Confini intelligenti (SCIENZE) ~ di Alessandro Giuliani - TeclaXXI

 SCIENZE

Confini intelligenti

di

Alessandro Giuliani

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Cosa si intende per ‘sistema’?  Aldilà dell’uso colloquiale di questa parola, vale la pena indagare il significato che la scienza ci offre per questo termine.

Partiamo dalla sua definizione più scarna che si situa a metà del XIX secolo con lo sviluppo della termodinamica classica:

Un sistema è una porzione di mondo con dei confini ben definiti che lo separano dall’ambiente circostante.

In questa accezione, un fluido in un contenitore è un sistema che può essere ‘aperto’ se scambia materia ed energia con l’ambiente, ‘chiuso’ se scambia solo energia o ‘isolato’ se non scambia né materia ed energia con l’esterno. Gran parte dell’elaborazione della termodinamica classica si riferisce ai sistemi chiusi come camere sigillate da un pistone mobile (si pensi alle macchine a vapore) da cui derivano le leggi dei gas, mentre i sistemi isolati sono a ben vedere solo dei sistemi ideali utili come riferimento ma di fatto non implementabili nel modo reale (anche la migliore borraccia termica prima o poi arriverà a una temperatura corrispondente a quella dell’ambiente in cui è immersa). I sistemi aperti sono quelli più interessanti e diffusi sia in ambito naturale che artificiale, e sono nel tempo diventati quelli più indagati dal pensiero scientifico.

Posto che tutti i sistemi hanno dei confini ben definiti (in assenza di confini la parola stessa perderebbe di senso), nel caso dei sistemi aperti il tipo di confine riveste un’importanza cruciale. Per comprendere questo punto ci dobbiamo riferire a due concetti: ‘equilibrio’ e ‘stazionarietà’.  Esattamente come nel caso della accezione intuitiva, definiamo un sistema in ‘equilibrio’ come un sistema che ha raggiunto uno stato finale in cui in assenza di sollecitazioni esterne non si osserva alcun cambiamento ulteriore, tornando alla nostra borraccia, una volta raggiunta l’equivalenza con la temperatura esterna del contenuto della borraccia, non accade più nulla di rilevante. Il sistema non si ‘muove più’ la temperatura rimane costante e le molecole del contenuto scambiano fra loro energia ma il saldo rimane costante. Al contrario, il sistema costituito dalla superficie terrestre e dalla sua atmosfera è in uno stato ‘stazionario’ essendo attraversato da un flusso di energia proveniente dal sole che mette in moto una miriade di cicli e attività che vanno dal ciclo dell’acqua (evaporazione/condensazione con conseguenti precipitazioni) alla vita, che si sostiene attraverso gli scambi di energia e materia dai produttori primari (mondo vegetale) ai vari consumatori secondari (animali e relativa catena alimentare). Il sistema non è più statico ma dinamico, insomma qui si presenta un attore fondamentale: il tempo.

La termodinamica del non-equilibrio è una branca scientifica nata a metà del Novecento grazie soprattutto al lavoro di Ilya Prigogine, fisico russo naturalizzato belga premio Nobel per la chimica nel 1977. I sistemi allo stato stazionario, attraversati da un flusso di energia, hanno a disposizione uno spettro enorme di possibilità di esistenza (stabile ma non fissa) in quanto utilizzano il flusso di energia che li attraversa per la costruzione di strutture complesse attraverso le quali questa energia viene dissipata. Si pensi alla sconvolgente complessità delle strutture e funzioni biologiche a diverse scale spaziali a e temporali (cellule, tessuti, organi fino agli ecosistemi).  Si tratta di sistemi aperti che non solo scambiano energia ma anche materia con l’ambiente circostante, come avviene per nutrienti e materiali di scarto a loro volta nutrienti per altri organismi.

A questo punto la nostra definizione di sistema si arricchisce di molto e diventa:

Un sistema è un ente con dei confini ben definibili costituito da diverse parti in relazione tra di loro che interagisce con l’ambiente circostante attraverso una interfaccia selettiva.

Il confine diventa ‘intelligente’ definendo cosa ‘deve entrare’ e cosa ‘deve uscire’ perché il sistema rimanga vitale. Si parla di confine non più nei termini di una superficie impermeabile che isola l’interno dall’esterno ma come ‘interfaccia biodinamica’ che adatta la sua permeabilità relativamente ai bisogni del sistema stesso a loro volta variabili nel tempo. Le membrane cellulari sono un esempio classico di interfaccia biodinamica separando l’ambiente acquoso interno da quello esterno attraverso un doppio strato di lipidi (l’equivalente delle mura di una città) e regolando i flussi in entrambe le direzioni attraverso delle macromolecole proteiche che gestiscono i rapporti con l’esterno (le porte della cinta muraria).

Questa è descrizione molto semplificata che tralascia fenomeni come la possibilità di inglobare elementi esterni circondandoli con una vescicola di lipidi, un po’ come se le mura della città si potessero espandere localmente catturando entità esterne mantenendole però isolate dal resto(endocitosi) e tanti altri.

La lezione generale è comunque quella della necessità per la sopravvivenza di un sistema complesso non solo di avere dei confini ma che questi confini siano un’entità dinamica con cui gestire i rapporti con l’ambiente circostante. Pensiamo poi al fatto che anche l’ambiente circostante è a sua volta un sistema complesso che insieme influenza ed è influenzato dal sistema cellula.

A questo punto siamo arrivati all’ultimo sviluppo della termodinamica: la ‘network thermodynamics’, la termodinamica delle reti, che studia i rapporti tra reti complesse in cui l’interfaccia diventa uno spazio condiviso in cui sistemi di relazioni gestiscono i loro rapporti.

Una città che, come le megalopoli moderne, sfuma i suoi confini alterando i suoi rapporti con l’ambiente può essere con profitto studiata attraverso i principi della termodinamica delle reti che ci indicano alcune gravi patologie dell’urbanesimo. Qui però non abbiamo la possibilità di proseguire oltre, per cui rimandiamo il lettore e la lettrice a un libro uscito a maggio per i tipi della Lindau ‘La città come organismo culturale ( https://www.isdenews.it/la-citta-come-organismo-culturale-un-saggio-tra-urbanistica-biologia-e-futuro-delle-citta/) che credo possa essere di loro interesse.

 

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ALESSANDRO GIULIANI

BIONOTA  Alessandro Giuliani vive a Roma, è sposato e padre di due figlie. Attualmente è Dirigente di Ricerca presso l’Istituto Superiore di Sanità.

È stato visiting professor all’Università Keio di Tokio, all’Istituto Indiano di Tecnologia (IIT) a Trivandrum (Kerala), all’Università di Chicago (USA) e all’Università di Tomsk (Federazione Russa).

Lavora da circa quaranta anni alla costruzione di modelli fisico-matematici di sistemi biologici complessi con particolare riguardo allo studio della struttura delle molecole proteiche, alla previsione di ‘transizioni di fase’ nell’espressione genica e alle relazioni tra struttura chimica e attività biologica. Ha contribuito, insieme a Joseph Zbilut e Charles Webber dell’Università di Chicago allo sviluppo dell’Analisi Quantitative delle Ricorrenze (RQA), attualmente diventata un metodo standard per l’analisi non-lineare delle serie temporali.  

È autore di 489 pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali ‘peer-review’ e di 10 libri di divulgazione.