Per un approccio innovativo. Considerare la complessità negli ecosistemi

«La ricerca scientifica ha più volte dimostrato in svariati campi della conoscenza la necessità di abbandonare o riformulare punti di vista ritenuti, per la loro fecondità e la loro apparentemente illimitata applicabilità, base indispensabile di ogni interpretazione razionale. Benché questi sviluppi siano stati originati da studi particolari, essi racchiudono un insegnamento d’importanza generale per il problema dell’unità della conoscenza. In effetti l’ampliamento dello schema concettuale non solo è servito a ristabilire ordine nei singoli rami della conoscenza, ma ha anche rivelato l’esistenza di analogie fra le diverse posizioni assunte di fronte ai problemi dell’analisi e della sintesi dell’esperienza in domini apparentemente distinti della conoscenza, indicando con questo la possibilità di una descrizione oggettiva di ampiezza sempre più vasta» (Bohr 1965, 54).

Con queste parole il fisico Niels Bohr, uno dei padri della fisica quantistica, fondamento della fisica moderna, delinea un pensiero che tende a mettere in piena luce l’importanza dell’unità e dell’armonia della conoscenza a partire dalla sfera dell’indagine scientifica ed apre un vasto panorama intellettuale che viene da lui esplorato nel testo I Quanti e la Vita (Bohr 1965).

Anche per il tema della conciliazione, in senso generale, è rilevante appoggiarsi a modelli e pensieri che sono ancorati a visioni che mettono in valore l’unità della conoscenza, spesso occultata da una eccessiva frammentazione del sapere. La frammentazione fa perdere di vista nuovi approcci e modelli che molte volte richiedono l’abbandono di punti di vista ritenuti base apparentemente indispensabile di consuete elaborazioni o idee che possono influenzare i nostri modi di agire.

Nella presente breve discussione, desideriamo portare alla luce il fatto che il mondo reale è caratterizzato dalla complessità ‒ i cui effetti non sono lineari, non sono quelli che ci si aspetta, sfidano i nostri modelli o pre-concezioni. Nell’ambito dei sistemi complessi, gli effetti sono difficilmente prevedibili secondo i soliti schemi, la complessità richiede prima di tutto di attentamente osservare e monitorare la realtà, di essere umili e riconoscere che bisogna ripensare gli approcci, e questo richiama un approccio creativo in vista di una conciliazione tra società umana e universo complesso.

1. Le geometrie dell’ambiente non sono una linea retta

Cerchiamo prima di dare una risposta, anche parziale, alla seguente domanda: in quale senso l’ambiente in cui viviamo è complesso?

Partiamo dai sistemi ambientali o naturali e concentriamo il nostro discorso su una proprietà ricorrente: vi è qualche cosa di comune tra una foglia, un fulmine, un albero, una catena montuosa, un polmone, la costa amalfitana, le nuvole, i fiocchi di neve, il corso dei fiumi, il sistema cardiovascolare ed il sistema nervoso. Si tratta della loro organizzazione spaziale che corrisponde ad una geometria frattale.

In prima approssimazione, un oggetto con struttura frattale ha una proprietà che in realtà sembra richiamare la definizione matematica di un insieme infinito: esiste una relazione bi-univoca tra una parte dell’insieme e l’insieme stesso, e come conseguenza la parte e l’insieme intero hanno lo stesso numero (infinito) di elementi. Per l’insieme frattale, la definizione afferma in sostanza che una parte avrà sempre la stessa struttura del tutto. Tutti i frattali possono essere ottenuti dall’iterazione di un’operazione semplice di base, per produrre oggetti aventi notevole complessità. Magnificazioni successive di una porzione dell’insieme frattale sono strutturalmente indistinguibili dall’insieme intero. Notiamo già a questo punto che le proprietà delle figure euclidee non sono applicabili agli oggetti frattali, e che quindi sarà necessario abbandonare alcuni aspetti dei consueti approcci geometrici.

Mediante iterazioni appropriate è possibile riprodurre gli schemi organizzativi alla base della struttura delle foglie, degli alberi, oppure ottenere i contorni e le forme di catene montuose e di nuvole, come anche in modo simile la morfologia dei fiumi, dei polmoni e del sistema cardiovascolare. La struttura diramata di un ramoscello ha la stessa natura dell’albero intero.

In questo contesto esiste anche un legame di grande importanza con l’astratto mondo della matematica pura che riguarda in particolare la natura del grafico delle funzioni. Quest’ultimo ente matematico possiede una grandissima rilevanza nelle applicazioni pratiche, poiché esso rende possibile l’espressione delle relazioni tra (almeno) due variabili. Se è possibile calcolare in modo non-ambiguo il tasso di variazione della funzione in un punto determinato, allora abbiamo a che fare con una funzione differenziabile. A partire della conoscenza del tasso di variazione della funzione in un punto, è possibile dedurre o prevedere il tasso di variazione in altri punti. Tuttavia, questo tipo di funzione rappresenta un insieme “di misura nulla” nell’insieme di tutte le funzioni continue, la maggioranza delle quali sono non-differenziabili. Quindi, le nostre visioni scientifiche utilizzano soltanto una parte minima e trascurabile di tutte le funzioni matematiche. Inoltre, l’enorme insieme di funzioni non-differenziabili, che costituiscono la maggioranza assoluta, possiedono un grafico molto interessante: è di natura frattale. Nelle molteplici applicazioni pratiche, l’uomo sfrutta un unico tipo di funzione estremamente particolare, mentre le considerazioni fatte in precedenza mostrano che la natura, invece, tende a riprodurre le funzioni di tipo “dominante”, i cui grafici sono frattali e complessi.

2. Negli ecosistemi non tutto è causa-effetto regolare

Vale anche la pena soffermarsi sulla natura dell’organizzazione temporale dei sistemi naturali che abbiamo finora considerato, per poterli confrontare con le dinamiche associate all’attività dell’uomo.

Per quanto riguarda queste ultime, spesso abbiamo l’impressione di poter controllare e dirigere facilmente gli effetti di una grande parte delle nostre azioni quotidiane. Questo fatto è dovuto, tra l’altro, all’impiego di un ampio insieme di strumenti tecnologici: basta premere su vari pulsanti o tasti e l’effetto desiderato si realizza secondo uno schema deterministico caratterizzato da una apparente causalità lineare. Se avviene un guasto o un imprevisto, sappiamo che un tecnico o uno specialista adeguato potrà rimediare al problema: sembra che tutto sia essenzialmente reversibile. Un ulteriore fattore che rafforza il carattere deterministico delle rappresentazioni delle nostre azioni è che nella vita quotidiana ci occupiamo spesso di sistemi fisici semplici. Ad esempio, se siamo al livello del mare e se desideriamo portare ad ebollizione una massa di acqua, sappiamo che bollirà sempre a 100 gradi Celsius. Tendiamo a generalizzare questa regolarità causale ad ogni circostanza e la risultante immagine generale del mondo impregna anche le nostre idee in modo generale.

Tuttavia, l’ambiente, in senso generale includendovi le sfere sociali, non è un sistema semplice che possiede una causalità lineare, ma è contraddistinto da vari livelli di complessità di cui un esempio è stato discusso precedentemente nel caso delle strutture spaziali di alcuni elementi naturali. I sistemi naturali in questione possiedono in generale una dinamica ricca e complessa.

Per approfondire questa tematica, un approccio utile è quello elaborato da Remo Badii e Antonio Politi (Badii e Politi 1997), per i quali un sistema complesso è definito dalle seguenti caratteristiche generali:

– la comprensione del sistema (o oggetto) implica la presenza di un soggetto che cerca di descrivere un oggetto, di solito mediante una adeguata modellizzazione. La complessità è, in generale, una “funzione” del soggetto e dell’oggetto,

– l’oggetto ammette la possibilità di una suddivisione in parti che mostrano una struttura gerarchica,

– le proprietà dell’oggetto sono il risultato delle interazioni tra le varie parti delle strutture gerarchiche. Questo fatto costituisce una delle maggiori difficoltà per la descrizione della dinamica dell’oggetto complesso.

I sistemi ecologici ammettono una suddivisione in tante parti e hanno una struttura gerarchica. Le loro qualità specifiche scaturiscono dalle complesse interazioni tra le varie parti. La dinamica spazio-temporale di questi sistemi risulta essere difficile da modellizzare e questo è uno dei motivi per cui l’ambiente è un sistema complesso.

3. Gli strumenti statistici semplificano la descrizione della caoticità dell’ambiente

Per capire meglio in cosa consiste questa complessità della dinamica dei sistemi naturali, proponiamo di esaminare i seguenti esempi.

Consideriamo come esempio una tazza di caffè. Il liquido è costituito da un grande numero di parti, atomi o molecole, e le interazioni o collisioni tra esse e con le pareti della tazza determinano le proprietà macroscopiche del caffè: se potessimo osservare il liquido su scala molecolare oppure atomica, costateremmo che il moto delle particelle che lo compongono è caotico, disordinato e casuale. Una delle caratteristiche del caos sta nel fatto che infinitesime incertezze iniziali vengono inesorabilmente amplificate nel tempo. Tuttavia, è possibile introdurre delle variabili macroscopiche, tale la temperatura del caffè, che soddisfano semplici equazioni mediante le quali è possibile determinare il comportamento del liquido, senza ricorrere alla dinamica individuale di ogni particella costituente. Questo esempio corrisponde a un sistema non-complesso. Infatti, il liquido è composto di tantissime parti, ma non vi è tra loro una struttura gerarchica. In tal caso, si può considerare la variabile temperatura che corrisponde a delle grandezze statistiche medie appropriate. Infatti, per questi tipi di sistemi non-complessi, scomponibili in un grande numero di parti, esiste in generale la possibilità di definire e analizzare delle adeguate quantità statistiche medie che caratterizzano in modo sufficiente il sistema. Anche l’esito di una dinamica caotica può essere analizzato, fino a un determinato livello, mediante strumenti statistici.

4. In natura non tutto è prevedibile

Per quanto riguarda invece i sistemi complessi, non è sempre avverabile lo studio della dinamica mediante le medie statistiche, perché queste ultime perdono la loro applicabilità nel caso di una struttura gerarchica le cui parti interagiscono in modo intricato. Per chiarire questi concetti nel caso della dinamica dell’ambiente, ci avvaliamo di un esempio immaginario dovuto a Stuart Kauffmann, discusso nel libro Science and Ultimate Reality (Kauffmann 2004). Figuriamoci una civiltà che vive in una regione dove, purtroppo, si verifica un drammatico ed imprevisto aumento dei terremoti come conseguenza di una particolare fase della tettonica delle placche. In questa località geografica, vi sono degli individui che possiedono un cuore “mutante” particolare che è sensibile alle prime onde sismiche generate all’inizio di un terremoto. In un ambito normale, il cuore di queste persone ha come funzione di fare circolare il sangue nel corpo, ma in un ambiente caratterizzato da un’alta frequenza di sismi, una nuova funzione latente emerge e consente a questi fortunati individui di fuggire in tempo nel caso di un forte sisma. Il risultato è che le persone con un cuore “mutante” sopravvivono in maggior numero rispetto alle persone “normali”. Inoltre, tali individui diventano famosi e molto apprezzati nella regione e si riproducono di più relativamente alle persone con cuore “non-mutante”: infine, dopo un determinato intervallo di tempo, la popolazione con il cuore “sismopatico” diventa dominante rispetto alla popolazione di individui con un cuore classico. Era prevedibile questa inversione di tendenza?

L’aspetto particolare di questa dinamica che desideriamo rilevare consiste in questo: la problematicità nel prevedere scenari futuri per la civiltà considerata non sta nel fatto che essa sia costituita da tantissimi individui con una dinamica propria complicata, ma risiede nel fatto che una delle variabili cruciali del sistema non è osservabile all’inizio della fase evolutiva considerata e che, di conseguenza, essa non viene inclusa nell’impostazione del modello. La “sismo-sensibilità” del cuore mutante diventa osservabile al momento in cui essa emerge in un ambiente determinato. Le diverse parti in cui è scomponibile quest’ambiente con struttura gerarchica, ovvero il cuore, la persona, le placche tettoniche etc., interagiscono tra loro in modo da fare emergere delle variabili che descrivono effetti macroscopici al livello della dinamica dell’intera civiltà. Gli errori possibili nelle previsioni per l’evoluzione di tale tipo di sistema complesso non risultano, quindi, dal problema della gestione di un grande numero d’individui o dalle indeterminatezze della configurazione iniziale: le incertezze sono dovute al fatto che una delle variabili del sistema non è inclusa nel modello fisico-matematico. Notiamo che questo tipo d’indeterminazione è nota in economia con il termine di incertezza knightiana (Knight 1885-1972), la quale non proviene da incertezze sulle variabili esistenti del modello, ma risulta dal fatto che una variabile non è inclusa nel sistema iniziale di equazioni utilizzate. Inoltre, anche l’utilizzo di grandezze statistiche medie non consente di prevedere la dinamica futura a causa dell’occorrenza di nuove variabili emergenti. Un tale genere d’incertezza knightiana in un sistema fisico-naturale corrisponde al fatto che il numero di variabili fondamentali della dinamica è esso stesso una variabile del sistema. Le considerevoli imprecisioni dei modelli dell’evoluzione di tali sistemi non sono meramente quantitative, ma sono soprattutto di natura qualitativa. Il Prof. Robert Laughlin (1950), premio Nobel per la fisica nel 1998, spiega nel suo libro A Different Universe (Laughlin 2005) che i sistemi complessi caratterizzati da proprietà emergenti si ritrovano in un crescente numero di parti fondamentali della fisica teorica e che essi danno forma ad una nuova descrizione scientifica dell’universo.

5. Per non concludere

L’aspetto importante che dev’essere sottolineato è che il modello teorico dovrebbe inquadrare i fenomeni mediante una diversa impostazione epistemologica ‒ la complessità dei sistemi non forma un muro assoluto alla conoscenza scientifica: ci mostrano qualcosa di nuovo sulla struttura del mondo e inducono un’evoluzione del contenuto epistemologico del metodo scientifico, anche con il fine di predisporre un appropriato approccio per dirigere le nostre azioni. In tali circostanze rilevanti processi formativi potranno essere implementati per rispondere ai problemi posti dalle questioni complesse, che assumono nei nostri tempi una crescente rilevanza. In modo particolare, il contesto attuale della pandemia comporta una determinata gestione dell’incertezza per quanto riguarda la progettazione di azioni future.

Nell’ambito dei sistemi complessi, gli effetti sono difficilmente prevedibili secondo i soliti schemi, la complessità richiede prima di tutto di sviluppare le capacità di osservazione e di attento monitoraggio della realtà, di essere umili e riconoscere che bisogna ripensare gli approcci, e questo richiede un approccio creativo in vista di una conciliazione tra società umana e mondo complesso.

Bibliografia

Badii, R. e Politi, A.
1997 Complexity, hierarchical structures and scaling in physics, Cambridge, Cambridge University Press.

Bohr, N.
1965 I Quanti e la Vita, Torino, Bollati Boringhieri.

Laughlin, R.
2005 A Different Universe, New York, New York Basic Books.

Kauffmann, S.
2004 Science and Ultimate Reality, Cambridge, Cambridge University Press.

Autore

  • Ha conseguito la laurea in Fisica teorica all’Università di Liegi (Belgio) nel 1995 con una tesi sui neutrini solari. Nel 2002 ha conseguito il dottorato di ricerca presso l’Università di Cambridge (UK) con una tesi nell’ambito della cosmologia matematica (relatore prof. John D. Barrow, FRS). È stato docente del corso di Cosmologia e astrofisica del Dipartimento di Matematica e Fisica dell’Università Cattolica del Sacro Cuore a Brescia. Svolge un ruolo di coordinamento scientifico nell’ambito dell’Alta Scuola per l’Ambiente (ASA) dell’Università Cattolica del Sacro Cuore. È attualmente Visiting Research Scholar al St. Edmund’s College dell’Università di Cambridge ed è autore di numerose pubblicazioni scientifiche.