Gli aspetti funzionali e strutturali in biologia
(aboriginal art - wikimedia commons)
Il pattern è il concetto che meglio coniuga gli aspetti funzionali e strutturali in biologia. In natura sono forme visibilmente regolari che si riscontrano nel mondo naturale.
Questi schemi si ripetono in contesti diversi (ad esempio, in due specie animali diverse, o tra animali e vegetali) e a volte possono essere modellati matematicamente. I pattern naturali includono simmetrie, alberi, spirali, meandri, onde, schiume, tessere, crepe e strisce. Ad esempio, l’albero bronchiale nei polmoni di un animale ripercorre lo stesso pattern ramificato dei rami di un albero, così come delle sue radici.
Le strisce di una zebra sono simili alle strisce sulle ali di una farfalla:
Le multiple spirali che si intersecano nella sezione trasversale di un cavolo rosso ricordano la forma di una conchiglia:
Un pattern si forma attraverso la cosiddetta pattern formation, cioè un processo di sviluppo attraverso il quale le cellule coinvolte acquisiscono identità diverse, a seconda della loro posizione spaziale relativa all'interno dell'embrione. La formazione del pattern assicura che i tessuti e gli organi si sviluppino nella posizione e nell'orientamento corretti all'interno del corpo.
Proviamo a fare un esperimento mentale, e facciamo una istantanea di un pattern:
ne apprezziamo gli aspetti strutturali, e le loro dirette implicazioni estetiche. Se invece facciamo scorrere il tempo, e osserviamo il pattern vivere attraverso i sottostanti processi biologici, ne apprezziamo gli aspetti funzionali e l’evoluzione, dalla sua formazione al mantenimento della sua omeostasi.
Viene infatti spontaneo interrogarsi sul come pattern complessi possano generarsi, durante lo sviluppo, senza che ci sia l’occhio esperto di un designer o di un architetto a dirigere i lavori a livello cellulare, o il pennello ispirato di un illustratore a tratteggiarne le complessità.
Quando si studia la morfogenesi (i. e. il generarsi della forma) di un pattern si parla infatti di proprietà emergenti, cioè delle caratteristiche del sistema che sono riconoscibili, e ricompaiono ogni volta che il processo si ripete, ma che non vengono dettate in modo diretto da singoli eventi semplici. Piuttosto, i pattern si generano senza la necessità di un coordinamento esterno, bensì grazie a una fitta rete di interazioni funzionali tra le cellule e all’interno delle stesse, che passo dopo passo si auto-organizzano in strutture semi-regolari, con le suddette peculiarità di forma e funzione.
Un organismo adulto, così come un pattern, si compone di una moltitudine di cellule organizzate in architetture complesse. Tra queste, alcune si specializzano per svolgere una data funzione, altre un’altra, e lavorando insieme con le rispettive specializzazioni esse danno origine ad un funzionamento di sistema. All’inizio di un processo di sviluppo di un organismo, questo si compone di poche cellule cosiddette staminali, cioè non ancora specializzate, e in grado di dare origine a tutti i tipi cellulari dell’organismo adulto.
Come è possibile che da queste poche cellule non specializzate emerga il concerto di funzionalità che costituisce il pattern?
La risposta sta nelle interazioni locali tra le cellule. Infatti, fin dal principio, le cellule cominciano ad abbozzare una preferenza per una specializzazione, o un’altra. Se una cellula, anche per caso, si ritrova ad essersi mossa anche poco verso una certa specializzazione, questo cambia il suo modo di comunicare con le cellule vicine, cioè essa manda dei messaggi molecolari legati a questo suo leggero cambio di identità. Le cellule vicine, ricevendo messaggi diversi, cambiano anch’esse, cioè a loro volta fanno un piccolo passo verso una specializzazione funzionale. Quindi a loro volta manderanno un messaggio diverso alle proprie vicine, e così via. Questo meccanismo può avere luogo a vari intervalli di distanza: a volte le cellule influenzano solo le vicine con cui sono fisicamente a contatto.
Altre volte, durante la morfogenesi, alcune cellule assumono il ruolo di induttori di un pattern, e la loro identità funzionale in quella fase fa sì che comincino a rilasciare un segnale molto interessante: un morfogeno. Questo si diffonde nello spazio extracellulare, risultando in un segnale molto forte per le cellule più vicine alla fonte, e più debole per quelle più distanti. Le cellule sono in grado di tradurre questo diverso grado di intensità del segnale in risposte differenti, per cui le cellule vicine faranno un passo verso una specializzazione, quelle distanti verso un’altra. A rendere robusto questo meccanismo, contribuiscono anche meccanismi mediati dal contatto diretto tra cellule distanti e vicine.
Inoltre, questi piccoli passi differenziativi (il differenziamento cellulare è il processo di progressivo avvicinamento ad una specializzazione funzionale nelle cellule) sono intervallati, durante lo sviluppo, a fasi di proliferazione, migrazione e morte programmata delle cellule, che contribuiscono a plasmare il panorama architetturale del pattern in formazione. In questo esempio, diverse concentrazioni di morfogeno determinano sorti diverse per diverse parti dell’embrione di Drosophila, il moscerino della frutta, risultando in un pattern a strisce:
Oltre che apprezzare la bellezza dei pattern naturali, possiamo ammirarne le sorprendenti regolarità e funzionalità. Sotto questa lente possiamo chiederci: come mai durante l’evoluzione specie diverse hanno sviluppato pattern simili, a volte anche a scale spaziali molto diverse?
I principi dietro all’estetica dei pattern naturali sono stati estratti e riutilizzati nelle arti visive così come nel design e nello sviluppo di nuove tecnologie. A volte si cerca di estrarre delle costanti matematiche che potessero essere applicate de novo nella costruzione di immagini lontane dal mondo della biologia, come ad esempio la proporzione aurea in quadri e fotografie. Altre volte l’obiettivo è quello di replicare artificialmente le stesse caratteristiche del pattern naturale, per ottenerne la stessa funzionalità.
Perché trarre spunto, ispirazione o addirittura copiare la biologia nelle arti e tecniche odierne?
Nei prossimi post si cercherà di rispondere in modo puntuale a questi interrogativi.
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.
(Tutte le immagini da Wikimedia commons)
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