BIOLOGIA   

 La ricerca di una teoria, ad opera di Lamarck e Darwin, che illustrasse correttamente lo sviluppo delle specie e dell'individuo (teoria detta tecnicamente di ontogenesi e filogenesi) significò soprattutto il tentativo di svincolare i fenomeni della vita dalle spiegazioni di tipo provvidenzialistico e teologico; inoltre, l'introduzione della nozione di ambiente, inteso come il luogo in cui l'organismo nasce, cresce e si modifica, in cui avvengono le mutazioni e le selezioni degli individui più adatti, fu un modo per costringere gli scienziati ad abbandonare il mito secondo cui l'universo intero vive e si sviluppa per la gloria di Dio per il benessere del genere umano. L'umanità dovette cosi svegliarsi da un sogno millenario di onnipotenza e cominciare a guardarsi intorno con occhi liberi da pregiudizi. Ma se la grande macchina cartesiana si trasformava in un sistema in evoluzione, in continuo cambiamento casuale, non predestinato, in cui strutture più complesse si evolvevano da altre più  semplici, mutando, nulla lasciava ancora presagire una disfatta totale del modello del Mondo-orologio. 

Sul piano della biologia, del resto, ancora agli inizi del secolo XX le scoperte e le acquisizioni in campo molecolare, come la catena del DNA, il codice genetico, il meccanismo della trasmissione dei caratteri ereditari, permettono una lettura dei fenomeni della vita in chiave riduzionista: il modello di spiegazione genetica viene esportato in tutti i campi della scienza, seguendo l’idea che la natura dei fenomeni sia da interpretare risalendo ad un codice elementare, riposto in una struttura profonda. Quindi non fu la biologia evolutiva a mettere completamente in scacco la scienza dell'età moderna; in fondo la teoria dell'evoluzione darwiniana, pur considerando importanti cose fino ad allora trascurate, come il caso e le perturbazioni dell'ambiente, assicurava sempre la possibilità di ordinare gli esseri viventi, di classificarli per crescente complessità organica e strutturale. Il mondo restava ancora orologio, solo più bizzarro. La Natura mostrava ancora un volto tranquillizzante, seppure vagamente ombroso.  

Fu invece nell’ambito della fisica, scienza newtoniana per eccellenza, che si mostrarono sconvolgenti mutamenti dì prospettiva. Le scoperte derivate dall'applicazione della meccanica di Newton allo studio dei gas e dei fenomeni termici, prima fra tutte la legge secondo cui l'energia si trasforma, muta ma non si distrugge mai (principio di conservazione dell'energia) diedero il via ad una nuova disciplina, la termodinamica, che sarà la vera responsabile del crollo del sogno cartesiano, il cavallo di Troia per mezzo del quale, nel mondo ordinato e prevedibile della scienza moderna, faranno il loro ingresso le ligure inquietanti del Caos e del Disordine.

Proprio la Teoria del Caos, e di conseguenza lo studio sui frattali, ha dato origine anche a nuovi modi di applicazione delle scienze biologiche tra le quali la medicina, la genetica e l'anatomia.

La geometria frattale, infatti,  si può applicare anche nel campo biologico-scientifico: un frattale infatti consiste di frammenti geometrici di grandezza ed orientamento variabile, ma con forma simile. Nel corpo umano strutture riconducibili a frattali sono osservabili nei neuroni e nelle fibre nervose, nel muscolo cardiaco, nei vasi sanguigni, nell’intestino e nell’albero bronchiale.    Nonostante che queste strutture anatomiche di tipo frattale facciano da supporto a funzioni evidentemente diverse in organi differenti, esse hanno in comune tratti strutturali e fisiologici. Ramificazioni o ripiegature frattali amplificano enormemente la superficie disponibile per   l’assorbimento (come per l’intestino), per la distribuzione e la raccolta dei soluti (vasi sanguigni,dotti biliari e albero bronchiale) e per l’elaborazione delle informazioni (reti di neuroni). L’equilibrio nei fenomeni dinamici poggia sul rapporto tra caos e non caos, il che comporta la     necessità di riformulare il concetto di "stabilità" nelle dinamiche della materia organica ed inorganica,  per questo, il biologo ed il medico debbono rivalutare l’"omeostasi" inteso come equilibrio tra le componenti caotiche ed ordinate dei fenomeni biologici. Ne deriva che anche il "concetto di malattia" debba essere rivisto, dal momento che questa insorge sia se si riduce l’ordine (ne è un esempio la perdita del ritmo cardiaco), sia se si riduce il disordine (ne è un esempio la maggiore  incidenza di morte improvvisa nei soggetti con ridotta variabilità della frequenza del cuore). La perdita della salute coincide, quindi, con la perdita di equilibrio tra le componenti caotica ed ordinata dei fenomeni biologici, esiste dunque un ordine ed un disordine parimenti salutari e non salutari. Questi nuovi tipi di strutture della fisiologia umana si originano attraverso una dinamica lenta di sviluppo ed evoluzione embrionale, alcuni studiosi hanno ipotizzato che tali processi mostrino un caos deterministico. 

All’inizio degli anni ’80 quando i ricercatori cominciarono ad applicare la teoria del caos ai sistemi fisiologici, ci si aspettava che il caos sarebbe stato maggiormente osservabile negli stadi patologici e nella vecchiaia; in definitiva, l’intuizione e la tradizione medica aveva sostenuto fino ad allora una visione di questo tipo: ecco quindi perché il caos nella funzione biologica è proprio dello stato di salute, mentre la periodicità può essere patologica. 

L’applicazione della matematica frattale ci può essere d’aiuto anche in campo di prevenzione e cura per le malattie tumorali: grazie allo studio delle caratteristiche delle dimensioni dei frattali si è potuta infatti facilitare la distinzione tra cancri al seno benigni e maligni. La prova, avvenuta presso l’Università della Pensilvania, ha previsto l’analisi di 48 campioni di tumori al  seno, tra i quali 32 maligni, 20 benigni e 4 casi selezionati specificamente perché di difficile valutazione, processo che avviene mediante il confronto delle caratteristiche dei bordi della massa tumorale. Tutti i casi sono stati confermati dalla biopsia. La caratteristica della dimensione frattale è stata "computata", mentre la media dello spazio del campione delle valutazioni della dimensione frattale è stata derivata dai modelli di interpolazione delle funzioni dei frattali. L’insieme completo di 52 immagini è necessario per le supposizioni statistiche, l’importanza della caratteristica della dimensione frattale è illustrata dall’osservazione dei casi di masse con i bordi regolari. La nostra prova   è costituite da sei immagini di bordi lisci e regolari, quattro benigni e due cancri. La categoria delle masse aventi bordi regolari é una delle cinque categorie di immagini della massa del seno, per cui alcuni studiosi hanno detto: " Se simili risultati si osserveranno  in studi di verifica futuri in altri settori clinici, la biopsia non sarà necessaria in pazienti i cui risultati  rientrano in queste cinque categorie". Riguardo le sei masse tumorali dai bordi lisci e regolari é stato  trovato quanto segue:

   L’affidabilità della dimensione frattale in questo campo, é derivata in parte dal fatto che essa é la media di tantissime valutazioni: ogni valutazione deriva dal valore analiticamente computato di un  modello frattale. A livello statistico tale affidabilità non é molto elevata se si considera un singolo modello, ma aumenta enormemente utilizzando un grande numero di modelli. La teoria frattale, che é considerata un metodo alternativo per la cura del tumore al seno, ha suscitato un grande interesse da parte di quelle donne che sono particolarmente predisposte per questo tipo di malattia.

In natura l’evoluzione procede secondo la teoria Darwiniana della riproduzione : le mutazioni casuali,  la sopravvivenza degli organismi più adatti attraverso la competizione e la cooperazione.Con il  passare dei secoli infatti, la selezione naturale ha favorito l’evoluzione di diverse specie adatte a determinati ambienti e situazioni. Il pioniere di un nuovo metodo di riproduzione "selettiva" é Karl Sims che, partendo da immagini, é risalito al brodo primordiale e al DNA virtuale. Egli inizia con il creare una popolazione costituita da circa 100 immagini rappresentate sul video di un computer, esamina ogni immagine e assegna a  ciascuna di esse un punteggio per la sua forma estetica per poi indurla a deporre le uova. A questo punto inizia la riproduzione dei "geni virtuali" accompagnata da casuali mutazioni. Una nuova immagine nasce quando milioni di pixel colorati si uniscono formando una struttura genetica che riempie lo schermo; questo fenomeno può essere paragonato ad un animale o a una pianta che nasce nel momento in cui le uova o i semi crescono avendo in sé milioni di cellule contenenti una copia del DNA. Molti immagini non riescono però a sopravvivere ed è in questo che consiste la selezione.  In conclusione, la fisiologia sembra uno dei settori più promettenti per lo studio dei frattali e del caos  e di altri tipi di dinamiche non lineari. I fisiologi hanno bisogno di sviluppare una migliore comprensione di come i processi di sviluppo possano portare alla formazione di architetture frattali e di come i processi dinamici che si svolgono all’interno del corpo umano generino caos apparente. 

Nel prossimo futuro gli studi sui fattali e sul caos applicati alla fisiologia potranno fornire metodi più sensibili per caratterizzare le disfunzioni dovute a vecchiaia, malattie o sostanze tossiche.

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