La genesi della teoria delle “strutture dissipative”
La prima descrizione approfondita di sistemi auto-organizzantisi fu la teoria delle “strutture dissipative” del chimico-fisico Ilya Prigogine. Egli si avvicinò a questi studi dopo aver meditato sull’essenza della vita:
“Mi interessava moltissimo il problema della vita […]. Ho sempre pensato che
l’esistenza della vita ci dirà qualcosa di molto importante sulla Natura”.16
La sua curiosità era soprattutto rivolta alle condizioni di non-equilibrio in cui gli organismi viventi riescono a mantenere le loro funzioni vitali. La ricerca infatti fu volta all’indagine esatta delle condizioni di non-equilibrio termico in cui si possono riscontra- re situazioni di stabilità e la sua fondamentale intuizione fu che esiste un legame di di- retta proporzionalità fra lontananza dall’equilibrio e non linearità: i sistemi lontani dall’equilibrio devono essere descritti da equazioni non lineari.
Il suo lavoro non riguardava i sistemi viventi bensì era rivolto ad un noto caso di auto-organizzazione non vivente: le “celle di Bernard”, in cui un liquido sottoposto ad
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un flusso costante di calore, crea, ad un dato valore critico di differenza di temperatura fra le sue superfici, uno schema sorprendente di celle esagonali ordinate.
L’analisi di Prigogine rileva in questi esperimenti una sorprendente auto- organizzazione spontanea che si ritrova in una molteplicità di casi nella natura. Nel cor- so degli anni Sessanta Prigogine si rese conto che per descrivere questi fenomeni era necessario sviluppare una termodinamica non-lineare, dato che la termodinamica classi- ca può essere utile solo nella descrizione di strutture d’equilibrio come i cristalli. Le strutture di cui invece si occupò furono denominate “strutture dissipative” per sottoline- are con un ossimoro la apparente paradossale associazione “fra strutture e ordine da una parte, e perdite e sprechi dall’altra.”
Il concetto di strutture dissipative introdusse una rivoluzione in questa visione: nei sistemi aperti la dissipazione diviene una fonte di ordine.
Egli espose per la prima volta la sua teoria insieme al collega Paul Glansdorff nel 1967:17le strutture dissipative, partendo dallo stato di non-equilibrio, sono perfino in grado di evolversi. Ciò accade quando, all’aumentare del flusso di materia ed energia che scambiano con l’esterno, attraversano nuove fasi di instabilità e possono trasformar- si in strutture di più elevata complessità.
Non-equilibrio, non-linearità
Rispetto a Maturana e Varela che si occuparono dell’aspetto di chiusura orga- nizzativa della rete autopoietica, Prigogine era affascinato dall’aspetto strutturale dell’apertura al flusso di materia ed energia.
Non tutte le strutture dissipative - come abbiamo visto - sono sistemi viventi, anzi, la compresenza di flusso-stabilità si scorge più facilmente esaminando semplici strutture dissipative non viventi come i mulinelli d’acqua o gli uragani. Tali fenomeni sono carat- terizzati dalla capacità di allontanare sempre più il sistema dall’equilibrio proprio come anelli di retroazione autorafforzanti, fino a raggiungere un limite di stabilità - detto pun- to di biforcazione - in cui possono comparire nuove strutture più evolute.
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Ilya Prigogine e Paul Glansdorff, Thermodinamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations, Wiley, New York 1971.
Le note distintive delle forme viventi vengono riassunte da Prigogine in una coe- rente sistemazione teorica, curata sia nel formalismo matematico sia dal punto di vista concettuale, che richiede la revisione di molte credenze collegate all’idea di struttura, di stabilità, di equilibrio.
“Ogni grande era della scienza ha condotto a un modello della natura. Per la scienza
classica fu l’orologio; per la scienza del diciannovesimo secolo, l’era della rivoluzione industriale, fu un meccanismo in via d’esaurimento. Che simbolo potrebbe andar bene per noi? Forse, potremmo esprimere quello che abbiamo in mente per mezzo di un rife- rimento alla scultura, dall’arte indiana o precolombiana al nostro tempo. In alcune del- le più belle espressioni di arte plastica che si tratti di Shiva danzante o dei templi in mi- niatura di Guerriero, ciò che appare molto chiaramente è la ricerca di una congiunzio- ne fra immobilità e movimento, fra tempo arrestato e tempo che scorre. Crediamo che sarà questo confronto a conferire alla nostra era la sua unicità.”18
Lo stato di equilibrio è per gli organismi viventi lo stato della vita: allontanandosi dall’equilibrio gli organismi sono sottoposti a processi di flusso più forti, che fanno au- mentare la produzione di entropia, causa di un ulteriore allontanamento. Proprio in tali condizioni le strutture possono sviluppare forme di complessità via via crescenti.
Nella teoria di Prigogine la lontananza dall’equilibrio si manifesta con la com- plessità ed è descritta matematicamente da equazioni non-lineari di grado crescente.
Indeterminazione = disordine?
Quando un sistema giunge ad un punto di biforcazione possono apparire strutture nuove, insospettabili. L’esistenza di tali biforcazioni indica che un’altra caratteristica della teoria di Prigogine è l’indeterminazione, poiché in questi punti l’elemento di ca- sualità gioca un ruolo fondamentale.
Il leit motiv dell’incertezza compare in due aspetti della teoria: sottoforma di punti
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di biforcazione e all’interno della sua descrizione matematica, che si effettua con equa- zioni non lineari, che possono condurre ad un grado di incertezza tale da rendere impos- sibile ogni previsione.
Queste due componenti rivelano che la teoria di Prigogine ci rammenta quanto la conoscenza scientifica sia limitata, o con le sue parole, sia: “una finestra limitata sull’universo.” Due aspetti correlati all’indeterminazione sono le nozioni di irreversibi- lità e di tempo.
Pierre-Simon de Laplace aveva descritto limpidamente il determinismo della scienza meccanicistica,19 rivelando un’assoluta fiducia nella previsione degli eventi in ogni condizione. Tutti i processi nel determinismo laplaciano sono reversibili e non la- sciano spazio ad alcun tipo di novità imprevedibile.
Fu la termodinamica ad insinuare nella scienza fisica il sospetto della “freccia del tempo”. Difatti, da quell’amara scoperta, la nozione di irreversibilità ha cominciato ad ossessionare la visione del mondo, poiché è sempre stata associata a perdita di energia e spreco.
Prigogine sostiene invece una visione più “ottimistica” della natura, mostrando che nei sistemi viventi i processi irreversibili sono indispensabili alla costruzione della vita. Gli anelli catalitici che vi operano, possono condurre a nuove strutture di com- plessità sempre crescente:
“L’irreversibilità è il meccanismo che fa scaturire l’ordine dal caos”.
Proprio lo spostamento dell’attenzione dall’intercambiabilità degli eventi ai pro- cessi irreversibili della vita si collega al contesto discusso nel primo capitolo di cam- biamento di paradigma dalla fisica alle scienze della vita.
A questo punto non ci resta che dissociare il binomio indeterminazione-disordine, dato che la teoria di Prigogine crea una nuova relazione fra ordine e “freccia del tempo”. Secondo Prigogine:
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- “C’è [una] domanda, che da più di un secolo ci tormenta: che senso ha l’evoluzione di un essere vivente nel mondo descrittoci dalla termodinamica, un mondo in cui il disor- dine continua a crescere?”20 -
il paradosso delle due visioni contraddittorie di evoluzione in fisica e in biologia, può essere risolto gettando una nuova luce sul concetto di “entropia”. Quando emergono nuove strutture complesse, con ordine più elevato, l’entropia totale del sistema continua a crescere, ma il risultato è che ad un tale aumento non corrisponde una crescita unifor- me del disordine.
Prigogine dice che le strutture dissipative sono isole di ordine in un mare di di- sordine: esse sono in grado di conservare e perfino aumentare il proprio ordine a scapito della crescita di disordine del loro ambiente.
Possiamo concludere con Capra che “nei sistemi viventi l’ordine, che sorge dal non-equilibrio, è assai evidente, essendo manifesto nella ricchezza e nella bellezza della vita attorno a noi.”21