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Reg. Tribunale Lecce n. 662 del 01.07.1997
Direttore responsabile: Dario Cillo


 

TERMODINAMICA- CRITICA

Principi delle termodinamica nei sistemi biologici: rassegna critica e presentazione del CD-ROM sulle Reazioni Oscillanti

TERMODINAMICA e VITA 2005
http://www.mondogit.com/051014.htm

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 affermo’ 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 disciogliesi  solubilizzandosi , cio indichera’  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), inizio’ 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 , anziche’ 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. Cio che unisce la 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 capacita’ 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 e’ 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 interattivita’ 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 poiche ‘  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 societa’ 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>


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- 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.


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