Due facce della stessa medaglia
I sistemi viventi sono tutti diversi tra loro, ma allo stesso tempo hanno caratteristiche comuni. Alcune di queste sono sempre presenti, tanto che, in qualche modo, contribuiscono a definire il nostro concetto di vita stesso.
Esiste un presupposto comune a queste caratteristiche, e soprattutto al nostro modo di contemplarle e raccontarle. Si tratta della relazione tra la forma e la funzione di una struttura biologica.
I sistemi biologici hanno una struttura, vale a dire le loro parti sono organizzate nello spazio secondo un preciso schema che le mette in relazione. Il funzionamento di un sistema biologico emerge in ragione di tale organizzazione, che a sua volta si evolve in ragione dell’andamento dei processi biologici che coinvolgono il sistema.
Ancora meglio, possiamo considerare forma e funzione come due facce della stessa medaglia, due aspetti interdipendenti che ci fanno capire cose diverse su un sistema, e si condizionano a vicenda in diversi momenti di un processo.
I sistemi biologici presentano molteplici livelli organizzativi, e la relazione tra forma e funzione si realizza in ciascuno di essi: dalla molecola, alla cellula, al gruppo di cellule, e così via.
La diversità di struttura sottostà ad una diversità di funzione. In un organismo composto da molte cellule, esistono diversi tipi cellulari, cioè diverse specializzazioni funzionali per diverse cellule che hanno ruoli diversi nel contribuire alla vita dell’organismo. L’insieme di queste cellule diverse compone la complessità strutturale e funzionale di un organismo, in cui diverse funzionalità interdipendenti risultano in una funzionalità complessiva. A questa diversità funzionale corrisponde una altrettanto ricca diversità strutturale.
Ciascuna cellula è specializzata per svolgere una serie di funzioni. Confrontando due cellule che svolgono funzioni diverse, è spesso evidente anche la loro differenza morfologica, cioè relativa alla forma, o struttura. Ad esempio, , una cellula dell’epitelio squamoso ha una forma piatta, che consente la formazione di strati di cellule con una funzione di copertura e protezione, quale quella dell’epitelio, cioè lo strato della pelle a contatto con l’esterno.
(Cellula epitelio squamoso - da Wikimedia commons)
Una cellula neuronale, per contro, si articola in strutture ramificate di diverso tipo per consentire lo scambio di segnali con altre cellule nervose.
(Diagramma di una cellula neuronale completa - da Wikimedia commons)
Questa grande diversità di tipi cellulari all’interno di un organismo è emersa durante l’evoluzione, creando una varietà di funzioni sempre più vasta ed efficace nel rispondere alle sfide poste dall’ambiente all’organismo.
In questo processo di mutazione e selezione, la pressione selettiva si esercita sulla funzione, non direttamente sulla struttura.
A primeggiare nella competizione evolutiva sono infatti gli organismi che sono più adatti all’ambiente in cui si trovano. Questi organismi si strutturano, generazione dopo generazione, supportando la capacità funzionale che li rende evolutivamente avvantaggiati.
Poiché ambienti diversi talvolta presentano sfide evolutive simili, la stessa funzionalità viene selezionata positivamente più volte, nel corso della storia evolutiva, perché risponde in modo efficace a tali sfide. Questo significa che soluzioni strutturali che la natura fa emergere hanno punti di partenza molto diversi, ma diventano simili durante l’evoluzione.
Si parla, in questi casi, di evoluzione convergente, cioè il processo (definito in biologia evolutiva) per cui organismi che non sono strettamente legati evolvono, in modo indipendente, tratti simili. Questo risulta dalla necessità, che essi condividono, di adattarsi a ambienti o nicchie evolutive simili.
Un esempio di questo fenomeno è la somiglianza tra le strutture proprie di pterodattili, insetti, uccelli e pipistrelli per volare. Tutte svolgono la stessa funzione di “ali”, e per farlo si articolano in strutture molto simili, ma non derivano evolutivamente una dall’altra: si sono evolute in modo indipendente.
(© Sinauer Associates 2001 )
Se osservata sotto la prospettiva del rapporto tra struttura e funzione, la biologia può diventare un catalogo di soluzioni ottimali per ispirare le risoluzione di problemi ingegneristici e di design. La biomimetica indica il trasferimento di processi biologici dal mondo naturale a quello artificiale, facendo della imitazione delle soluzioni trovate dall’evoluzione un vero e proprio processo di design.
La natura è di grande ispirazione per trovare nuove soluzioni tecnologiche e di design da formalizzare e implementare. Tuttavia è fondamentale, per ammirare i sistemi biologici nella loro complessità, comprendere che essi non derivano dall’implementazione di un design razionale mirato a risolvere un problema. Piuttosto, la loro complessità funzionale, e quindi strutturale, emerge attraverso processi di mutazione casuale e selezione naturale, senza una guida. Questi processi sono infatti locali e distribuiti, cioè non afferiscono ad alcuna intelligenza che li coordina, ma accadono a seconda delle situazioni specifiche in cui gli organismi si trovano in un momento preciso, e a seconda di cosa è accaduto in precedenza. Questo rende le bellissime - e funzionali - forme della natura ancora più interessanti.
Roberta Bardini è una ricercatrice nell'ambito della biologia computazionale e dei sistemi. Lavora attualmente presso il Sysbio Group, Politecnico di Torino, dove ha conseguito il dottorato di ricerca. Si occupa di sviluppo di organismi pluricellulari, e della loro valorizzazione in ambito imprenditoriale.
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