Traccia dell'intervento di Marcello Buiatti al Festival della Complessità 2011 a Tarquinia, Italia (24-26 giugno 2011)

1. Complessità e complicazione
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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.

2. Henry Poincaré

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