🦠Un diagramma di fase sociale - di Eleonora Alfinito

"La fisica non si occupa di microbiologia né tantomeno di sociologia", tuona, spazientito, il prof. V *, un docente piuttosto tradizionalista.

In realtà, già nel 1944, uno di padri della fisica moderna, E. Schrödinger ¹, interrogandosi

sulla possibilità di fornire una descrizione fisica delle leggi della genetica, iniziava una fase di incursioni, via via più frequenti ,della fisica in altre discipline.

D'altra parte le leggi della natura le interpreta un raffinato elaboratore biologico (il cervello e tutti i sensi ad esso connessi), quindi risulta difficile negare all'esplorazione fisica del mondo una matrice biologica.

Lo stesso elaboratore di cui sopra, oltre ad interpretare le leggi fisiche nei limiti degli strumenti che ha e che si è dato, tende a far misura di sé il mondo che lo circonda. Ci interfacciamo al mondo con i nostri sensi (quindi "filtrando" le informazioni in funzione di essi) e proviamo ad estrapolare un quadro generale dal limitato particolare che riusciamo a percepire. Questo non ha impedito la costruzione di uno schema interpretativo del mondo ( la "realtà") solido in molti aspetti, soprattutto quando utilizzato a scala fissata. All'interno di una scala (di lunghezze, di tempo, di energia) riusciamo, in molti aspetti, a far teoria di molta esperienza.

Ma quello che vale ad una scala, non sempre si può applicare ad altra scala. Un esempio lampante è quello della organizzazione sociale degli esseri viventi.

Organizzazione sociale e classificazione

Come ci ammonisce il prof V., non abbiamo le competenze per parlare di organizzazione sociale, se non come chiacchiere da bar. D'altra parte, comprendiamo tutti cosa si possa intendere, almeno qualitativamente, per "organizzazione sociale", così come amiamo classificare i nostri simili in egoisti, generosi, approfittatori, cooperativi, distruttivi , etc. , etc., ed attribuire questi tratti sociali ad un carattere/volontà. Tutte queste ed altre categorie (molto fluide e, ricordiamo, create dal famoso elaboratore biologico) prevedono e intendono l'individuo e la società come soggetti differenti ma, ben inteso, non disgiunti. Eppure, la natura ci confonde: chi, da piccolo, non si è mai perso nell'affascinante osservazione delle innumerevoli colonie di formiche e api? Chi non si è mai interrogato sull'assurda antinomia di considerare come 'meno evolute' quelle specie che costituiscono le società più coese?

L'evoluzione e il cambio di scala

E' l'evoluzione, bellezza, ci suggerisce il prof V.: l'individualismo non aiuta se le dimensioni sono ridotte.

Naturalmente.

Ma se le dimensioni son ridotte (è cambiata la scala), la nostra concezione di società, intesa come il risultato di scelte consapevoli dei singoli ( di cooperare, di organizzare i compiti, di costruire un ambiente confortevole, etc.) è ancora accettabile? In altri termini: se lo stare assieme non è una scelta consapevole, cosa induce un gruppo di soggetti ad associarsi? D'altra parte, un soggetto che non ha consapevolezza di sé è ancora da considerare individuo?

Fenomeni emergenti nell'ambito inorganico

Se restiamo in ambito inorganico, qualcosa di equivalente alla formazione della colonia è il manifestarsi di fenomeni macroscopicamente rilevanti emersi spontaneamente ed in maniera inattesa da insiemi di molte unità singolarmente governate da regole semplici. In questi fenomeni l'ordine aumenta, tra gli esempi più noti, la formazione del ghiaccio (un cristallo di acqua è decisamente più ordinato di un dito d'acqua). Come passiamo da un gruppo disordinato di molecole d'acqua ad un bel cristallo? Per esempio, diminuendo la temperatura. Quando questa raggiunge un certo valore (quorum), diciamo zero gradi centigradi, le molecole iniziano ad aggregarsi con imprevedibile rigore geometrico ed il ghiaccio è fatto.

Dall’alto verso il basso: immagini a tempo crescente. Le prime due a sinistra sono simulazioni; le altre due ( in azzurro) sono immagini reali

Colonie batteriche e quorum sensing

Passando in ambito biologico, un caso di studio molto interessante, sebbene decisamente più complesso, è fornito dalla crescita delle colonie batteriche: strutture coerenti e proattive (capaci di autoregolare la crescita a seconda delle condizioni ambientali, di produrre beni pubblici, sostanze utili per contrastare i potenziali nemici o per attaccare possibili prede ( tossine, … ma anche luce).

Naturalmente tutto ciò avviene grazie ad un'organizzazione efficace ma -non cosciente-, che, anche in questo caso, comporta un aumento dell'ordine.

Il -regista- di questo coordinamento è stato individuato circa 50 anni fa ed associato, inizialmente, alla bioluminescenza di alcuni batteri ². A metà degli anni '90 al regista viene dato il nome di quorum sensing (QS) perché si manifesta quando viene raggiunto un certo quantitativo (quorum) di batteri. La comunicazione avviene tramite lo scambio di particolari molecole, dette autoinduttori. Negli anni 2000 B. Bassler ³ ha reso famoso al grande pubblico QS, mostrando come esso sia quasi ubiquitario fra i batteri. QS è quindi responsabile del benessere della colonia ed, in particolare, sia anche in grado di gestire armonicamente la presenza di batteri "devianti" ad esempio, poco produttivi o quiescenti.

Studio del quorum sensing

Sebbene su QS la letteratura sia ormai sterminata, quest'ultimo aspetto è ancora poco esplorato, come, d'altra parte, non è ancora bene chiaro quale sia il ruolo ecologico di tali devianti, se nascano tali o lo diventino ed in quali condizioni.

Fumetto del quorum sensing: Trasforma l’informazione «quanta carica batterica c’è» in un segnale, attivando differenti funzioni

Facile immaginare, per l'innegabile fascino della materia, che anche di modelli teorici se ne trovino a bizzeffe. Qui ve ne racconteremo brevemente l'ennesimo, un po' differente dagli altri perché prova a descrivere QS in differenti sfaccettature ( ad esempio, crescita e produzione di beni pubblici), il che non è molto comune.

Il regista della colonia: un nuovo modello

Torniamo alla domanda iniziale: cosa fa e cos'è il regista. Per quanto ci riguarda, esso è la coscienza-inconsapevole o la consapevolezza-inconscia della colonia ed è, in qualche maniera, la colonia stessa. La colonia è ben più dell'insieme dei costituenti, i quali, da soli, non producono QS (in qualche modo, non sono individui), d'altra parte QS si forma man mano che la colonia cresce e la colonia cresce perché QS si sviluppa: colonia e QS sono un binomio inscindibile. Come vedete, cambiando la scala, stiamo perdendo di vista i concetti di individuo e società come oggetti distinti.

Interazione a lungo raggio

QS, nella nostra rappresentazione, è un'interazione a lungo raggio, ovvero una forma di scambio di informazioni tra soggetti che fungono sia da sorgenti che da ricevitori e che, in alcuni casi sono davvero lontani fra loro ⁴. L'informazione (che chiamiamo carica) è la quantità di soggetti presenti, ogni soggetto si ritrova ad avere un proprio potenziale, ovvero la capacità di agire sugli altri, che è tanto maggiore quanto più grande è la carica e quanto più gli altri sono vicini. Soggetti con potenziale maggiore possono "nutrire" soggetti con potenziale minore e man mano che essi crescono possono riprodursi e far crescere la colonia. Ma tutto questo ha un costo: un po' di nutrimento va dato per migliorare le condizioni della colonia (produzione di beni pubblici). Può accadere che questo costo sia eccessivo e in questo caso il soggetto non riuscirà a riprodursi, oppure che il soggetto non abbia sufficiente capacità di nutrirsi e quindi, anche con una bassa richiesta, esso non riesca a crescere e riprodursi.

Il diagramma di fase sociale

E', quindi possibile costruire quello che in fisica si chiama diagramma di fase (di sviluppo), ovvero studiare come, al variare di due parametri metabolici, la richiesta in produttività e la capacità di assimilare il nutrimento, il soggetto possa attraversare varie condizioni di sviluppo, differenti sia per la capacità di moltiplicarsi che quella di produrre beni pubblici. D'altra parte, un soggetto che si sviluppa poco perché dona le sue risorse per produrre beni pubblici, è, socialmente, "generoso", così uno che utilizza tutte le proprie risorse per crescere e moltiplicarsi senza dare un gran ché alla colonia, è "avido" o "imbroglione" e ogni categoria ha un continuo di sfumature: vediamo così che il nostro diagramma di fase (di sviluppo), diventa, con buona pace del prof. V., un diagramma di fase "sociale".

Si potrebbe continuare, ad esempio, mostrando come il QS riesca a gestire "buoni e cattivi" di modo da mantenere il benessere della colonia, ma è arrivato il momento che il prof. V riprenda la sua lezione di fisica ⁵.

Uno dei più famosi esempi di QS, ce produce lo spettacolare fenomeno della bioluminescenza (qui illumina il mare di Puerto Rico) - fonte Iberia Joven https://joven.iberia.com/it/lo-spettacolare-fenomeno-della-bioluminescenza-che-illumina-il-mare-di-puerto-rico/

*Il prof. Eugenio Vetustus, insegna in tutte le scuole italiane di ogni ordine e grado.

1 What is life? E. Schrödinger, Cambridge University Press,1944 (traduzione M. Ageno,"Cos'è la vita", Adelphi 1995).

2 Nealson, K. H., Platt, T., & Hastings, J. W. (1970). Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system. Journal of bacteriology, 104(1), 313-322.

3 Potrete apprezzare le grandi abilità di divulgatrice di Bonnie Bassler seguendo il suo TEDX: https://www.ted.com/talks/bonnie_bassler_how_bacteria_talk

4 Il fenomeno noto come "milky sea" coinvolge miliardi di batteri ed è così esteso da essere visibile dai satelliti https://earthobservatory.nasa.gov/images/149017/hunting-milky-seas-by-satellite

5 Basato su: Alfinito, E., Cesaria, M., & Beccaria, M. (2022). Did Maxwell dream of electrical bacteria?. Biophysica, 2(3), 281-291; Alfinito, E., & Beccaria, M. (2024). Competitive Distribution of Public Goods: The Role of Quorum Sensing in the Development of Bacteria Colonies. Biophysica, 4(3), 327-339. Alfinito, E., & Beccaria, M. (2025). Resonance for life: Metabolism and Social Interactions in Bacterial Communities. arXiv preprint arXiv:2503.02444.

Articolo scritto da:

Eleonora Alfinito Prof.ssa del Dip. di Matematica e Fisica 'Ennio De Giorgi'

Università del Salento