Autore: Paolo Manzelli LRE@UNIFI.IT ;
Bio-CHIP: fonte http://www.fondazionebassetti.org/06/bertolini/coyaud.htm
"Finora ci siamo limitati a leggere il Dna; è tempo
di cominciare a scriverlo". J. Craig Venter,
Premessa:
In questa breve rassegna critica osserveremo come la Termodinamica
debba rinnovarsi per favorire la comprensione Biologica della
vita e della sua evoluzione . Comunque pur avendo la Scienza storicamente
superato le concezioni termodinamiche , classiche purtroppo esse
sono ancora retaggio di una formazione concettuale non piu' all'altezza
delle problematiche di ricerca contemporanee . Pertanto in questo
convegno "COHERENCE 2005", simuleremo di osservare la
trasformazione cognitiva facendo uso dell' occhio delle libellula
, che permettendo di osservare a 360° rende possibile vedere
l' ostacolo anche quando di fatto e stato largamente superato.
E importante, in questo contesto, sottolineare il fatto che attualmente
la ricerca trans-disciplinare sulle scienze della vita , rapidamente
si sposta dal fare riferimento ai modelli meccanici a modelli
bio-elettrochimici nel quadro degli sviluppi della BIOLOGIA SINTETICA,
che gia si propone di sviluppare strategie commerciali pur essendo
assai rischiose per il fatto stesso che, per quanto sappiamo clonare
esseri viventi, ancora siamo molto lontani dal capire come avviene
il concepimento e la evoluzione della vita per vie naturali. Quanto
sopra e' stato messo in evidenza per il fatto che le attuali bio
tecnologie sono essenzialmente prive di un controllo culturale
e cognitivo adeguato. Infatti varie imprese quali la Bio-techonomy
, e la Synthetic Genomics hanno gia riscritto il DNA per realizzare
forme di vita artificiali ed infatti recentemente hanno gia' prodotto
(2002) un virus ottenuto assemblando diversi elementi del DNA
ottenuti per sintesi in laboratorio in modo che il virus artificiale,
possa agire da veicolo per introdurre specifiche funzioni vitali
da integrare nelle riproduzione delle cellule di Piante Animali.
La composizione ed assemblaggio delle catene del "DNA di Sintesi" attualmente avviene mediante l' utilizzo di conoscenze bio-elettriche, in base alle quali i circuiti genetici di riproduzione cellulate vengono trattati in guisa di circuiti elettronici, di informazione , la dove determinate sequenze genetiche ( BIO-BRICKS) vengono assembrate e sostituite l' una all'altra in modo da studiare come modificare le caratteristiche naturali degli organismi viventi. Proprio i successi delle bio-tecnologie oggi impongono alla scienza l' opportunita' di condividere le conoscenze e divulgarle anche al fine di permettere ai cittadini di rendersi conto che la scienza si trova ad agire nell' ambito di un cambiamento epocale tra la società Industriale e quella post Industriale della Economia della Conoscenza. Pertanto in tale contesto di transizione conoscitiva , le conoscenze di indole meccanica e le concezioni termodinamiche necessitano di correlarsi quali conoscenze di base agli sviluppi delle innovazione bio-tecnologica finalizzando le nuove ricerche alla comprensione del funzionamento della INformazione bio-chimica nella organizzazione della vita. Quanto sopra risulta evidente dato che putroppo mi sono trovato di fronte ad una cospicua serie di detrattori accademici , quando ho tentato di capire come il DNA potesse essere considerato similmente ad una antenna rice-trasmittente , che agendo come tale risulti capace di realizzare un gruppo di sintonia con i catalizzatori biologici , ponendo in risonanza le energie di attivazione, che determinano un comportamento oscillante delle reazioni biochimiche . Fatte salve le esperienze personali di effettivo "mobbing " perpetrato quasi regolarmente dalla accademia scientifica, dobbiamo considerare che di fatto "Biologia-Sintetica" oggigiorno e' alle prime armi e pertanto diviene altamente necessario, se non vorremmo proibirne definitivamente la ricerca bio-tecnologica , proporci di evitarne i rischi provenienti da eventuali contaminazioni incontrollabili della sintesi di nuovi DNA, di fatto non preesistenti in natura . Certamente per agire in piena coscienza con cognizioni adeguate, dovremo innanzitutto superare la mancanza di diffusione e disseminazione delle conoscenze biologiche innovative, che ad oggi risultano delimitate dalla incomprensione generate dal fare riferimento ad antiquate acquisizioni di indole meccanica della scienza, cosi da poter favorire lo sviluppo di una cultura utile e favorire il cambiamento storico-sociale della scienza e della economia nel quadro cognitivo e di sviluppo della "Società Europea della Conoscenza". Quanto sopra indubitabilmente significa adoprarsi per una strategie di innovazione concettuale tese verso il superamento delle vecchie concezioni meccaniciste della scienza, ivi comprese quelle della Termodinamica classica, in quanto esse non risultano piu' correlabili alla comprensione delle problematiche contemporanee a riguardo delle scienze delle vita.
Ricordo infatti le conoscenze biologiche fino ad oggi si sono limitate ad una descrizione meccanica del metabolismo cellulate cosi che la cellula vivente sembra essere una "tipografia" basata sul modello della catena di montaggio e finalizzata unicamente alla produzione delle proteine. Pertanto le tradizionali conoscenze meccaniche della scienza applicate alla Biologia oggigiorno non permettono piu' il controllo cognitivo e culturale delle contemporanee attivita' di BIO-SINTESI GENETICA , proprio perche' non sono focalizzate ed i sistemi di informazione e comunicazione biochimica che permettono il funzionamento interattivo del metabolismo cellulare. Pertanto per comprendere piu facilmente la esigenza di anticipazione di conoscenze scientifiche e tecnologiche innovative, viste in relazione sfide poste dello sviluppo delle scienze della vita e provero', su richiesta del Comitato Organizzatore di COHERENCE 2005, a sintetizzare , un profilo storico-cognitivo delle concezioni termodinamiche, passando attraverso le concezioni di NEG-ENTROPIA , di Schroedinger, a quelle della relazione tra Entropia Negativa ed informazione di Leon-Brillouin, agli studi di Giorgio Piccardi , sulla influenze dei campi elettromagnetici sulle trasformazioni chimiche e bio-chimiche, edagli studi di Ilya Prigogine e di Raphael Eduard Liesegang, sul tema delle reazioni chimiche oscillanti e della loro struttura non lineare ad anelli alternanti condizioni di reazione e non reattività
Rimembranze di termodinamica
È noto che, il concetto di ciclo espresso da Sadi
Carnot (1796-1832) nelle "Réflexions sur la Puissance
Motrice du Feu" del 1824 e' relativo al rendimento di un
motore ideale che effettua un ciclo reversibile tra due condizioni
termiche una piu calda ed una piu fredda. Dato che il calore fluisce
spontaneamente da un corpo caldo ad un corpo freddo e non viceversa,
per rendere reversibile il sistema di flusso di calore che genera
la potenza di un motore, si deve spende energia come lavoro meccanico
; cio' comporta di fatto una dispersione energetica che riduce
il rendimento ideale del motore di oltre il 60% . L' idea di S.
Carnot fu quella di considerare un sistema di trasformazione reversibile
capace di ritornare nella condizione o nello stato originario,
simulando la trasformazione irreversibile del flusso di calore
, in una particolare sequenza ideale di successivi punti di equilibrio,
cosi da poter ritenere ipoteticamente reversibile il sistema di
scambio tra calore e lavoro. Quindi la termodinamica nacque in
seguito a la estensione delle concezioni di Carnot , in modo che
fosse applicabile a tutte le trasformazioni suscettibili di descrizione
teorica attraverso valori medi, detti variabili di stato macroscopiche,
quali il Volume, la Temperatura, la Pressione, le quali assumono
valore misurabile come differenza tra differenti stati di equilibrio.
Pertanto conoscendo i valori delle coordinate termodinamiche di
un sistema, nell'ipotesi che esse siano uniformi in tutto il sistema
ed inoltre nella ulteriore ipotesi che i suddetti valori restino
costanti nel tempo ed in condizioni di equilibrio, diviene possibile
affermare di conoscere lo stato termodinamico del sistema e quindi
controllarne le migliori condizioni di rendimento.
Nel 1864 Rudolf Clausius , comprendendo la necessita per
la scienza di dover garantire la conservazione della Energia nel
passaggio tra calore e lavoro , introdusse "ex-novo"
il concetto di " Entropia " nel suo trattato : "Abhandlungen
über die mechanische Wärmetheorie (tr. Trattato sulla
teoria meccanica del calore)" , cosi che successivamente
agli studi di Sadi Carnot , si ristabili il fatto che la energia
non si distrugge neppure nelle trasformazioni irreversibili tra
calore e lavoro, poiche' essa si degrada ; infatti il livello
di degradazione viene indicato dal valore della Entropia . La
parola ENTROPIA su definita da Clausius come una grandezza "anomala"
in quanto per essa non vale un principio di conservazione, ma
viceversa un "principio di "non" conservazione".
Proprio da questa considerazione ENTROPIA e' un vocabolo tratto
dalla lingua greca e significa "contenuto in mutamento"
, ed infatti l' ENTROPIA (S) indica un gradiente qualitativo
delle energia , che Clausius defini' come il rapporto tra la somma
dei piccoli incrementi (infinitesimi) di calore (dQ) rilevabili
nelle vicinanze dell' equilibrio, divisa per la temperatura assoluta
(T) misurata durante l'assorbimento del calore a pressione
costante. E' importante notare come tale equazione non definisca
l' entropia del sistema, ma solo la variazione (dS) di
entropia dello stesso. Pertanto era necessario avere un punto
di riferimento per calcolare la variazione dell' Entropia di un
sistema a questa esigenza provvide il Terzo Principio - Teorema
di Nerst - (1906) dicendo arbitrariamente che la Entropia
ad un ipotetico Zero assoluto ha un valore limite equivalente
a Zero. Comunque sappiamo che lo Zero assoluto non e fisicamente
raggiungibile e pertanto la variazione di entropia risulta essere
un dato quantitativo fortemente limitato ai sistemi di equilibrio
, da cui si desume una approssimata indicazione di tendenza dello
sviluppo di una trasformazione.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) cerco' di comprendere il significato
fisico della tendenza all' aumento dell'entropia, considerata
da Clausius , come principio generalizzato di degradazione dell'energia
, proprio per il fatto che l' ENTROPIA in un sistema chiuso diventa
un deterrente che rende progressivamente sempre meno disponibile
per realizzare un lavoro utile. Boltzmann pertanto ritenne che
l' Entropia fosse una misura statistica della distribuzione delle
molecole, vista in relazione alla possibilita' di definire la
direzione media del moto di ciascuna molecola nello spazio cartesiano;
in tale guisa ritenne che la Energia Cinetica di ciascuna molecola
di un gas ideale potesse essere considerata equivalente nelle
tre direzioni dello spazio . Facendo seguito a tale approssimazione
considero' di poter definire da un ordine statistico (P)
di insiemi molecolari che degradavano la loro energia durante
le trasformazioni . Pertanto egli suppose di poter asserire che
, mentre la energia tende a disperdersi, la entropia di un sistema
chiuso a ulteriori scambi di energia e materia, tende ad aumentare
fino a raggiungere la "morte termica". Boltzmann
espresse queste sue idee con la formula che fece iscrivere sulla
sua tomba <S = K Log P> , purtroppo dopo essersi
suicidato a Trieste , per la depressione causata dalle forti divergenze
di opinione con gli scienziati a lui contemporanei I quali non
compresero la sua interpretazione logaritmica delle Entropia .
Infatti si ricorda che Wilhelm Ostwald (1985) scrisse in
proposito della equazione di Boltzmann " The Irreversibility
of Natural Phenomena cannot be described by mechanical equations."
Pertanto con Boltzmann la termodinamica classica rimase limitata
da tali indicazioni assai teoriche ed ipotetiche , proprio perche'
gia' allora era evidente che, nelle trasformazioni chimiche irreversibili
avvengono tutta una serie di fenomeni non lineari, i quali danno
luogo ad una inversione della direzione della entropia , la quale
invece di crescere con la dispersione di energia, tende viceversa
a diminuire, creando nuove strutture di ordine molecolare .Di
conseguenza il tema fondamentale della termodinamica dei sistemi
lontani dall' equilibrio , divenne nel XX secolo, quello teso
a capire come si formi dal caos la "Entropia Negativa",
ovvero come si e detto in seguito come si sviluppino sistemi di
trasformazione " non" lineare , sulla base dello sviluppo
di NEG-ENTROPIA.
Nel 1944 Erwin Schroedinger scriveva a tale proposito:
"l'organismo si alimenta di entropia negativa, attraendo
su di sé [...] un flusso di entropia negativa, per compensare
l'aumento di entropia che esso produce vivendo, con cio' riesce
a mantenersi ad un livello di entropia stazionario notevolmente
basso". Con l'introduzione del concetto di entropia negativa,
poi chiamata da Leon Brillouin "nega-entropia",
(vedi : Brillouin, L., Scientific Uncertainty and Information,
Acc. Press, New York and London, 1964.), si volle porre in risalto
come la "ENTROPIA NEGATIVA" fosse legata all'aumento
della misura dell'ordine, in opposizione a quella tendenza naturale
che spinge al disordine. Alcuni anni dopo, l'importanza del concetto
di Entropia Negativa venne meglio evidenziato da lo stesso Brillouin
, che pose l' ENTROPIA in relazione la INFORMAZIONE necessaria
a definire la tipicità dell'essere vivente. Brillouin affermo
che, mentre nel caso di strutture inorganiche si può considerare
l'entropia di un sistema come la somma di singoli valori entropici,
questo per' non e' piu' non è possibile nel caso si abbia
a che fare con un sistema vivente. Pertanto sottolineo come il
concetto di entropia risulti valido solo per un sistema perfettamente
chiuso, cioè che non riceve dall'esterno alcun tipo di
energia.
Ilya Prigogine Premio Nobel Per la Chimica 1977, parti
da tali considerazioni e mise in evidenza come le strutture organizzate
che si formano mediante lo scambio con l'esterno di energia e
materia realizzino strutture dinamiche altamente organizzate che
sono state chiamate, da Ilya Prigogine, "strutture dissipative
di energia". In seguito a cio' molti scienziati nell'
ambito del secolo scorso hanno teso ad estendere la termodinamica
per comprendere le trasformazioni irreversibili che si comportano
generando neg-entropia. Un ampio dialogo su tali tematiche e proseguito
durante tutto il secolo scorso; e' pertanto utile rammentare che
Erwin Schrodinger (1887-1961) premio Nobel per la fisica
nel 1933, sottolineo come gli esseri viventi mostrino un comportamento
opposto a quello sancito dal secondo principio, in quanto essi
nascono e vivono mantenendo internamente un livello di ordine
e organizzazione estremamente elevato. E. Schrodinger avanzò
infatti l'ipotesi che gli esseri viventi, pur essendo costretti
a degradare energia come ogni altra macchina termica, "assorbano"
neg-entropia (ovvero entropia con il segno meno) ed ad un tal
proposito dice testualmente << ...Meno paradossalmente si
può dire che l'essenziale nel metabolismo è che
l'organismo riesca a liberarsi di tutta l'entropia che non può
non produrre nel corso della vita. >>, ovvero, in parole
povere, lo scopo primario delle cause della vita non è
certo obbedire ciecamente al secondo principio della termodinamica,
ma piuttosto di contrastarlo con tutti i mezzi necessari. (vedi
SCHRODINGER, ERWIN. Scienza e umanesimo. Che cos'è la vita.
Sansoni, Firenze 1978 (1953-1947). E. Schroedinger pertanto affermò
che "gli esseri viventi possono sopravvivere soltanto se
si nutrono di entropia negativa, traendola dall' ambiente circostante".
Schrodinger , tuttavia, si mosse concettualmente ancora in ambito
termodinamico, nel quale la negentropia cambia solo e soltanto
il segno di un processo energetico che e' sempre inquadrato in
una concettualita' meccanica proprio in quanto Schrodinger non
considero' espressamente la relazione tra "neg-entropia ed
informazione", come fenomeno coerente ed oggettivo della
trasformazione energetica di un sistema capace di invertire la
transizione da entropico in neg-entropico..
Giorgio Piccardi (1895-1972) Direttore dell' Istituto di
chimica Fisica della Università di Firenze, anch'esso ben
noto a livello internazionale, diceva, a noi studenti : "non
bisogna dimenticare che i sistemi complessi (a partire dagli orologi
chimici, agli esseri viventi, ecc), hanno in comune il fatto di
produrre essi stessi le proprie caratteristiche della struttura
dello spazio-tempo , e cio' significa che essi sono capaci di
formalizzare livelli di auto-organizzazione che sono riconducibili
sia a livello dei costituenti microscopici che macroscopici. Per
Giorgio Piccardi la comparsa della vita, forse, doveva considerarsi
come una complessa "inversione non solo numerica della
entropia" , cosi che da una condizione caotica di interazione
tra ed energia materia la natura nella sue evoluzione biochimica
aveva appreso sviluppare una strategia incredibilmente complessa,
che pertanto diviene particolarmente incomprensibile per coloro
che la analizzano in termini di una antiquata concezione lineare
della termodinamica classica. Infatti l'aumento di entropia che
si registra nelle trasformazioni idealmente chiuse a scambi di
energia e materia con l' Universo , corrisponde ad un accrescimento
temporaneo dell' Entropia. Viceversa e' facile osservare sperimentalmente,
che in sistemi reali aperti agli influssi ed influenze cosmiche
, la negazione di entropia non consiste in un semplice trasferimento
di segno del valore numerico da positivo a negativo. Infatti rammentava
Piccardi , la Entropia per significare effettivamente il "contenuto
in mutamento" va interpretata nell' attuazione del completo
passaggio tra entropia e "neg- entropia nell' ambito di sistemi
lontani dall' equilibrio termodinamico. Perseguendo tali obiettivi
di ricerca Piccardi si propose di cercare di capire quali fossero
gli agenti del processo di trasformazione che conduce la chimica
delle reazioni aperte a scambi di energia , ad invertire il sistema
entropico in neg-entropico. Pertanto Piccardi inizio' le sue ricerche
sui sistemi lontani dall' equilibrio termodinamico , iniziando
con lo studio dio cosi detti "Barometri Chimici" detti
piu' comunemente "STORM GLASS" . Le reazioni
chimiche che avvengono nello "STORM GLASS" producono
un cambiamento oscillante di solubilizzazione della Canfora quando
sono esposte ad una situazione ambientale che permette do osservare
solo uno scambio di energia ma non di materia . Infatti gli "STORM
GLASS" sono realizzati da una soluzione idro-alcolica di
canfora a contrazione costante, sigillata in una provetta di vetro
, in presenza di nitrato di ammonio, come si ricava dalle antiche
ricette alchemiche. La provetta sigillata viene posta a "bagno
maria" a temperatura costante e pertanto la soluzione di
canfora e nitrato di ammonio, non subisce influenze dalle variabili
termodinamiche essendo constanti , temperatura, pressione e concentrazione.
Tali barometri chimici sono noti fin dai tempi antichi della alchimia
, e sono utilizzati ancor oggi per sapere in anticipo le variazioni
delle condizioni climatiche, in quanto indicano con accuratezza
l' evolversi delle condizioni atmosferiche . Infatti se il cristallo
di canfora cresce spontaneamente nella provetta dalla soluzione
liquida (generando una situazione neg-entropica),si constatera
che e possibile fare una previsione di cattivo tempo atmosferico
( pioggia); quando viceversa il cristallo di canfora tendera'
nuovamente a disciogliersi solubilizzandosi , cio indicherà
che le condizioni atmosferiche miglioreranno. Giorgio Piccardi
studio' in seguito ,per circa 30 anni , il comportamento di tutta
una serie di "Fenomeni Chimici Fluttuanti" ,
quali ad es gli Anelli di Liasegang e le cosi dette CLOCK REACTIONS
individuando nelle " influenze elettromagnetiche"
derivanti dalla azione delle variazioni del campo elettromagnetico
tra il sole e la terra, uno dei motivi essenziali della inversione
delle relazioni tra entropia e neg-entropia che danno luogo alla
evoluzione dei sistemi viventi.
In seguito Ilya Prigogine, premio Nobel per la chimica
(1977) prendendo spunto dalle reazioni chimiche oscillanti , asseri
che la termodinamica classica si era riferita preferenzialmente
ad ipotetiche condizioni di equilibrio falsamente applicate anche
nell' ambito delle trasformazioni irreversibili, proprio in quanto
tali processi sperimentali venivano considerati nell' ambito della
Termodinamica classica , come semplici varianti temporanee di
una sostanziale uniformita' concettuale propria della fisica meccanica
, dove ogni equazione e reversibile rispetto al tempo. Ma tale
atteggiamento mentale basato sulla ammissione della reversibilità
rispetto al tempo non corrisponde alla osservazione delle reazioni
oscillanti. Infatti si osserva che una fluttuazione impercettibile
attorno al punto di biforcazione in una reazione do trasformazione
irreversibile è in grado di innescare meccanismi di evoluzione
che instradano l'intero sistema verso una alterazione ad entropia
negativa in relazione allo sviluppo di cambiamenti di stato macroscopici.
Ilya Prigogine in sintesi disse: La termodinamica e' stata valida
nelle condizioni di riferimento di termodinamica di equilibrio.
I processi irreversibili infatti ,diversamente dalla condizioni
di equilibrio, originano nuovi stati dinamici della materia che
riflettono l'interazione di un dato sistema con ciò che
lo circonda. Prigogine chiamo' queste nuove strutture dinamiche
" dissipative" per sottolineare il ruolo di scelta
tra situazioni di incertezza che generano "biforcazioni"
in seno allo sviluppo energetico, cosi da fornire alternative
capaci di dare luogo a processi altamente dissipativi di energia
che nella loro formazione sviluppano un nuovo ordina molecolare
a partire dal caos delle decomposizione dei reagenti iniziali
di una reazione chimica che li trasforma in nuovi prodotti. Pertanto
nei sistemi lontani dall'equilibrio le "strutture dissipative"
originano dalle esitazioni che il sistema manifesta in prossimità
di un nodo di biforcazione, cosi'che osserviamo che la' dove la
fluttuazione è massima, nessuna delle possibili evoluzioni
è privilegiata rispetto alle altre. In questi casi la legge
della simmetria dei grandi numeri è definitivamente rotta
ed il principio di ordine di Boltzman perde il suo rigore scientifico.
Una fluttuazione impercettibile attorno al punto di biforcazione
è infatti in grado di innescare meccanismi di evoluzione
che instradano l'intero sviluppo di trasformazione generando un
nuovo ordine molecolare
Con l'introduzione del concetto di entropia negativa, chiamata
da LEON BRILLOUIN (1889-1969) "nega-entropia",
Brillouin volle porre in risalto come quest'ultima fosse correlata
alla produzione e comunicazione di informazione. Infatti disse:
"quello che ancora abbiamo bisogno di sapere e' come una
molecola in una trasformazione bio-chimica diventi un messaggio
ovvero un segnale di informazione", e cio e' decisamente
importante proprio in quanto "vita e comunicazione di
informazione" sono concetti inseparabili. La negazione
dell' entropia nei sistemi aperti a scambi di energie e materia
e' un processo che conduce alla qualificazione di forme di energia
a piu basso contenuto entropico ed in tal modo si ottiene il risultato
di una maggior efficacia energetica, che non rappresenta di per
se stessa un risparmio di energia, ma al contrario provoca una
forte dissipazione di calore come diviene necessario per una effettiva
crescita della complessita' biologica che si sviluppa in parallelo
ad una crescita di informazione per la gestione di sistemi evolutivi
complessi.
Un esempio delle relazione tra complessita e qualificazione delle
energia a piu basso tasso entropico lo abbiamo , considerando
la sintesi biologica del ciclo di Krebs, che conduce alla formazione
della molecola ATP (Adenosina trifosfato) la quale costituisce
la base della energia bio-elettrica dei sistemi viventi. Infatti
dalla rottura del triplo legame fosforico si ottiene la liberazione
di un doppietto di elettroni che determinano, a cascata, tutta
una serie di reazioni catalitiche di natura bio-elettrica che
hanno un rendimento elevato in informazione a spese di una elevata
dispersione di calore. In seguito a simili considerazioni , con
il suo libro Leon Brillouin, "Science and Information Theory",
Second Edition, Academic Press, (1962), iniziò un nuovo
capitolo della Scienza.
Il successivo sviluppo della moderna " Teoria della Informazione"
ha comunque trattato la informazione in termini statistici di
un ente "immateriale" concettualmente privo sia
di energia e di massa, trattando il concetto di "entropia"
nel quadro di una nuova disciplina l' INFORMATICA , nettamente
separata dalla fisica termodinamica. In tal guisa si e dato adito
ad più di una possibile definizione di Entropia, poichè
essa può essere presentata sotto vari aspetti (termodinamico,
statistico-probabilistico, informatico, ecc). In seguito a tale
molteplicita di definizioni la " ENTROPIA RELATIVA DI
SHANNON" e stata presa in considerazione sotto il profilo
delle nuove discipline delle cibernetica e della informatica .Pertanto
la formulazione della "Entropia Relativa", che si deve
a Shannon, prende le mosse dall'osservazione che "La natura
dell'informazione è discreta". Inizialmente si
riteneva che il problema, nei sistemi di telecomunicazione, fosse
quello di riprodurre fedelmente una funzione continua nel tempo.
Invece, con Shannon, ci si accorse che, essendo l'informazione
il frutto di una fondamentale selezione della energia vibrazionale
coinvolta , risultava sufficiente trasmettere un insieme finito
di dati per avere la comunicazione dello stesso contenuto informativo.
Pertanto Shannon affermo che , "ogni volta che elaboriamo
dei dati, diminuiamo la quantità di informazione per estrarne
il significato". Il problema che restava, comunque, aperto,
era relativo all'interpretazione dell'informazione come energia.
Di conseguenza la "ENTROPIA RELATIVA DI SHANNON" tratta
solo di un calcolo statistico relativo alla perdita di entita'
di dati di informazione, quest'ultimi sono visti come fattori
numerici discreti esprimibili in bit , anzichè come una
funzione continua nel tempo come e' la entropia in termodinamica.
Tale approccio di Claude E. Shannon fu descritto (1948)
nel quadro delle teorie matematiche della comunicazione , quale
concetto decisamente importante per comprendere la perdita di
informazione nella trasmissione tecnologica di segnali che utilizzano
un codice binario. Infatti ad ogni trasmissione di dati attraverso
un mezzo o canale di connessione mutuamente reversibile , si verifica
una diminuzione della quantita' di dati di informazione emessa
dalla sorgente. Ciò che unisce l'Entropia Relativa di Shannon
e quella Termodinamica classica e solo il rendimento e cioe' il
differenziale tra valori assoluti , e non il valore cognitivo
intrinseco alla natura fisica dei sistemi naturali che si evolvono
sulla base della comunicazione biologica informazione .Pertanto
restava aperto il problema precedentemente emerso con Leon Brillouin
circa l'interpretazione fisica della informazione. Rendendosi
conto di tale dissociazione tra Fisica e la nuova Teoria della
Informazione lo stesso Shannon scrisse in proposito del nome da
dare alla nuova formulazione matematica : "La mia più
grande preoccupazione era come chiamarla. Pensavo di chiamarla
informazione, ma la parola era fin troppo usata, così decisi
di chiamarla incertezza. Quando discussi della cosa con John Von
Neumann, lui ebbe un'idea migliore. Mi disse che avrei dovuto
chiamarla "entropia" , per due motivi: "Innanzitutto,
la tua funzione d'incertezza è già nota nella meccanica
statistica con quel nome. In secondo luogo, e più significativamente,
nessuno sa cosa sia con certezza l'entropia, così in una
discussione sarai sempre in vantaggio"" In tal modo
si comprende come il passaggio dalla società industriale
alla Societa della Informazione, abbia sostanzialmente
evitato un approfondimento integrato delle conoscenze scientifiche
, procedendo verso una sempre piu' ampia e specializzazione mirata
allo sviluppo tecnologico piu' che alle strategie di comprensione
della natura delle trasformazioni sulla base di una finalita'
tesa alla comprensione universale e condivisa dei problemi di
sviluppo del sapere.
Questa nuova dimensione integrata e trans-disciplinare di interesse
sulla realtà fisica e biologica della informazione , emerge
solo oggi agli inizi della "Società della Conoscenza"
in cui stiamo vivendo . Pertanto e oggi il momento storicamente
adatto per capire la informazione vista in termini di energia
di elevata qualità che quindi corrisponde ad un a basso
gradiente entropico, cosi che l' energia di informazione diviene
la base delle effettive capacità di comunicazione della
natura, a partire dalle strutture atomiche e molecolari, fino
ad costruire la complessità biologica degli organismi piu
evoluti ivi compreso l' uomo.
Per definire la Informazione come nuovo parametro energetico
è necessario capire, come ha evidenziato lo storico e filosofo
delle scienza Thomas Kuhn ( 1922- 96) , che la scienza
non ha un carattere sequenziale, ma sviluppa storicamente nuovi
paradigmi basati sulla necessita' di introdurre nuovi concetti
che permettano il superamento delle precedenti logiche riduttive
della scienza. Cosi e stato per la Termodinamica classica che
con Clausius introdusse il nuovo concetto di Entropia , che evidentemente
non era derivabile dalle precedente impostazione della meccanica
di Newton , la quale non presumeva la necessita di stabilire che
la energia pur conservandosi si andava degradando facendo diminuire
la efficienza di un motore.
Allo stesso modo oggi prendendo in considerazione i piu recenti
sviluppi delle scienze della vita, abbiamo ritenuto opportuno
ed appropriato annoverare l' energia di informazione (EI) tra
le principali forme di energia che vanno sommarsi a quelle codificabili
Energia Condensata come Materia (EM) e quella derivante
dall'intero spettro vibrazionale (EV) , cosi da manterene
valido quanto propose il chimico Antonine Laurent Lavoisier
(1743 -1794) dicendo : "Nulla si distrugge, tutto si trasforma".
Pertanto addizionando tali tre forme distinte di Energia
possiamo mantenere l' assioma fondamentale della Scienza di tutti
i tempi basato sulla conservazione della Energia Totale, scrivendo
: < EI +EM + EV = Costante> ; di conseguenza datosi
che le variazioni (d) di una qualsiasi costante sono nulle , l'
equazione precedente diviene <<d(EI) + d(EM) + d (EV)
= 0>> . Da essa possiamo ricavare la seguente definizione
<+ d(EI ) = - d(EM) d (EV) >, che abbiamo definito
come PRINCIPIO di FERTILITA EVOLUTIVA. (PFE)
Il Principio di Fertilità Evolutiva (PFE), consegue
alla ammissione che la energia non si crea ne si distrugge, ma
si trasforma in senso evolutivo. Infatti il "PFE"
in sintesi dice che, all'aumentare della elaborazione di informazione
(+dI) interattiva , in corrispondenza si ha una forte dispersione
delle Energie differentemente codificate. Pertanto lo stato di
massima entropia, riletto nel quadro del "PFE", indica
che con l'aumento di Entropia viene diminuita l'energia del sistema
disponibile per compiere lavoro, ma inoltre il "PFE"
pronostica in che modo la energia non viene distrutta ma si e
trasformata. Infatti in gran parte la energia viene dispersa nell'
ambiente al fine di permettere il raggiungimento di una nuova
condizione di minimo energetico nelle trasformazioni, mentre un'altra
parte (EI) modifica il suo strato di codificazione in quello di
Energia di Informazione , elevando progressivamente il suo livello
di qualita' NEG-ENTROPICA per regolare la complessita' della vita.
Questa formulazione del "PFE" e' qui riportata nel modo
piu' semplice ed intuitivo in quanto fa parte integrante di una
teoria alquanto complessa , ed infatti introducendo le formulazioni
ed i valori relativi ai tre fattori (E,M,I) essi vengono
ad essere rappresentati da dei tensori tri-varianti anziche' da
semplici matrici bi-varianti , con cui si trattano le interazioni
tra Energia e Materia . Quanto sopra diviene necessario proprio
in quanto va presa in considerazione la produzione di Energia
di Informazione (EI) che sulla base delle nella ciclicità
delle trasformazioni di un sisteme aperto a scambi di energia
e materia , permette la evoluzione della complessita' degli esseri
viventi guidata dalla generazione della codificazione della energia
in un sistema di informazione.
Pertanto la suddetta equazione relativa al "PFE" , nella
sua teorizzazione piu completa, implica la organizzazione di una
forma di energia altamente qualificata come prodotto delle
interattività tra EM ed EV , e pertanto tende ad assumere
una dinamica di sviluppo che graficamente diviene simile alla
forma tipica della antica raffigurazione alchemica cinese dello
"YIN-YANG" ( risalente 200 300 dC). Ricordo
infine che tale antico simbolismo alchemico rappresenta la concezione
della continua ricomposizione oscillante delle energie generata
dalla cosi detta legge di "Opposizione//Interdipendenza
relativa dei contrari ", per cui i tratti negativi si
riconvertono in positivi in modo ciclico e reversibile, cosi che
Lo Yin e lo Yang possono trasformarsi reciprocamente l'uno nell'altro
proprio in quanto non sussistono mai lo Yin e lo Yang come valori
assoluti. L'equilibrio statico NON esiste: se ciò fosse
non vi sarebbe nessuna evoluzione. Infatti fin dalla antica
alchimia cinese si ritenne che lo scopo della vita fosse intrinseco
alla necessita di adeguarsi ad un continuo miglioramento delle
perenni trasformazioni ambientali, come era gia allora evidente
sulla base delle osservazioni di cambiamenti energetici dell'
ambiente nel quale i sistemi si riproducono rispondendo alle cadenze
ritmiche generate dalle interazioni evolutive tra energia e materia
poichè la vita ha un perenne bisogno di riciclarsi e di
rigenerarsi per creare dinamiche di sviluppo evolutivo.
Concludendo questa relazione divulgativa ritengo veramente che
una nuova ERA di ricerca nel settore delle scienze della vita
possa solo emergere da un cosciente superamento dei limiti storico
- cognitivi delle concezioni meccaniche , che gia progressivamente
stanno evolvendosi come e' stato ampiamente delineato da questa
relazione tesa ad individuare la dimensione della comunicazione
di informazione nello sviluppo delle nuove conoscenze propedeutiche
del passaggio tra la società industriale e la futura
società orientata dal quadro dei piu recenti sviluppi delle
scienze della vita.
Paolo Manzelli FIRENZE 12-OTT-2005. <LRE@UNIFI.IT>
BIBLIO ON LINE :
- COHERENCE 2005 ROMA -14/OTT/2005 : Elementi del dibattito
on line sul Convegno COHERENCE 2005 sono reperibili su : http://egocreanet.iobloggo.com/archive.php?eid=8
ed inoltre in : http://www.vglobale.it/pub/Allegato/UNA%20PARTITA%20AGOSTANA%20PER%20LA%20TERMODINAMICA.doc
http://jacques.benveniste.org/liens/Termodinamica%20e%20vita%20Coherence%202005.pdf
- Principi termodinamici : http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/2155/termodinamica.html
-Termodinamica:http://www.ba.infn.it/~zito/museo/gemme.html#n6
; http://giorgio.usr.dsi.unimi.it/webscu/lss_machiavelli/FISICA/tempecalore2.htm
-Concetti termodinamici elementari: http://pcfarina.eng.unipr.it/DispenseFTI-02/mascia145580c.PDF
-Elementi di Storia delle Termodinamica: http://www.itclucca.lu.it/museo/termo0T1.htm
-Elementi di critica alla nozioni termodinamiche : http://www.dipmat.unipg.it/~bartocci/fis/PROMEM2.htm
-
Incertezza e probabilità: http://xoomer.virgilio.it/llpassal/prigogine/prigogine14.htm;
http://xoomer.virgilio.it/llpassal/prigogine/prigogine5.htm
-Caos Deterministico: http://www.giornalediconfine.net/n_precedente/art_5.htm;
http://www.plancton.com/papers/chaos.pdf
La Complessita' Biologica: http://www.unipv.it/iuss/sus/Libro_Cap_8.doc
- ILYA- PROGOGINE: http://www.filosofico.net/prigogine.htm
- LEON BRILLOUIN: http://it.wikipedia.org/wiki/Leon_Brillouin
- "What Is Life ? "- ERWIN SCHRODINGER: http://dieoff.org/page150.htm
STORM GLASS: http://www.allivanmktg.com/stmglass.htm;
http://chemistry.about.com/od/weirdscience/a/fitzroy.htm
- Studio dei processi metabolici della alimentazione: http://www.edscuola.it/archivio/lre/metabol.html
- Entropia di informazione: http://it.wikipedia.org/wiki/Entropia_(teoria_dell'informazione)
- Angoscia Collettiva : http://www.ecplanet.com/canale/salute-7/psicologia-84/0/0/16040/it/ecplanet.rxdf
- ENERGIA MATERIA-INFORMAZIONE: http://www.e-conomy.it/Risorse/new-economy/caos.htm
- Dal Mondo degli Atomi al mondo dei Bit : http://www.psychomedia.it/pm/telecomm/telematic/manzelli.htm
http://www.ceu.it/fisica/1001fisic.htm
- Capire la Chimica: http://www.edscuola.it/archivio/lre/capire_la_chimica.htm
- Catalisi ed informazione: http://www.edscuola.it/archivio/lre/catalisi_ed_informazione.htm
- Tempo di Catalisi: http://www.edscuola.it/archivio/lre/tempo_di_catalisi.htm
- Chemical Bases of Bilogical Information : http://www.edscuola.it/archivio/lre/chemical_bases.htm
- Life Science Communication: http://www.edscuola.it/archivio/lre/life_science_communication.htm
N.B. Il CD-ROM sulle Reazioni chimiche Oscillanti , realizzato da I.Borsini,R.Cardellini,M.Costa,P.Manzelli ,e' stato pubblicato dal Centro Didattico TV. Della Universita' di Firenze (CESIT) www.UNIFI.IT , e puo' essere richiesto in visione.