C'è un campo della scienza che accende la curiosità di fisici, matematici, biologi, chimici, fisiologi, meteorologi, economisti. Un insieme più che mai variegato di specialisti si occupa di fenomeni che, apparentemente, non hanno nulla in comune: i termini che li descrivono appartengono a discipline molto diverse e si manifestano su scale che spaziano dalle dimensioni della cellula a quelle di un pianeta.

E' la scienza del caos, che ha cominciato a imporsi negli anni sessanta e settanta, facendo leva su un aspetto che sconcertava e "disturbava" il modo di pensare dello scienziato classico, a qualunque disciplina si dedicasse: il lato discontinuo, irregolare, incostante della natura, il disordine che si può osservare, per esempio, nel moto turbolento delle acque del mare e delle correnti atmosferiche, nelle popolazioni di animali e piante, nel movimento degli ammassi di stelle delle galassie, nel dedalo microscopico dei vasi sanguigni, nel battito irregolare del cuore. Comportamenti strani, apparentemente in contraddizione con leggi fisiche ben note e provate, e tanto diffusi da lasciar sottointendere una qualche forma di spiegazione unitaria: il caos presentava abbastanza aspetti "misteriosi" da stimolare la curiosità degli scienziati.

Contraddizioni apparenti

La moderna definizione di caos - o meglio di "caos deterministico" - racchiude in sé il paradosso, unendo due termini entrati nell'uso comune con significati apparentemente incompatibili; il caos è infatti definito come un comportamento apparentemente casuale e non predicibile che si manifesta in sistemi regolati da leggi deterministiche, cioè in sistemi la cui evoluzione nel tempo è prevedibile conoscendo le caratteristiche iniziali. Come effetto i sistemi caotici, pur partendo da condizioni iniziali molto simili, possono evolvere nel tempo in modo molto diverso e a priori imprevedibile. Un esempio storico e suggestivo di comportamento caotico è dovuto al meteorologo americano Edward Lorenz, che scoprì come un processo semplice e conosciuto come il trasporto di calore per convezione potesse essere intrinsecamente imprevedibile. Oggi questa sua scoperta è nota con il nome suggestivo di "effetto farfalla", e con l'immagine ancora più affascinante di un battito di ali di farfalla che è in grado di provocare fenomeni atmosferici in un altro momento dall'altra parte del mondo.

Biologia e complessità

La scoperta dell'esistenza di fenomeni caotici portò a considerare in modo nuovo anche il mondo della complessità: se infatti la concezione riduzionista - che descrive le caratteristiche di un sistema come la somma di quelle dei suoi componenti - perde significato di fronte alle manifestazioni del caos, i sistemi complessi devono essere considerati da un punto di vista globale, perché le loro caratteristiche macroscopiche non sono riconducibili alle proprietà delle loro parti microscopiche.

I sistemi biologici sono un esempio affascinante di complessità. A differenza dei materiali normalmente studiati in ambito fisico o chimico, infatti, i sistemi biologici sono stati selezionati attraverso lunghi processi evolutivi: "il caso e la necessità", per citare il biologo Jacques Monod, sono intervenuti a determinarne le proprietà e a dotarli di funzioni talvolta altrettanto sofisticate di quelle ottenibili con la tecnologia. L'occhio umano, per esempio, è paragonabile a un convertitore di immagini della massima sensibilità, capace di reagire a uno stimolo luminoso pari anche alla più piccola quantità definita nell'ambito della fisica quantistica, il quanto di luce. Macchine altamente sofisticate; anzi, molto più che macchine. Infatti, anche se presentano un comportamento apparentemente "automatico", i sistemi biologici hanno una caratteristica che li rende profondamente diversi dai sistemi artificiali: mentre le macchine sono concepite per svolgere una certa funzione, e a quello scopo sono progettate, la materia vivente si autoregola, correggendo gli errori e, in definitiva, migliorando in corso d'opera il progetto originario. Questa capacità, chiamata autoreferenzialità o retroazione, dipende dall'alto livello di organizzazione interna della materia vivente e dalla possibilità di sviluppare spontaneamente la propria struttura (autorganizzazione).

Insoliti equilibri

A livello atomico e molecolare, infatti, la materia vivente non è distinguibile da quella non vivente; le differenze si manifestano nella natura specifica dell'organizzazione delle macromolecole, nella loro aggregazione, e soprattutto nella gerarchia che caratterizza i sistemi che costituiscono l'organismo vivente. Quindi un sistema biologico non è la semplice somma delle sue parti, e le sue proprietà derivano dall'integrazione e non dalla sommatoria delle proprietà degli elementi che lo costituiscono.

In questo quadro ordine e disordine assumono significati che vanno oltre il significato strettamente geometrico o fisico: se le molecole di interesse biologico (per esempio gli enzimi o il DNA) non hanno un ordinamento spaziale, questo non significa che non vi sia un ordine di altro tipo. Nella struttura degli enzimi, per esempio, la sequenza degli amminoacidi non è certo casuale: la sostituzione di uno di essi con un altro "sbagliato" ha un effetto sull'efficienza dell'enzima. L'ordine nella materia vivente è mantenuto attraverso il continuo flusso di energia al loro interno, perché i sistemi biologici sono sistemi dinamici aperti, in continuo scambio di energia e materia con l'esterno, e lontani dall'equilibrio termodinamico. Per un sistema biologico, infatti, l'equilibrio termodinamico è raggiunto solo con la morte.

Tuttavia i sistemi biologici possono presentare una relativa stabilità per alcuni comportamenti che, in vivo, si mantengono molto lontani dall'equilibrio termico; una situazione che si realizza grazie a processi di cooperazione tra diverse parti del sistema che, pur non essendo a diretto contatto, sono collegate tra loro in modo funzionale, e si trasferiscono l'energia senza dissipazioni. Così è possibile osservare comportamenti caotici in sistemi biologici o in loro parti, fenomeni che si manifestano quando il sistema è sottoposto a particolari stimoli, ma anche in condizioni normali: dinamiche caotiche, per esempio, compaiono nell'attività dei neuroni stimolati con certi tipi di segnale, in quella degli enzimi, in quella cerebrale durante il sonno.

Questione di ritmo

Ordine e caos si intrecciano in molte manifestazioni della vita. Una di queste è rappresentata dalla presenza di fenomeni oscillatori, cioè comportamenti ritmici e ciclici con periodi molto diversi: si va dai millisecondi delle oscillazioni biochimiche e dell'attività neuronale, alle ore dei ritmi circadiani fino ai mesi e agli anni dei cicli di popolazione. Fenomeni ritmici si manifestano a tutti i livelli di organizzazione biologica e, dal punto di vista fisico, possono essere considerati fenomeni di autorganizzazione in sistemi lontani dall'equilibrio: la struttura, superando un punto di instabilità, si organizza secondo un ordine temporale, che si manifesta con un andamento ritmico. Ma impulsi esterni specifici possono comunque far evolvere il sistema ancora verso il caos, o creare nuovi ritmi e quindi nuove forme di ordine. O fenomeni strani e affascinanti come la sincronizzazione, grazie alla quale gli oscillatori biologici come le cellule cardiache e nervose stabiliscono i propri ritmi di funzionamento in modo sincrono, "agganciando" le loro fasi di oscillazione anche in assenza di stimoli artificiali.

Il cuore complesso

Un esempio particolare di sistema complesso in ambito biologico è il cuore umano: il suo regime normale è periodico e le patologie che distruggono questa periodicità, come la fibrillazione ventricolare, sono quelle che tendono a portarlo verso il suo stato di maggior equilibrio, cioè la morte. La fibrillazione, infatti, impedisce al cuore di contrarsi e distendersi completamente. Ma anche in questa situazione di alterazione globale, molti dei singoli componenti del cuore svolgono il loro lavoro in modo normale: le singole cellule del muscolo, per esempio, rispondono in modo appropriato agli stimoli, contraendosi e distendendosi in modo corretto. Il comportamento globale del muscolo, però, non è quello dei suoi componenti: la fibrillazione è un disturbo di un sistema complesso, è una manifestazione di caos e di un tipo stabile, che solo una forte perturbazione esterna come la scarica di un defibrillatore può riportare a una situazione di ordine.

Dall'organismo unicellulare al sistema biologico più complesso, la materia vivente si muove e si evolve con continue transizioni tra regolarità e caos. "La vita assorbe ordine da un mare di disordine" ha detto Erwin Schrödinger, uno dei fondatori di una delle teorie fisiche più rivoluzionarie, la meccanica quantistica, dando la sua definizione di materia vivente. "Un organismo ha la sorprendente capacità di concentrare un "flusso d'ordine" su se stesso e di evitare così di cadere nel caos atomico".