È impossibile non rimanere impressionati dalla complessità raggiunta dal funzionamento dei meccanismi cellulari nel corso dell’evoluzione. Il programma cellulare che controlla il ciclo e lo sviluppo della cellula deve fronteggiare le fluttuazioni dell’ambiente e delle fonti di energia. Esso integra numerosi segnali, chimici e di altra natura, ciascuno dei quali contiene, magari, informazioni incomplete riguardo agli eventi che la cellula deve rintracciare per poter determinare quali subroutine attivare o disattivare, oppure rallentare o accelerare. Tali segnali, che derivano da processi interni, da altre cellule e da cambiamenti nel mezzo extracellulare, arrivano in maniera asincrona e sono multivalore; in altre parole, essi non sono semplicemente ‘accesi’ o ‘spenti’ ma possono avere numerosi diversi significati per l’apparato cellulare.
I sistemi di controllo cellulari sono caratterizzati proprio da questa tipica modalità di controllo solido, integrativo, asincrono, sequenziale ed analogico.
Nel seguito ipotizziamo che tali sistemi di controllo contengano anche una ulteriore caratteristica: spesso nel loro funzionamento si osserva un irriducibile non-determinismo che, oltre a comportare differenze nella temporizzazione degli eventi cellulari nell’ambito di una popolazione di cellule sotto tutti gli altri aspetti geneticamente identica (isogenica), puo anche comportare profonde differenze nella sorte delle cellule. La circuiteria che controlla tali sistemi di controllo e costituita da una rete di reazioni chimiche interconnesse. Tra queste, vi sono le reazioni genetiche che riguardano: le reazioni di espressione genetica quali l’inizio della trascrizione, l’allungamento della trascrizione e la traslazione; le riconfigurazioni genetiche quali le reazioni di inversione del DNA; le reazioni di controllo epigenetico quali la metilazione del DNA. Le reazioni enzimatiche, le interazioni biosintetiche e meccano-chimiche e numerose altri tipi di reazione chimica costituiscono anch’esse elementi centrali di questo sistema di controllo.
Mentre gli scienziati cercano di districare i segreti alla base dell’organizzazione della vita, diviene di importanza sempre più cruciale comprendere la dinamica temporale e spaziotemporale dei processi biologici, allo scopo di creare un’immagine coerente e pienamente integrata degli organismi viventi. A tal fi ne, il problema principale consiste nello scoprire come il comportamento
dinamico e coordinato delle cellule e dei tessuti a livello macroscopico possa emergere dal grande numero d’interazioni molecolari aleatorie a livello microscopico. Ciò costituisce l’obiettivo principale della moderna biologia e, tradizionalmente, esso è stato perseguito concentrandosi sulle molecole che partecipano al processo e sulle loro proprietà microscopiche, fino ad arrivare al livello quantistico. Tuttavia, nonostante tali successi, si sta sempre più consolidando l’opinione che il paradigma riduzionista di per sé potrebbe rivelarsi troppo limitante per permettere di affrontare con successo domande fondamentali quali ad esempio (1) in quale modo i sistemi viventi funzionano nella loro interezza, (2) in quale modo essi trasducono ed elaborano le informazioni dinamiche, e (3) in quale modo rispondono alle perturbazioni esterne.
(1) Gli organismi viventi sono sistemi termodinamicamente aperti; ovvero, essi sono in una condizione di flusso permanente, e scambiano continuamente energia e materia con l’ambiente che li circonda. (2) Essi sono caratterizzati da un’organizzazione complessa che risulta da una vasta rete di interazioni molecolari che comprendono un alto grado di non-linearità. In determinate condizioni, la combinazione di queste due caratteristiche, cioè apertura e non-linearità, permette ai sistemi complessi di manifestare proprietà emergenti oppure autorganizzanti. Sia nei sistemi fisici che in quelli biologici tali proprietà possono esprimersi attraverso la formazione spontanea, a partire dalle interazioni molecolari casuali, di pattern dinamici macroscopici correlati in modo remoto nello spazio e nel tempo, ovvero il processo dell’autorganizzazione. Gli stati dinamici che derivano dai processi di autorganizzazione possono essere dotati di caratteristiche quali l’eccitabilità, la bistabilità, la periodicità, il caos o la formazione di pattern spaziotemporali, tutte osservabili nei sistemi biologici.
Le proprietà emergenti oppure autorganizzanti possono essere definite come proprietà possedute da un sistema dinamico nella sua interezza ma non nelle sue singole parti. In questo senso, il sistema neuromiofasciale è qualcosa di più della somma delle sue parti. In altri termini, i fenomeni emergenti vengono espressi dal sistema ai livelli di organizzazione superiori ma non ai livelli inferiori. (Fig.1)
Figura 1. Disegno che illustra l’interdipendenza dinamica tra le interazioni molecolari microscopiche e la struttura globale emergente a livello macroscopico. Il sistema in questione è aperto al flusso di materia o di energia. Le frecce verso l’alto indicano che, se sottoposte a vincoli di non-equilibrio, le interazioni molecolari tendono a sincronizzare spontaneamente il loro comportamento, che diviene il punto di partenza per uno stato macroscopico ordinato. Come indicano le frecce discendenti, questo stato in via di formazione influisce sulle interazioni microscopiche determinando ulteriori sincronizzazioni. Per mezzo della reciproca interazione continuata e governata dall’energia tra i processi microscopici e quelli macroscopici, la struttura emergente ed autorganizzante si stabilizza e viene poi attivamente mantenuta.
Estratto dal libro “Self-Organized Biological Dynamics and Nonlinear Control” di Jan Walleczek
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Bibliografia
Zhelev, D. V. and Hochmuth, R. M. (1995) Mechanically stimulated cytoskeletal
rearrangement and cortical contraction in human neutrophils. Biophys J. 68: 2004-2014.
