Lezioni sulla complessità a cura di Stefania Stefanini e Francesco Colaianni docenti di scienze sociali e filosofia presso Istituto A. Pieralli - Perugia
sommario: la complessità | sperimentazione didattica | sistemi e modelli
Sistemi e modelli delle Scienze naturali
A cura di Tiziana Cosucci, Docente dell’Istituto di Istruzione Superiore”A.Pieralli”- Perugia
Il percorso proposto si inserisce nell’ambito della compresenza tra Scienze Naturali e Scienze Sociali in un terzo anno di corso dell’indirizzo Liceo delle Scienze Sociali dell’Istituto Pieralli di Perugia.
La tematica affrontata è quella relativa al rapporto uomo-ambiente sia per quanto riguarda i sistemi biologici che mettono in relazione l’organismo umano con l’ambiente esterno o interno (sistema nervoso), sia per quanto riguarda le relazioni umane con il territorio (sistemi produttivi e l’integrazione suolo- biomi/suolo agricoltura).
Lo scopo dell’attività svolta è stato quello di integrare metodi, contenuti e linguaggi disciplinari pur mantenendone la specificità e l’autonomia, utilizzando un approccio di tipo sistemico. Tematiche complesse di interesse comune a più discipline sono state affrontate in modo integrato, cercando di superare la frammentazione dei saperi specialistici e fornendo diverse possibili chiavi di lettura di un fenomeno.
1. PERCHE’ SUPERARE L’INDUTTIVISMO
Il rapido sviluppo delle scienze biologiche, fisiche e chimiche ha reso sempre più difficile comprendere i complicati meccanismi che vengono studiati e scomposti da gruppi di scienziati sempre più specializzati. Per questo è estremamente importante sviluppare un atteggiamento scientifico ed arrivare a una comprensione dei modi di procedere della scienza nelle sue linee generali: una comprensione che non punti soltanto all’acquisizione di informazioni “staccate”e tecniche ma anche alla conoscenza dell’evoluzione del metodo scientifico e del modo attuale di procedere della scienza. Il metodo scientifico attuale ha superato l’induttivismo più ingenuo per il quale la semplice osservazione è sufficiente ad innescare tutta una serie di tappe che abbiano come conseguenza la formulazione di una teoria o di un modello: chi osserva deve già avere delle idee e delle conoscenze che gli permettano di trovare quello che sta cercando.
Va inoltre aggiunto che non è solo il patrimonio delle teorie scientifiche, trasmesso dalle generazioni precedenti, a esercitare una profonda influenza su qualunque ricercatore, per geniale che sia: in realtà, ciò che sta alle sue spalle è un patrimonio assai più vasto, costituito da molteplici fattori.
Grande influenza hanno le concezioni filosofiche generali (la cosiddetta “metafisica influente”) che in parecchi casi lo scienziato assimila, consapevolmente o no, dai grandi indirizzi culturali della propria epoca – basti citare l’influenza esercitata su Newton dal platonismo della scuola di Cambridge o quella esercitata su Bohr dall’esistenzialismo di Kierkegaard. Il singolo ricercatore attinge inoltre suggerimenti sia dalle analisi critiche, di carattere metodologico, eseguite dagli scienziati e dai filosofi delle generazioni precedenti (basti ricordare il debito che Einstein dichiara esplicitamente di nutrire nei confronti di D. Hume e di E. Mach), sia dallo studio di taluni modelli esplicativi adoperati con successo prima di lui in riferimento a determinati campi dell’esperienza e che egli estende arditamente, per analogia, a campi notevolmente diversi (tutta la modellistica della fisica moderna costituisce una palese conferma dell’importanza di tali modelli).
E’ impossibile sostenere, in via generale, la preminenza di uno di questi fattori sugli altri; non di rado essi hanno agito simultaneamente, in un intreccio pressoché inestricabile, tale da rendere lecito parlare del patrimonio in questione come di una autentica unità dialettica.
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2. PERCHE’ L’APPROCCIO TEORICO – DEDUTTIVO - SISTEMICO
La scelta di procedere per modelli e teorie non ha solo un fondamento scientifico epistemologico, ma deriva anche da una riflessione prettamente didattica basata sulle esigenze poste dall’ evoluzione delle strategie di ragionamento di uno studente del triennio di un Liceo: passaggio dall’approccio più tipicamente induttivo (per il quale risulta indispensabile e preliminare il momento operativo) ad un pensiero più deduttivo che sostituisca gradualmente la visualizzazione del fenomeno, la realtà percepibile e il mondo sensibile con rappresentazioni mentali efficaci e costruisca i propri fondamenti su percorsi e linguaggi complessi, astratti e teorici.
Il concetto di sistema come insieme di elementi in interazione tra loro (retroazioni o feedback), il concetto di equilibrio o omeostasi di un sistema risultante dalla giustapposizione di elementi complementari nel quadro di una organizzazione unificata, cioè l’integrazione di elementi di un sistema, sono stati gli elementi concettuali metodologici unificanti di tutto il percorso di conoscenza.
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I vari sistemi sono stati studiati sia attraverso l’approccio analitico che attraverso l’approccio sistemico in quanto metodi complementari e irriducibili l’uno rispetto all’altro.
L’approccio analitico tende a ricondurre il sistema ai suoi elementi costitutivi e a studiarli nei minimi dettagli alla ricerca di regole generali che possano essere applicate a situazioni differenti, ma sulla base di parametri comuni o quantomeno confrontabili tra loro. Questo metodo può contribuire a definire modelli dinamici sufficientemente rispondenti ai sistemi semplici o a bassa complessità.
I sistemi complessi e disomogenei, invece, devono essere analizzati nella loro totalità, utilizzando un approccio metodologico sistemico o olistico, cioè in grado di analizzare e prevedere la loro dinamica in base al variare delle diverse componenti.
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3. L’USO DEI MODELLI NELLA DIDATICA DELLE SCIENZE
L’uso dei modelli diventa indispensabile sia nell’approccio analitico, sia nell’approccio sistemico.
Il modello è la descrizione completa di un fenomeno o di un sistema, delle sue caratteristiche e delle sue logiche di comportamento, espressa attraverso formulazioni matematiche o sequenze miste di formulazioni matematiche e proposizioni. La descrizione vale per tutti i fenomeni o i sistemi dello stesso tipo, quindi permette di prevedere il comportamento di un dato sistema in una serie di circostanze.
L’approccio analitico usa modelli precisi e dettagliati ma difficilmente utilizzabili per decidere strategie di azione, l’approccio sistemico usa modelli insufficientemente rigorosi per essere alla base della conoscenza scientifica, ma utilizzabili per decidere le strategie d’azione.
Nell’ambito dello studio del sistema nervoso (primo modulo del percorso didattico) possono essere considerati esempi di modelli la pompa sodio- potassio, l’arco riflesso, il riflesso di difesa di Aplisia californica e la relativa capacità di sensibilizzazione e assuefazione, cioè di forme di apprendimento e memoria con basi biochimiche cellulari. Lo studio del comportamento di Aplisia è un perfetto esempio di integrazione dei contenuti delle discipline, in quanto dimostra che l’apprendimento e la memoria possono essere studiate sia in relazione alla analisi delle modificazioni comportamentali (meccanismi psicologici), sia in relazione ai cambiamenti biochimici a livello neuronale, che è possibile identificare e conoscere.
Articolo scientifico tratto da “Le Scienze” utilizzato come testo da analizzare ed interpretare in classe
 Apprendimento e memoria in Vitro
Da P.G. Montarolo – S.Schacher “Apprendimento e memoria in vitro”
[…] I mezzi che l'uomo, come la maggior parte delle specie animali, ha a disposizione per adattarsi all'ambiente sono essenzialmente due: l'evoluzione biologica e l'apprendimento. L'evoluzione biologica, legata al corredo cromosomico, è un processo lento, misurabile in termini di migliaia se non di milioni di anni negli organismi superiori; l'apprendimento è, invece, un processo rapido e il suo ambito temporale è l'arco di vita dell'organismo. Per poter sopravvivere un animale deve essere in grado di riconoscere certe relazioni chiave tra situazioni ed eventi esterni. Deve, per esempio, saper distinguere la preda dal predatore, un frutto buono da uno velenoso. Vi sono due possibilità per arrivare a queste conoscenze; la capacità di distinguere tra due alternative può essere programmata nel sistema nervoso centrale fin dalla nascita, oppure si può acquisire tramite l'apprendimento. [...] Gli organismi più complessi hanno la capacità di adattarsi alle nuove situazioni che, di volta in volta. si presentano nel corso della loro esistenza. Questa capacità di adattamento deriva dal fatto che l'esperienza può modificare il sistema nervoso e quindi il comportamento dell'animale. In questo concetto di adattabilità è racchiuso il significato dei termini apprendimento e memoria.
[..] Una possibile strategia per comprendere i meccanismi cellulari dell'apprendimento e della memoria consiste nel descrivere esattamente il circuito nervoso che presiede a un comportamento plastico, vale a dire modificabile dall'esperienza. Successivamente si deve analizzare la natura delle modificazioni indotte dall’ apprendimento nella catena neuronale. Questa non è un' impresa facile se si studiano i fenomeni nei vertebrati superiori. Infatti il numero di neuroni coinvolti in comportamenti semplici, come ceni riflessi di difesa dei mammiferi, è dell'ordine di diverse migliaia. [...] È possibile Superare in parte queste difficoltà individuando comportamenti plastici in animali dotati di Sistema nervoso molto semplice. Questo è il principio da cui alla fine degli anni sessanta partì Eric R. Kandel della Columbia University. Come oggetto di studio egli scelse Aplysia califòrnica, un mollusco gasteropodo marino che ha un sistema nervoso centrale relativamente semplice formato da circa 20 000 neuroni, distribuiti principalmente in nove raggruppamenti, i gangli. I corpi cellulari di alcuni neuroni di Aplysia possono raggiungere il diametro di 1,5 millimetri (le più grosse cellule nervose dell'uomo hanno un diametro circa 30 volte inferiore).[...].
L'apprendimento. grazie allo studio di etologi come Konrad Lorenz e Kikolaas Timbergen. si è rivelato una proprietà molto diffusa nel regno animale. Ciò non significa che i processi di apprcndimento ncll’uomo e in Aplysia siano uguali, ma sta a indicare che. nei due organismi, si possono riconoscere alcuni meccanismi comuni, conservatisi attraverso la filogenesi. Sono proprio questi aspetti comuni che si vuole identificare e descrivere, utilizzando animali dotati di un sistema nervoso centrale molto più semplice di quello dell'uomo.
Il comportamento analizzato da Kandel e dai suoi collaboratori è un semplice riflesso di difesa: il riflesso di retrazione della branchia e del sifone. La branchia è l'organo respiratorio; il sifone è un'estroflessione imbutiforme di una struttura chiamata mantello, la cui parte membranosa ricopre la branchia. Una stimolazione tattile del sifone produce una rapida e prolungata retrazione della branchia all'interno della cavità del mantello.[…]
Una decina di stimolazioni tattili del sifone, ripetute a intervalli regolari di 20-30 secondi, produce una progressiva riduzione della durata e dell' ampiezza della retrazione fino alla soppressione del riflesso. La diminuzione o la scomparsa della risposta può persistere per poche ore o per alcuni giorni a seconda della durata del protocollo di stimolazione utilizzato. Si parla di assuefazione rispettivamente a breve e a lungo termine.
Dapprima Kandel e i suoi collaboratori hanno studiato i meccanismi cellulari alla base dell' assuefazione a breve, termine e hanno identificato la causa della riduzione della risposta comportamentale nella diminuzione della trasmissione a livello delle sinapsi che i neuroni sensoriali formano con le cellule bersaglio che in questo caso sono gli interneuroni e i motoneuroni. In seguito Mark Klein della Columbia University ha scoperto che la riduzione della trasmissione sinaptica era dovuta alla progressiva diminuzione dell'entrata di ioni calcio (Ca++) nella cellula sensoriale durante i potenziali d'azione generati dalle ripetute stimolazioni tattili, La riduzione del flusso di Ca++ diminuisce la quantità di neurotrasmettitore liberato dalle terminazioni dei neuroni sensoriali,
[...] Il neurotrasmettitore non viene liberato come singola molecola, bensì in pacchetti multimolecolari chiamati quanti. Si ritiene che i quanti siano contenuti in strutture subcellulari, le vescicole, presenti in grande quantità nelle terminazioni presinaptiche. Le vescicole si aprono e liberano il loro contenuto nello spazio intersinaptico solo se vengono a contatto con strutture specializzate della parte interna della membrana cellulare, i si ti attivi (o zone attive). Il quanto di trasmettitore, interagendo con lo specifico recettore sulla membrana del neurone postsinaptico, causa una piccola variazione (dell'ordine di microvolt) del potenziale di membrana: il potenziale postsinaptico in miniatura. La contemporanea liberazione e di migliaia di quanti produce, invece, una più ampia variazione (dell'ordine di millivolt), il normale potenziale postsinaptico. Questa liberazione ingente di mediatore chimico è causata prevalentemente dall' ingresso, nella terminazione presinaptica, di Ca++ durante il potenziale d'azione. Il Ca++ infatti permette l'interazione delle vescicole con la zona attiva. [...]
Un'altra forma di plasticità comportamentale molto studiata dal gruppo della Columbia University è la sensibilizzazione. [...] Una scossa elettrica alla testa o alla coda di Aplysia fa sì che la successiva stimolazione tattile del sifone produca una contrazione della branchia più intensa e duratura di quella che si osserva in seguito a una analoga stimolazione prima della scossa; il meccanismo cellulare di questo aumento della risposta comportamentale è in un certo qual modo opposto a quello responsabile dell'assuefazione. Infatti. la trasmissione del segnale a livello della sinapsi sensomotoria diminuisce nell'assuefazione, mentre viene potenziata nella sensibilizzazione. L' aumento è dovuto all'azione di neuroni facilitanti (NF), non inclusi nel circuito del riflesso di retrazione della branchia e attivati dallo stimolo nocivo applicato alla testa o alla coda.[...] Si hanno valide ragioni per ritenere che uno dei neuromediatori liberati dai neuroni facilitanti sia la serotonina che agisce sulla cellula sensoriale.
Uno di noi (Samuel Schacher) è riuscito a ricostruire in coltura la cmponente essenziale del riflesso. Con fine tecnica chirurgica si rimuovono dal ganglio addominale alcuni neuroni sensoriali e un motoneurone [. .1 Mettendoli in stretta vicinanza in una capsula di Petri contenente un opportuno mezzo di coltura essi formano alcune sinapsi sensomotorie. [...] La sensibilizzazione a breve termine in vivo si ottiene sottoponendo la coda dell' animale a una scossa elettrica. In vitro siamo ricorsi, invece, a uno dei presunti mediatori utilizzati dai neuroni facilitanti: la serotonina. L'aggiunta al mezzo di coltura di 2 millimetri cubi di serotonina determina l'incremento, per qualche minuto, del potenziale post-sinaptico eccitatorio del neurone sensoriale.
In collaborazione con Robert Hawkins, abbiamo ottenuto lo stesso risultato con un esperimento più elegante, eseguito su un circuito trineuronale.
Il neurone aggiunto alla componente sensomotoria del riflesso è uno dei neuroni facilitanti attivato dalla stimolazione elettrica della coda. Nel ganglio addominale questa cellula nervosa è in contatto sinaptico con i neuroni sensoriali. In coltura la stimolazione elettrica intracellulare del neurone facilitante produce, come la serotonina, una facilitazione della trasmissione a livello della sinapsi sensomotoria.
Francesco Belardetti, ora all' Università del Texas a Dallas, mediante registrazioni effettuate su cellule sensoriali in coltura ha dimostrato che la serotonina, come nel ganglio, esercita la sua azione di modulazione della trasmissione sinaptica chiudendo il canale S per il potassio e aumentando, in questo modo, la durata del potenziale d'azione.
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Nell’ambito dei sistemi naturali o anche in parte antropizzati, come il suolo, e comunque in ambito ecologico, vengono utilizzati modelli dinamici idonei a valutare processi di simulazione della realtà in modo da poter determinare in anticipo quali conseguenze a volte non più reversibili possono prodursi se si variano le diverse componenti del sistema.
I modelli usati in questo ambito sono molteplici: catene, reti, piramidi alimentari come esempi di relazioni trofiche; cicli biogeochimici quali esempi di continuo dinamismo del sistema e della materia; biomi, come esempi di integrazione tra fattori (suolo, clima, piante, animali) di un ecosistema.
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Le mappe delle figure n. 7 e 8 sintetizzano due possibili percorsi che applicano e sperimentano il modello di integrazione proposto. Si tratta naturalmente di percorsi molto flessibili soggetti a modificazioni in itinere e che non hanno la pretesa di essere modelli assoluti, ma solo tentativi effettuati allo scopo di migliorare la qualità dell’insegnamento e dell’apprendimento.
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BIBLIOGRAFIA
Le Scienze Ed.italiana di Scientific American Numero di Ottobre 1988
Daniela Bentivogli e Maria Pia Boschi – ECOambiente, Vol. II Ed. Cappelli, Bologna 2001
Storia della scienza moderna e contemporanea, Vol. III, P. Rossi, Ed. UTET, Torino 1988.
Albert Einstein – la gioia del pensiero, F. Balibar, Universale Electa/Gallimard, Trieste 1994.
Scienza e filosofia, K. R. Popper, Einaudi, Torino 1991.