DIDATTICA DELLA BIOLOGIA

LEZIONE DEL 29 OTTOBRE 2001

Viene mostrato un lucido riferito al concetto di sistema, nel quale vengono indicate le definizioni già emerse nel corso della precedente lezione.

posizione osservatore (?)

diversi livelli di organizzazione

molte variabili

ha proprietà emergenti

omeostasi

relazioni circolari di causa/effetto

ha componenti collegate strutturalmente e funzionalmente

è governato da leggi

ripercussione all’intero sistema delle variazioni in un punto

SISTEMA

capacità di riconoscere il sé dal non sé

è aperto

Si farà inizialmente una carrellata sul concetto di sistema (introducendo anche alcune TEORIE sui SISTEMI); si parlerà poi di come applicare la visione sistemica al vivente. In seguito verrà effettuata un’analisi di alcuni libri di testo, per vedere come (e se) è applicato in essi il concetto di sistema; vi sarà infine una discussione comune.
Il  termine sistema è, in generale, molto ampio (sistema urbanistico, economico, sociale, ecc.). Il sistema è un’entità organica che si comporta come un tutt’uno globale; se da un sistema si toglie una parte, esso può cambiare o, addirittura, non funzionare più. Le diverse parti di un sistema sono tra loro assai differenziate, potendo appartenere a categorie del tutto differenti (ad es. in un sistema urbanistico ci sono edifici, ma anche la viabilità, coloro che redigono i piani urbanistici, e così via). In ogni caso l’accento forte di un sistema è dato dalla interazione tra le sue parti.
I sistemi biologici sono complessi ed adattativi; sono aperti e possono evolversi ed adattarsi. Le relazioni causa/effetto sono per lo più di tipo circolare. Talora non c’è alcuna proporzione tra causa ed effetto; cause apparentemente insignificanti, possono portare ad effetti notevolissimi. Ad esempio la differenza tra il DNA dell’uomo e quello dello scimpanzé è solo dello 1,6 %, ma tra le due specie c’è una diversità notevolissima. Tra un sistema e l’ambiente avvengono scambi continui di materia, energia ed informazioni. Le definizioni di sistema sono, in ogni caso, le più diverse e riflettono differenti visioni teoriche degli autori. Si può affermare che un sistema vivente è in grado di “variare le regole del gioco mentre sta giocando”; esso risponde ai cambiamenti ambientali o, addirittura, modifica l’ambiente in cui vive.

LE CARATTERISTICHE DI UN SISTEMA COMPLESSO: a) presenta un alto numero di elementi; b) ha proporzioni non lineari tra cause ed effetti; c) presenta effetti ritardati; d) presenta feedback positivi e negativi; e) presenta strutture a rete; f) è aperto; g) è dinamico; h) è gerarchico; i) è robusto; l) è innovativo; m) è imprevedibile; n) mostra fenomeni di autorganizzazione.
	Per chiarire il punto b, viene detto che nei sistemi complessi c’è una non prevedibilità (o meglio una prevedibilità non totale). Poiché non esiste una correlazione sicura tra INPUT ed OUTPUT, nei fenomeni biologici è più corretto adoperare delle logiche probabilistiche piuttosto che deterministiche.
	Per quanto riguarda la presenza di feedback positivi o negativi, viene sottolineato che l’intreccio di relazioni ed interazioni di un sistema è sempre governato e controllato (viene mostrato un lucido in cui è applicato questo concetto ad un campo del tutto diverso: quello delle vendite di un giornale). I feedback negativi sono fenomeni di stabilizzazione di un sistema; quelli positivi hanno, invece, una funzione di stimolo per il sistema stesso.
	Nei sistemi complessi esiste sempre il problema del controllo: nei limiti di un certo range essi presentano un’invarianza a livello macroscopico (è come se ci fosse un “disordine ordinato”). I livelli inferiori sono sempre controllati da quelli superiori.
	Questo controllo e questa regolazione rendono “robusto” un sistema. Un sistema sarà tanto più robusto quanto più saranno deboli le interazioni fra le sue componenti. Quanto più un sistema è flessibile (o poco rigido), tanto più è in grado di assorbire l’arrivo di eventuali perturbazioni esterne. I sistemi viventi sono inoltre assai ridondanti e “tolleranti” di fronte agli errori. Noi abbiamo, solo per fare un esempio, diversi organi “soprannumerali” (che rappresentano una sorta di “errori” da cui in futuro potremmo anche trarre una qualche utilità). Questo è un modo assai diverso di funzionare rispetto ad un qualsiasi sistema costruito dall’uomo, che è scarsamente tollerante rispetto agli errori (si pensi, ad esempio, ad un sistema aeroportuale). 
	Con un altro lucido, tratto da un libro, viene introdotto il tema della differenziazione tra i termini “complesso” e “complicato”: il lucido mostrato esplicita questa differenza (un computer di per sé è, ad esempio, complicato, mentre per un software va forse meglio il termine complesso).
	Viene sottolineato poi che il RIDUZIONISMO ha fatto in modo che venissero studiate parti sempre più minute di un sistema; ma in questo modo può forse sfuggire quello che è l’aspetto globale di un sistema (l’organismo è un insieme di elementi tra loro assai difficilmente isolabili). Studiare un organismo “a pezzetti” significa certamente sminuirlo.
In sostanza un sistema complesso è robusto, ridondante ed evolvendosi riesce a neutralizzare gli errori; esso, inoltre, è costituito da parti tra loro difficilmente isolabili e può essere studiato a livelli diversi di organizzazione.
	Mediante un lucido viene mostrato un altro aspetto dei sistemi. Esistono, infatti, dei modelli che attraverso l’applicazione di formule matematiche (allo scopo di analizzare le trasformazioni dei sistemi) hanno mostrato che un sistema tende a fluttuare tra due estremi: quello dell’ordine e quello del disordine (studi di Kauffman). È mostrata la reciproca interazione di vari elementi binari del tipo SI/NO (nello schema è indicato con n il numero di elementi e con k lo stato di attivazione/non attivazione). Facendo evolvere (mediante simulazione al computer) il sistema per numerosi cicli, si è osservata un’oscillazione tra un comportamento “ordinato” ed uno “caotico”. Allo stesso risultato pervenne un altro ricercatore operando con automi tra loro interagenti.
	Viene mostrato un altro modello (di Per Bak) realizzato per comprendere le DINAMICHE SISTEMICHE: il modello è costituito da un mucchio di granelli di sabbia, cui se ne appoggiano via via, dall’alto, degli altri. Il sistema può reagire alla perturbazione mediante tante piccole valanghe, oppure mediante una valanga grande. In sostanza, quando è in presenza di una perturbazione esterna, il sistema si trova di fronte ad una “biforcazione catastrofica”. Esso può distruggersi, oppure trovare un altro stato stabile (ciò risulterà più facile per un sistema maggiormente flessibile ed adattabile).
	Si parla ora della CAPACITÁ OMEOSTATICA dei sistemi complessi (definizione di Claude Bernard, che parlò di “capacità di mantenere l’ambiente interno”). I sistemi sono continuamente alla ricerca di un equilibrio, trovandosi perciò in una condizione di “non equilibrio stazionario”.
	La regolazione può essere analizzata a diversi livelli di organizzazione. Ad esempio, a livello cellulare, si trovano molti enzimi regolatori (enzimi allosterici, in grado di cambiare la loro forma). Una cellula può essere vista anche come un SISTEMA di ORGANELLI CELLULARI (con presenza di membrane che separano ambienti differenti e che hanno anche loro una funzione regolatrice).
	Va aggiunto poi che qualsiasi processo di regolazione comporta un dispendio energetico: un pesce è ETEROTERMO (a differenza di un mammifero che è OMEOTERMO), perché altrimenti avrebbe un dispendio di calore troppo elevato. Nell’ambiente in cui vive gli “conviene” essere eterotermo.
	I parametri che vengono regolati in un sistema omeostatico sono: la temperatura (mediante processi chimici e metabolici), l’acqua e l’equilibrio salino. Quindi le “prime preoccupazioni” di un sistema omeostatico consistono nella regolazione dei livelli di zucchero, azoto, degli ormoni, ecc.
	Il significato del discorso affrontato oggi consiste nel sottolineare le caratteristiche che accomunano il sistema vivente con qualunque altro sistema complesso.
	Per insegnare la biologia può essere seguita una via riduzionista, consistente nell’analisi puntuale di ogni singolo dettaglio: ma questa strada rischia di diventare sterile se non si forniscono ai ragazzi gli strumenti per poter analizzare il vivente in modo globale. Non vanno sicuramente bene gli “scaffali mentali” con tanti argomenti biologici poggiati sopra; al contrario sarebbe assai importante saper analizzare le situazioni biologiche mediante logiche sistemiche. Un buon insegnante deve trovare il modo di fornire tali logiche ai propri discenti.
	Nella seconda parte della lezione vengono distribuiti (uno per ciascun gruppo di specializzandi) dei libri di testo della scuola media. Viene domandato se questi testi aiutano nella comprensione della biologia secondo un’ottica sistemica. In caso contrario come andrebbero, a nostro avviso, presentati certi argomenti? Che genere di stimoli possono essere forniti ai ragazzi affinché essi possano acquisire una visione sistemica della biologia?
	Vengono indicate alcune tipologie di “carenze” che possono caratterizzare in modo negativo un libro di testo: a) a livello di contenuti; b) a livello di presentazione, immagini comprese; c) a livello di linguaggio; d) a livello di sequenza; e) altro.
	Sono posti, inoltre, i seguenti quesiti: a) cosa ci si può aspettare da un libro?; b) cosa ci si può aspettare da esperienze?; c) quale ruolo può avere il discorso con gli alunni?

APPENDICE SUI TESTI CONSIGLIATI
1)	ALBERTO GANDOLFI: “Formicai, imperi, cervelli”. Introduzione alla scienza della complessità. Ed. Bollati-Boringhieri Saggi. 299 pp., £ 45000
2)	NATURALMENTE (rivista trimestrale): Bollettino di informazione degli insegnanti di Scienze Naturali
3)	ENCICLOPEDIA EINAUDI: Alle voci: “Sistema”, “Organizzazione”, “Controllo”