Marcello Buiatti, Festival della Complessità, Tarquinia 2011
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Il documento analizza la differenza tra sistemi complicati e complessi, evidenziando che i sistemi complessi sono caratterizzati da interazioni dinamiche tra componenti che portano a proprietà emergenti. Viene discusso come la vita si evolva attraverso processi di aggregazione e connessione a diversi livelli, con un'attenzione particolare alla variabilità genetica ed epigenetica negli organismi. Infine, si riflette sull'impatto umano sull'ambiente e sull'ideologia riduzionista che ha influenzato la comprensione biologica.
Marcello Buiatti, Festival della Complessità, Tarquinia 2011
- 1. Complessità e complicazione Views Un sistema é complicato se é composto di molte parti indipendenti come avviene con le macchine. Nelle macchine ogni componente é uguale nella macchina o fuori di essa. I componenti possono essere assemblati secondo progetto senza che la operazione abbia conseguenze impreviste. Il livello di complicazione di un sistema é misurabile e dipende dal numero delle combinazioni che possono formare la parti indipendenti. Un sistema é complesso quando: -- E’ composto di elementi collegati fra di loro in modo interattivo e non additivo per cui A+B non dà mai AB ma qualcos’altro. La interazione quindi determina la comparsa di una “proprietà emergente “, nuova e in parte almeno imprevedibile dalla conoscenza delle parti In genere i sistemi complessi sono organizzati su diversi livelli che ubbidiscono tutti alle stesse regole complessive ( sono “invarianti di scala”). Ogni livello é costituito da elementi del livello inferiore ed é un componente del livello superiore -- Per la struttura a “rete dinamica” il cambiamento di uno qualsiasi degli elementi provoca modificazioni in quelli ad esso collegati che a loro volta sono collegati con altri e così via, con quello che é stato chiamato “effetto farfalla”, intendendo con questo che piccole modificazioni di un componente ne possono indurre di grandi nel sistema.
- 3. Una macchina dotata di molti pezzi ma indipendenti è una macchina complicata ma non complessa. La macchina complicata é stata costruita secondo un programma che non può auto-modificarsi
- 4. Un esempio di sistema complesso con più livelli di organizzazione, derivante da un processo ripetitivo che segue sempre la stessa legge ( é invariante ai diversi livelli).
- 5. A) La distribuzione dei nodi é la stessa ai diversi livelli di organizzazione dei sistemi viventi B) Le reti sono organizzate in moduli. C) Ci sono relativamente pochi nodi principali ai quali sono aggregati anche molti nodi secondari. Questa organizzazione permette una comunicazione molto efficiente, resistente ai danni inferti ai nodi secondari ma suscettibile a quelli che colpiscono i nodi principali.
- 6. La tendenza alla complessità della vita La vita fin dall’inizio é andata aumentando la sua complessità aggregando, dividendo in compartimenti e stabilendo connessioni fra: C O M molecole che interagiscono in una cellula P cellule interagenti in colonie e tessuti L E organismi nelle popolazioni S popolazioni negli ecosistemi S I ecosistemi nella Biosfera T A’ Le interazioni ( la comunicazione) sono fra i componenti di ogni livello della organizzazione gerarchica e fra livelli per cui di fatto tutti i componenti di tutto il sistema comunicano fra di loro in modo più o meno mediato
- 7. Per quanto ne sappiamo la vita é iniziata quando alcune molecole (probabilmente acidi nucleici e poi anche proteine) hanno cominciato ad interagire dentro uno spazio finito chiuso da una membrana.
- 8. Poi si sono aggiunte anche molecole più piccole costruite dalle proteine che compongono la rete metabolica
- 9. I batteri sono singole cellule che contengono DNA, RNA. proteine, il metabolismo. Le cellule batteriche si aggregano in colonie omogenee geneticamente ma diverse e cooperative al loro interno per le combinazioni di geni attivati nelle diverse parti di ogni colonia.
- 10. Le prime cellule provviste di nucleo hanno aggregato cellule batteriche senza nucleo che hanno costituito i mitocondri e, nelle piante, anche i cloroplasti. Il risultato sono le cellule “eucariotiche” dal lievito alle piante ed animali unicellulari e T h pluricellulari
- 11. Negli organismi multicellulari cellule a caratteristiche omogenee costituiscono i tessuti la cui rete é l’organismo stesso. I diversi tessuti hanno in genere gli stessi geni DEVO ! EVO !
- 12. Gli organismi si sono poi organizzati in ecosistemi e questi nella Biosfera (Miller,2008)
- 13. NOOSFERA BIOSFERA SOCIETA’ N Agro ecosistemi O O Organismi S P Tessuti, colonie H Cellule E R Metabolismo Molecules Metabolism DNA RNA PROTEINE INDUSTRIA ECONOMIE
- 14. Tutto il sistema vivente cambia nel tempo in modo necessariamente concertato perchè ogni cambiamento di ogni livello e di ogni elemento T comunica con il resto e deve essere coerente con le regole dinamiche u di tutte le reti (“selezione interna” di Bateson). Inoltre tutta la t Biosfera é “intrisa di umanità” e i cambiamenti indotti dagli umani t hanno potenti “effetti farfalla”.
- 15. - Tutti gli organismi del Pianeta hanno sviluppato durante la evoluzione strumenti per percepire i cambiamenti interni ed esterni e per reagire. Devono quindi essere dotati di variabilità da usare in modo co-evolutivo tenedo conto dei limiti imposti dalle regole dinamiche delle reti. - La variabilità può essere genetica ( nella sequenza del DNA), epigenetica ( nella espressione del DNA), comportamentale, culturale. I batteri usano essenzialmente la variabilità genetica, le piante la genetica e la epigenetica, gli animali la genetica, epigenetica e comportamentale e noi umani anche quella culturale. - Il cambiamento deve tenere conto delle regole del passato e muoversi verso un futuro imprevedibile per le continue modificazioni interne/esterne. Il passato limita in parte i cambiamenti ( gli umani non diventerano mai formiche o elefanti) futuri ma entro questi limiti i percorsi sono ignoti
- 16. Gli organismi per adattarsi devono percepire il cambiamento e attivare i geni necessari, solo quelli e con la giusta intensità. I segnaliche vengono dall’esterno sono trasmessi ad una catena di proteine « staffetta » e poi al DNA. In tutto il processo le molecole si « riconoscono » e formano dei complessi. La forma delle proteine cambia per questo e, in Biologia cambiamento di forma significa cambiamento di funzione. Un esempio di questi processi é la attivazione specifica dei geni determinata dai complessi fra proteine e DNA.
- 17. Il DNA ha un “paesaggio conformazionale” e cioè può assumere diverse forme a seconda della sequenza e del contesto .
- 18. I complessi si formano solo se le due molecole che partecipano hanno forma complementare e quindi diversa. Questo significa che la conformazione locale del DNA deve essere complementare a quella della proteina.Per questo la sequenza di DNA del gene che codifica per la proteine a del « non gene » interruttore della attivazione devono essere correlate.Questo tipo di vincolo é un esempio del fatto che la vita é cooperativa e cambia sempre in modo concertato.
- 19. Perché i geni siano espressi bisogna che si formi un “complesso di trascrizione” fra proteine segnale e DNA in zone specifiche. In diverse situazioni si esprimono geni diversi in risposta a segnali diversi permettendo “fenotipi” diversi
- 20. I generatori di variabilità:i batteri Nei batteri la variabilità adattativa é essenzialmente genetica e si basa sullo scambio frequente inter- e intra-specifico di porzioni del genoma.
- 21. Inoltre i batteri hanno sviluppato dei sistemi raffinati che permettono di aumentare la frequenza di mutazione in presenza di stress. Uno di questi sistemi si basa sulla attivazione da parte dello stress di un gene (RPOs) che a sua volta provoca la induzione di un complesso genetico di « mutatori ».un esempio di questa classe di geni é la DNA polimerasi IVche replica il DNA con errori. RPOs inoltre, causa la attivazione di geni specifici per la risposta e l’attivazione stessa provoca in quei geni un aumento di frequenza di mutazioni.
- 22. Anche nelle piante e negli animali si sono sviluppati processi che aumentano, su segnale, la frequenza di mutazione.In particolare gli elementi mobili possono rimaneggiare i genomi e ci sono sequenze ipervariabili in geni che devono cambiare
- 23. La frequenza di mutazione non é costante come si pensava ma ci sono sequenze che mutano di più e sono state selezionate per questo Nel caso delle immunoglobuline é ipervariabile la zona dei geni che deve poter riconoscere molti antigeni diversi
- 24. -- La vita degli eucarioti é molto spesso di diversi anni mentre quella dei batteri é di pochi minuti. Per questo gli eucarioti, oltre a mutare su segnale, hanno sviluppato durante la evoluzione sistemi per la plasticità fenotipica necessaria per rispondere ai cambiamenti dei contesti durante i cicli vitali individuali. -- La plasticità degli eucarioti deriva, come si é dimostrato negli ultimi dieci anni, dalla ambiguità dei geni ( più di una proteina per gene) , dalla regolazione fine, qualitativa e quantitativa della loro attività e da una serie di meccanismi epigenetici semi-permanenti. .
- 25. IL GENOMA UMANO 3.5 Gb. “Solo”23000 geni Più di 4.000.000 proteine Solo l’1.5% del DNA codifica per una proteina 45% del DNA é costituito da « elementi mobili » 63% del DNA é trascritto 72% degli RNA é S/AS 10% Pseudo RNA 20000 pseudogeni
- 26. A B a)“ Splicing alternativo” b) “geni sovrapposti” Due meccanismi di ambiguità In abedue i casi la scekta della proteina che deve essere sintetizzata fra le tante possibili deriva dai segnali e dai processi di riconoscimento. La scelta non é quindi « scritta » nel DNA . Il DNA é un serbatoio di strumenti utili fra cui scegliere, non é un algoritmo che ci permette un solo programma per ogni individuo.
- 27. amplificazione metilazione modificazione istoni (acetilazione metilazione ubiquitinazione) Negli eucarioti sono poi presenti modificazioni regolative che possono diventare ereditarie per linee cellulari ed anche trasmettersi alla progenie. Metilazione/demetilazione e modificazioni degli istoni hanno cicli precisi di generazione in generazione sia in piante che in animali
- 28. Variazione del numero di copie di parti dei cromosomi X in Persona sana e con tumore al seno /Albertson DG Trends in Genetics 2007
- 31. -I fattori epigenetici non regolano solo la espressione qualitativa e quantitativa dei geni ma anche la frequenza di mutazione, ricombinazione, riarrangiamento dei genomi. - Un ruolo importante in questo campo é giocato da trasposoni, retroposoni, elitroni ( trasposoni che nel “salto” si possono portare dietro ed inserire frammenti di DNA). -Gli Elementi Genetici Mobili ( MGE), se attivi, posso rimaneggiare i genomi inducendo mutazioni nei luoghi di inserzione, inserendo sequenze di DNA in luoghi on previsti, facilitando eventi di ricombinazione “ineguale”fra elementi omologhi e non omologhi e modificando quindi il numero di copie di sequenze di DNA, “invadendo” il genoma ecc. -L’organismo si difende dalla eccessiva mobilità del genoma bloccandola con le metil trasferasi e gli RNA di interferenza specifici -Tuttavia, sotto stress, gli MGE vengono demetilati e si attivano vari processi che producono riarrangiamenti,le mutazioni classiche e variazione nel numero di copie ( CNV) -Queste mutazioni si verificano a livello somatico ma anche nella linea germinale ( 1/10.000 spermi può portare mutazioni non presenti in altre cellule)
- 32. Mappa dei geni soggetti a CNV in soggetti ASD raggruppati secondo la funzione. Da notare che gran parte dei geni con CNV in ASD mostrano lo stesso fenomeno anche in soggetti schizofrenici. Nel caso degli ASD le CNV on sono ereditate ma probabilmente sono di origine somatica e germinale
- 33. La strategia umana La strategia adattativa di Homo sapiens utilizza gli stessi strumenti di variabilità, sia genetici che epigenetici degii altri ma usa in più il cervello come fonte di variabilità comportamentale e simbolica. Gli umani si adattano ben poco per selezione passiva e molto invece usando la variabilità culturale per il cambiamento attivo del’ambiente Gli umani si differenzianp quindi per culture e non per razze geneticamente diverse. -- Il nostro cervello ha 100 miliardi di neuroni che possono essere in un milione di miliardi di combinazioni diverse mentre il DNA ha poco più di 20000 geni con informazione per 4 milioni di proteine. -- Alla nascita le sinapsi sono quasi random e si organizzano su segnali che arrivano in gran parte dai nostri che ci cambiano il cervello per tutta la vita
- 34. The comparison between human and Primate genetic variability From Kaessman and Paabo, 2002 E’ per la nostra strategia di adattamento che la variabilità genetica di Homo sapiens é minore di quella di altri Primati nonostante che noi siamo 7 miliardi e loro poche decine di migliaia. Quindi il termine razza per noi non ha senso visto che 85%-95% della variabilità é comune a tutti
- 35. Indice di encefalizzazione in diversi animali
- 36. LA RIVOLUZIONE MODERNA DELLA BIOLOGIA E’ proprio la nostra capacità di cambiare gli ambienti invece di essere selezionati che ci ha fatto pensare di poter cambiare il Mondo a piacimento come se fosse una grande macchina i cui pezzi si possono assemblare come ci pare. Nel 1847 viene pubblicato il Manifesto dei medici materialisti in cui si dichiara la equivalenza dei sistemi viventi a quelli non viventi Da allora si usano per la vita gli stessi metodi semplificatori di analisi usati già da tempo in fisica e chimica Secondo questa concezione conoscendo i singoli componenti della vita e assemblando i dati si conosce il tutto Rapidamente il metodo riduzionista , estremamente utile e potente si trasforma in ideologia riduzionista. Si fa strada il concetto che il tutto sia la somma delle parti
- 37. La genetica molecolare scopre il DNA e viene enunciato il “Dogma centrale” che ci dice che la informazione per gli strumenti che ci “autocostruiscono” ( le proteine) é “scritta sul DNA, fatto di geni indipendenti e cambiabili come pezzi di macchina che costituiscono i programmi delle vite.
- 38. Nella versione moderna il termine programma richiama subito il concetto di computer. Se un essere vivente é definito da un programma possiamo paragonarlo ad un computer con quell’unico programma, come aveva previsto Schroedinger nel 1942
- 39. --Due italiani svelano i segreti del gene che blocca il cancro: --Gli scienziati italiani scoprono "Sumo" la proteina anticancro che vigila sul Dna -- L’antropologo Morris. La creatività spinge alla caccia Il genio tradisce di più ( ma la colpa è del DNA) La donna che ha sposato un uomo brillante si rassegni. Probabilmente verrà tradita. Parola di scienziato….La colpa non è sua ma del DNA --Londra, uno studio condotto su 5000 donne e 5000 gemelle dimostra che l’elemento genetico incide sulla loro infedeltà Il tradimento di una donna è una questione ereditaria --Il senso della giustizia è nel DNA lo possiedono anche le scimmie Le scimmie possiedono un senso innato di giustizia: tanto che un trattamento iniquo può spingerle a “scioperare”.
- 40. La classificazione di Linneo del 1758 degli umani • Americanus: rossiccio, collerico, capelli lisci spessi; narici larghe,barba rada; ostinato,allegro, libero; • Asiaticus: melanconico,rigido;capelli e occhi neri; severo, avaro; segue le opinioni dominanti. • Africanus: nero, flemmatico,; capelli occhi e pelle neri, capelli ricci, pelle setosa; naso schiacciato, labbra tumide, donne senza vergogna che producono molto latte; ingegnoso, indolente, negligente, si unnge con il grasso, agisce secondo capriccio • Europeaeus: bianco, sanguigno, muscolare, capelli lunghi e fluenti, occhi blu , gentile, acuto, con capacità inventive;si copre con vestiti, governato da governed by laws. • Linneo considerava queste caratteristiche trasmissibili di generazione in generazione anche se ovviamente i geni non si conoscevano, semplicemente sulla base di una ideologia razzista a cui il modello meccanico della vita si presta.
- 41. Il primo esempio di operazioni umane su esseri viventi che non hanno portato ai risultati sperati perchè basati sulla concezione meccanica della vita é la cosiddetta “rivoluzione verde” in agricoltura. . A quell’epoca si insegnava ai miglioratori genetici di studiare a tavolino le caratteristiche da dare alla “varietà migliore” e poi introdurle una ad una con i metodi tradizionali di incrocio e selezione. Si parlava allora di “ideotipo di Donald”, dal nome di un breeder, come l’obiettivo da raggiungere. La ottimizzazione comportava quindi l’assemblaggio dei diversi caratteri come se fossero pezzi indipendenti di una macchina e quindi la omogeneizzazione e la distruzione voluta della variabilità. Non ci si preoccupava dei possibili effetti negativi determinati dalla interazione fra la pianta coltivata e i diversi ambienti perché si riteneva di poterli contrastare con l’aggiunta di chimica, di macchine , di energia al sistema. Fu così che aumentò a dismisura il consumo di energia, fertilizzanti, pesticidi ecc. Con il conseguente degrado progressivo dei terreni che perdevano continuamente ricchezza naturale e avevano quindi bisogno crescente di input artificiali, una crescente difficoltà per i contadini poveri di fare fronte alle spese per gli additivi e una riduzione progressiva della agricoltura di sussistenza.
- 42. 1 Poche decadi fa in India si coltivavano 50000 varietà di riso e ora sono poche dozzine 2 Nelle Filippine una volta c’erano 4000 varietà di riso e ora il 98% della produzione viene da solo due varietà drivate dalla rivoluzione verde 3 Il secolo scorso in USA si coltivavano più di 7000 varietà di mele di cui 6000 sono estinte. Ora il 50% delle mele é di sole due varietà 4 In Indonesia si sono estinte circa 1,500 varietà locali di riso nelle ultime due decadi. 5 In Messico c’erano centinaia di varietà di mais e ora solo il 20% di queste é coltivato. 6 In Cina le 10,000 varietà di grano del 1949 in soli venti anni si sono ridotte a mille. • In sintesi secondo la FAO si è perso il 75% della diversità genetica in agricoltura.
- 43. La rivoluzione verde ha prodotto un grande numero di varietà e razze animali ed a aumentato per un certo periodo la quantità totale di cibo prodotto riducendo per un certo periodo la fame in Asia e in America latina ma non in Africa . Il numero globale delle persone denutrite é diminuito fino al 1955 ma poi é cresciuto di nuovo arivando adesso a oltre 950 milioni di affamati, un numero destinato ad aumentare rapidamente per il cambiamento climatico e anche perchè i costi della produzione del cibo sono saliti e nessuna agricoltura é in pareggio ma tutte vivono soltanto con le sovvenzioni statali.
- 44. Premessa sulla “Ingegneria genetica” --La Ingegneria genetica, che é solo una delle tante Biotecnologie ( teconologie che usano esseri viventi per la produzione), si basa sul trasferimento di geni da un organismo ad un altro generalmente appartenente ad una diversa specie, anche lontana dal punto di vista evolutivo. In questo modo si inserisce nel corredo genetico del ricevente un gene “nuovo” e quindi una nuova funzione mai esistita nella specie che sarà quidi “geneticamente modificata”. Questo con l’idea che lo OGM prodotto sarà identico all’organismo originario da cui differirà solo per la funzione inserita, senza interazioni non previste con la struttura e la dinamica della specie di partenza. -- La ingegneria genetica non é quindi omologabile alle tecniche tradizionali di miglioramento genetico per incrocio fra individui della stessa specie e selezione dei prodotti. In questo caso, come quando essere umano con occhi azzurri si unisce con un partner ad occhi neri e ha un figlio. Quindi i due individui non si scambiano funzioni diverse ( ambedue hanno geni per la pigmentazione degli occhi) ma varianti di questi (“alleli”). In alcuni casi e solo nelle piante si é ricorso all’incrocio fra specie diverse ma tanto vicine dal punto di vista evolutivo dall’avere gran parte dei geni e delle funzioni in comune.
- 47. La produzione per ettaro negli StatiUniti é aumentata dal 1977 con velocità costante non influenzata dalla introduzione degli OGM avvenuta nel 1996 ( dati di USDA-NAS). Gli OGM ora in commercio ( cotone, soia e colza non aiutano) non risolveranno il problema della fame.
- 49. The original construct (a) and nine different re-arrenged sequences found in a single transformed oat line
- 50. NL GR NL WT L’inserimento di un gene di ratto in una pianta di Nicotiana con cui non avrebbe dovuto interagire ( in alto) ha portat ad un cambiamento drastico nella morfologia, bilancio ormonale, resistenze ecc.
- 52. Le grandi multinazionali del transgenico sono in origine imprese chimiche e si sono alleate con farmaceutiche e sementiere. In questo modo controllano attraverso i brevetti anche parte consistente del mercato dei fertilizzanti, diserbanti, antiparassitarii e anticrittogamici e cioé una parte consistente della intera filiera alimentare. In America latina le imprese collegate hanno comprato terreni tolti alla foresta amazzonica (Brasile) e ai contadini sia in Brasile che in Argentina e Paraguay. In tutti i casi i contadini delle agricolture di sussistenza che vivevano dei frutti delle loro terre le hanno abbandonate finendo nelle favelas dove hano perso le loro culture, e la variabilità genetica delle colture. In questi tre Paesi ora si coltiva soia, esportata per alimentazione animale, con pochi braccianti che lavorano saltuariamente, con grandi profitti delle imprese e riducendo la produzione di cibo. Questo comporta: a) Distruzione delle agricolture di sussistenza e riduzione del cibo b) Riduzione del numero di imprese agricole e crescita di imprese industriali con sostituzione del lavoro con capitale e riduzione del 50% degli occupati Spesso , come nel Paraguay, la terra é gestita da imprese straniere. In Paraguay, dove la conquista delle terre é stata cruenta, il 40% dei produttori di soia é brasiliano, il36% tedesco o giapponese.
- 53. CONCLUSIONI ? -- Comunicare una visione meccanica ci allontana dalla autocoscienza di essere vivi e istintivamente ci fa pensare di essere onnipotenti ma dall’altro ci fa paura come ci fanno paura gli OGM e i cloni che altro non sono che gemelli. Questo perché probabilmente abbiamo paura delle macchine che sappiamo morte e di diventare o essere già come loro -- Agire come se i sistemi viventi fossero macchine progettate ci fa compiere erori pesanti come quello di pensare che il Mondo sia progettabile e totalmente prevedibile. E’ questo che ha provocato il cambiamento climatico, i fallimenti degli OGM, una medicina che vede un essere umano come una somma di componenti da cambiare uno per uno senza effetti imprevedibili, frammentata in specialismi e succube delle macchine da diagnosi, della pubblicità dei farmaci, incapace di vedere gli esseri umani come sistemi complessi. --Dobbiamo tornare a vivere la vita direttamente e non solo con la mediazione di macchine, di comunicare individualmente fra di noi, di godere momento per momento la meravigliosa ricchezza delle nostre vite umane