti possiede singolarmente. La Teoria dei Sistemi, come l’intera scienza moderna, si poggia su un’unica certezza: esiste solo una conoscenza approssimata. Si tratta di una intuizione particolarmente importante, perché è la constatazione che tutti i concetti e le teorie scientifiche sono limitate ed impossibilitate a fornire comprensioni complete e definitive.

Iniziatore sistemico per eccellenza è stato l’austriaco Ludwig Von Bertalanffy che propose nel 1947 la Teoria Generale dei Sistemi. Egli per primo si rese conto che i sistemi viventi non potevano essere descritti secondo le leggi della termodinamica classica, i cui presupposti sono che ciascun sistema fisico deve sempre procedere nella direzione di un disordine sempre crescente (o entropia). Quello che veniva osservato, infatti, era la direzione esattamente opposta, ovvero che l’universo vivente era un sistema aperto che si evolve dal disordine verso l’ordine. Caratteristiche primarie dei sistemi aperti è il flusso e il cambiamento continui per rimanere vivi, ovvero una sorta di costante riflusso di materia ed energia dal loro ambiente con cui si auto-organizzano. La teoria ricorre al concetto matematico di funzione sulla base del quale essa esamina i rapporti che vengono a stabilirsi di fatto tra gli elementi diversi del sistema considerato. Col termine sistema si intende una realtà complessa i cui elementi reagiscono reciprocamente, secondo un modello di circolarità in base al quale ogni elemento condiziona l’altro ed è da esso condizionato. Pertanto, il significato di ciascun elemento non va ricercato nell’elemento stesso, ma nel sistema di relazioni in cui esso è inserito. La considerazione dei fenomeni nel loro reciproco rapportarsi fa sì che i sistemi non siano qualcosa di statico, ma in costante evoluzione (o involuzione) dinamica. Va precisato che questa dinamica è particolarmente presente nei sistemi aperti, ovvero nei sistemi dove sono più frequenti le relazioni con l’ambiente circostante; ecco dunque che le nuove istanze che via via si presentano nell’ambiente danno origine a variazioni dinamiche che tendono a riportare l’insieme a una situazione di nuovo equilibrio. Si sviluppa, così, e si va sempre più diffondendo in tutte le discipline, dalla psicoanalisi alla biologia, dalla sociologia all’economia, il nuovo approccio sistemico.

La Dinamica dei Sistemi è un aspetto della Teoria dei Sistemi come metodo per la comprensione del comportamento dinamico dei sistemi complessi. La base del metodo è il riconoscimento che la struttura di ogni sistema (le molte circolari, intrecciate e a volte ritardate esistenti tra le sue componenti) è spesso altrettanto importante nel determinare il suo comportamento quanto i singoli componenti stessi. Esempi sono: la teoria del caos  e delle dinamiche sociali. Si è anche affermato che, poiché ci sono spesso proprietà del tutto (del sistema) che non possono essere ritrovate tra le proprietà degli elementi, in alcuni casi il comportamento del tutto non può essere spiegato in termini di comportamento delle parti.

La teoria dei “Sistemi Dinamici” è stata sviluppata inizialmente al Massachusetts Institute of Technology (MIT), e più precisamente alla Sloan School of Management, dove, nel 1956, il Professor Jay W. Forrester stava studiando soluzioni riguardanti problemi manageriali collegati a fenomeni complessi. Attorno a lui si creò un gruppo di lavoro conosciuto come “System Dynamics Group” al quale si deve la realizzazione del primo strumento applicativo della dinamica dei sistemi: il programma Dynamo, ovvero uno speciale linguaggio di simulazione per computer. Nel 1973 quando Forrester partecipò ad una ricerca sui limiti dello sviluppo l’attenzione fu attratta soprattutto dalle previsioni negative (erano gli anni della grande crisi petrolifera), mentre passò quasi inosservata la visione sistemica contenuta nel rapporto ed il modello di simulazione utilizzato.

Intanto Lovelock pubblicò L’ipotesi Gaia: la Terra vista come un organismo vivente dotato di feedback (il libro che ha rivoluzionato l’ecologia). Sicuramente l’effetto fu molto più travolgente, ma forse perché i tempi erano più maturi. E’ in questi anni che il bisogno di “feedback” cominciò ad affermarsi come fatto culturale contrapponendosi al management scientifico iniziale. Emergevano infatti altri studi; si sviluppavano e si affermavano tra i matematici le nuove teorie delle catastrofi prima e del caos poi. Alla base di queste ci sono i noti concetti di autoregolazione, equilibrio e auto-organizzazione: come ad esempio la sinergetica, anch’essa nota in quegli anni. A tal punto possiamo chiederci come si caratterizza un sistema e come viene pensato dai ricercatori. Innanzitutto, poiché la sua analisi difficilmente può essere compiuta sullo stesso, si utilizzano dei modelli.

Un modello può essere definito, molto genericamente, come “rappresentazione” di una situazione “reale” tramite un insieme di dati ad essa “analoghi”. Un modello può essere semplice o complesso e può rappresentare un sistema semplice o complesso. Il modello più semplice che rappresenta un sistema semplice è l’algoritmo. Gli algoritmi sono metodi per la risoluzione di problemi; possiamo caratterizzare un problema mediante i dati di cui si dispone all’inizio e dei risultati che si vogliono ottenere: risolvere un problema significa ottenere in uscita i risultati desiderati a partire da un certo insieme di dati presi in ingresso. I dati in ingresso vengono anche detti (valori in) input e i risultati in uscita (valori in) output.

Tuttavia, spesso occorre utilizzare un metamodello, ovvero un modello semplice usato per rappresentare un sistema complesso o, meglio, un modello di espressione del nostro modello del mondo. Per ottenere un metamodello occorre fare, in genere, un doppio salto di astrazione. In altre parole, si applica un modello ad un altro modello. Diversi sono i procedimenti possibili, ampiamente diversificati e, a volte, iterati. In genere i due passi base su cui si poggia il procedimento sono sempre gli stessi: si rappresenta la realtà con un modello qualitativo, tramite una serie di domande tese ad approfondire e specificare la struttura profonda dell’esperienza, ovvero la rappresentazione sensoriale della realtà, e da questo dedurre un modello quantitativo. Vale anche il senso inverso. In estrema sintesi, costruire un modello significa isolare gli elementi “importanti” del sistema e stabilire tra loro relazioni significative. Una volta costruito il metamodello si può procedere alla sua manipolazione, osservando il suo comportamento al variare degli input. In tal modo, si può pervenire alla formulazione di previsioni che non sono informazioni future, ma soltanto concetti attuali sul futuro basati sulle informazioni relative al presente ed al passato. La validità e l’utilità di un metamodello è relativa e sarà valutata in rapporto all’immagine mentale creata o ad un altro tipo di modello con cui verrà affrontato. I modelli possono essere fisici o astratti, questa seconda categoria a sua volta si suddivide in mentali e simbolici. I modelli mentali sono le rappresentazioni interiori e personali di come il mondo funziona, possono essere semplici generalizzazioni o complesse teorie e sono in grado di modellare il modo in cui le persone agiscono.

Questi modelli influenzano il modo in cui verrà costruito il modello causale, cioè il modello simbolico non matematico, che una volta tradotto, in termini matematici, in un modello dinamico, verrà osservato, discusso, manipolato con varie ipotesi e influenzerà a sua volta i modelli mentali di chi poi cercherà di descrivere il sistema reale attraverso i modelli fisici. Ormai si può parlare di cultura della complessità poiché in ogni struttura, in ogni ambiente, in ogni organismo, dal luogo di lavoro al clima terrestre, da un batterio all’economia mondiale, dal bosco dietro casa alla cultura di un popolo, possiamo riscontrare una molteplicità di rapporti e relazioni che rendono difficile la sua completa descrizione. La complessità è dappertutto intorno a noi e non possiamo sfuggirla: è come trovarsi in una grande ragnatela (a tale proposito viene in mente il web…) e possiamo decidere di essere “ragni” o “prede” (una metafora leggermente inquietante ma efficace). Il “ragno” è colui che vede la complessità come opportunità e cerca di imparare come gestirla. La “preda” è colui che non riconosce la complessità, o la nega e ne rimane vittima. Noi stessi siamo sistemi complessi, lo sono i nostri organi, le nostre cellule… Nonostante ciò la nostra ignoranza sul fenomeno della complessità è abissale. Questo è dovuto semplicemente al fatto che la mente umana non è adatta ad interpretare l’evoluzione dei sistemi complessi. Nella lunga storia dell’umanità non era mai stato necessario misurarsi con sistemi ad alta complessità: l’evoluzione non ci ha quindi fornito degli strumenti per interpretare correttamente il comportamento dei sistemi, nei quali ora siamo immersi.

Fino a poco tempo fa gli unici strumenti per prevedere l’evoluzione di un sistema complesso erano la riflessione, la discussione e le congetture. Purtroppo, i modelli con cui la mente umana si raffigura un sistema sono confusi, incompleti ed imprecisi, oltre al fatto che, ad esempio nel caso di una discussione, una stessa persona può modificare più volte i propri modelli mentali. Ancora, la mente può tenere presenti solo un numero limitato di fattori (sette o otto al massimo) quando assume una posizione nell’ambito di una discussione e, anche quando si discute un singolo aspetto del problema, ciascuno dei partecipanti utilizza il suo proprio modello mentale per avvicinarsi alla questione partendo magari da assunzioni di base e obiettivi diversi da quelli chiaramente esplicitati all’inizio. Una volta trovato l’accordo nella formulazione di questi modelli, le assunzioni implicite di ciascuno possono poi portare a provvedimenti e decisioni che travisano l’obiettivo. Anche quando riusciamo a raffigurarci mentalmente un sistema semplice, abbiamo qualche difficoltà a prevederne il comportamento futuro.

Solo negli ultimi decenni si è potuto far luce su comportamenti, strutture, regolarità all’interno dei sistemi complessi. Il motivo di questo ritardo scientifico è molto semplice: per studiare oggetti complessi ci vogliono i computer. Con l’avvento dell’elaborazione elettronica dei dati è diventato possibile trattare efficacemente quantità enormi di informazioni. Proprio ciò di cui avevano bisogno gli scienziati per scoprire, descrivere e simulare i sistemi complessi, giungendo infine ad una teoria unificata della complessità, che coinvolge ormai tutte le discipline scientifiche e sociali. In effetti non è un caso che James Lovelock, fondatore della Teoria di Gaia, fosse anche professore di cibernetica. Quindi, nel nuovo mondo che ci circonda, dominato dalla complessità, le strutture mentali tradizionali non sono più efficaci e si rivelano spesso pericolose. Pertanto, per arrivare ad una migliore comprensione di tali sistemi complessi bisogna adottare un nuovo modo di pensare e di comunicare che si avvalga di un linguaggio più efficace della lingua parlata, grazie all’utilizzo dei computer, e che ci consenta di avvicinarci alla complessità del reale.

 

[continua…]

 

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