S&F_scienzaefilosofia.itISSN2036_2927www.scienzaefilosofia.it
Eventualipropostedicollaborazione(corredatedaunbrevecurriculum)vannoinviate
viaemailallindirizzo:[email protected]
Limmagineincopertina,Medusa,operadelMaestroNizzodeCurtis
COMITATOSCIENTIFICO PAOLOAMODIO Docente di Filosofia Morale _ Universit degli Studi di Napoli
FedericoIIGUIDOBARBUJANI DocentediGenetica_UniversitdegliStudidiFerraraEDOARDOBONCINELLI DocentediBiologiaeGenetica_UniversitVitaSaluteSanRaffaele
diMilanoROSSELLABONITOOLIVA Docente di Filosofia Morale _ Universit degli Studi di Napoli
LOrientaleBARBARACONTINENZA Docente di Storia della scienza e delle tecniche _ Universit degli
StudidiRomaTorVergataORLANDOFRANCESCHELLI DocentediTeoriadellevoluzioneePolitica_UniversitdegliStudi
diRomaLaSapienzaELENAGAGLIASSO DocentediFilosofiaeScienzedelvivente_UniversitdegliStudidi
RomaLaSapienzaPIETROGRECO Giornalista scientifico e scrittore, Direttore del Master in
Comunicazione Scientifica della Scuola Internazionale Superiore diStudiAvanzati(SISSA)diTrieste
GIUSEPPELISSA Docente di Filosofia Morale _ Universit degli Studi di NapoliFedericoII
GIUSEPPEO.LONGO Docente di Teoria dellinformazione _ Universit degli Studi diTrieste
MAURIZIOMORI DocentediBioetica_UniversitdegliStudidiTorinoTELMOPIEVANI DocentediFilosofiadellaScienza_UniversitdegliStudidiMilano
BicoccaVALLORIRASINI Docente di Filosofia Morale _ Universit degli Studi di Modena e
ReggioEmiliaSTEFANORODOT Docente di Diritto Civile _ Universit degli Studi di Roma La
SapienzaSETTIMOTERMINI DocentediCibernetica_UniversitdegliStudidiPalermoNICLAVASSALLO DocentediFilosofiaTeoretica_UniversitdegliStudidiGenova
INTERNATIONALADVISORYBOARD DAVIDBANON ProfesseurauDpartementd'tudeshbraquesetjuives,Universitde
Strasbourg;Membredel'InstitutUniversitairedeFrance;Prof.invitaudpartmentdepensejuive,UniversithbraquedeJrusalem
EDWARDK.KAPLAN Kevy and Hortense Kaiserman Professor in the Humanities, BrandeisUniversity,Waltham,Massachusetts
NEILLEVY DeputyDirector(Research)oftheOxfordCentreforNeuroethics;Headof Neuroethics at the Florey Neuroscience Institutes, University ofMelbourne
ANNALISSA Wissenschaftliche Mitarbeiterin MartinLutherUniversitt HalleWittenberg
DIEGOLUCCI AssociateProfessorofHistoryandPhilosophy,AmericanUniversityinBulgaria
DAVIDEMAROCCO Lecturer in Cognitive Robotics and Intelligent Systems, Centre ofRobotics and Neural Systems, School of Computing and Mathematics,UniversityofPlymouth,UK
MAXSTADLER Professur fr Wissenschaftsforchung, Eidgenssische TechnischeHochschule,Zrich
REDAZIONEPAOLOAMODIO(DIRETTORE) Universit degli Studi di Napoli Federico II_ Facolt di Lettere e
Filosofia_DipartimentodiFilosofiaA.Aliotta_ViaPortadiMassa,180133Napolitel.+390812535582fax+390812535583email:[email protected]
CRISTIANFUSCHETTO UniversitdegliStudidiNapoli_FedericoIIFABIANAGAMBARDELLA UniversitdegliStudidiNapoli_FedericoIIGIANLUCAGIANNINI UniversitdegliStudidiNapoli_FedericoIIDELIOSALOTTOLO UniversitdegliStudidiNapoli_LOrientaleALESSANDRASCOTTI UniversitdegliStudidiNapoli_FedericoIIALDOTRUCCHIO UniversitdeGenve
1
INTRODUZIONE
Scienza&Filosofia2014_numeroundici.Onlineperscelta,inordine
al dinamismo e allimmediata disponibilit della ricezione,
adattandosivolentieriaitempieaglispazichelareteingenere
istituisce:vorrebbeessereagileefacilmentefruibileperchi
interessato a prender parte alle nostre discussioni. La sua
mission non pu dunque che essere diretta e senza scolastici
orpelli:
Preoccupatadiistituzionalizzarsicomedepositariadellacoscienzaeticadel
progressoscientifico,aquasitrentannidallasuanascitalabioeticasembra
essere a un bivio: rinnovare il suo statuto o rischiare di smarrire
definitivamentelasuamissiondidisciplinadiincrociotrasapereumanistico
esaperescientifico.nostraconvinzionechelabioeticapossacontinuarea
svolgereunruolosolose,piuttostochesalvaguardareprincipiassiologicidi
unarealtdata,siaintenzionataaripensarecriticamenteivaloriallaluce
deicambiamenti,epistemologiciprimaancoracheontologici,dettatidallet
dellatecnica.Ilnostroobiettivoquellodiindividuareedevidenziareil
potenzialedinnovazionefilosoficatracciatodallaricercascientificae,al
contempo,ilpotenzialedinnovazionescientificaprospettatodallariflessione
filosofica.
Daquestamissionlarivistatrovalarticolazionecheciparsa
pi efficace. Anche questo numero conterr perci le tipiche
sezioni:
DOSSIERIlveroepropriofocustematicosceltointornoalquale
andrannoaorbitare
STORIAEsposizioneericostruzionediquestionidistoriadella
scienzaedistoriadifilosofiadellascienzaconintenzione
sostanzialmentedivulgativa;
ANTROPOLOGIETemieincrocitrascienze,antropologiafilosofica
eantropologiaculturale;
ETICHERiflessionisutemidiattualitbioetica;
LINGUAGGIQuestionidiepistemologia;
2
ALTERAZIONIDallabiologiaevoluzionisticaallacibernetica,temi
nondirettamenteantropocentrati;
COMUNICAZIONE La comunicazione della scienza come problema
filosofico, non meramente storico o sociologico. In altri
termini: quanto la comunicazione della scienza ha trasformato
lascienzaelasuapercezione?;
ARTEIntersezionitrascienzeemondodellarte;
RECENSIONI&REPORTSLerecensionisaranno:tematiche,ciorelative
al dossier scelto e quindi comprensive di testi anche non
recentissimipurchattinentieimportanti;diattualit,cio
relativeatestirecenti.Reportsdiconvegniecongressi.
Perfavorirelafruibilittelematicadellarivista,icontributi
si aggireranno tra le 15.000 20.000 battute, tranne rare
eccezioni, e gli articoli saranno sempre divisi per paragrafi.
Anche le note saranno essenziali e limitate allindicazione dei
riferimenti della citazione e/o del riferimento bibliografico e
tenderanno a non contenere argomentazioni o ulteriori
approfondimenticriticirispettoaltesto.
A esclusione delle figure connesse e parti integranti di un
articolo,leimmaginicheaccompagnanoisingoliarticolisaranno
selezionate secondo il gusto (e il capriccio) della Redazione e
non pretenderanno, almeno nellintenzione per linconscio ci
stiamoattrezzandoalcunrinviodidascalico.
Last but not least, S&F_ parte del Portale SciCam (Percorsi
della scienza in Campania, www.scicam.it) in virt di una
condivisionedipercorsieprogetti.
Leimmaginidaperturaaisingoliarticolicopertedacopyright
http://mrillustrazioni.blogspot.it/ che appaiono in questo
3
numero,sonooperadellinfaticabileegenerosissimaamica_artista
Monica_Rab che, a questo punto, non solo merita la nostra
riconoscenzamalS&F_award.GrazieMonica!
UngraziedicuoreaMassimilianoFraldi,finescienziatoeuomo
colto,masoprattuttoamicosincero,cheharesopossibilequesto
numero.
Inrete,giugno2014
LaRedazionediS&F_
S&F_n.11_2014
INDICE
5
1 INTRODUZIONE5 INDICE
DOSSIER8 DiDiochevieneallIkea13 MASSIMILIANO FRALDI The mechanical beauty of hierarchically organized living
structures25 CRISTIANFUSCHETTOMeccanicavita.DaCalvinoallaroboticaevolutiva37 LUCIOPASTOREBARBARALOMBARDOUnderstandingbrainthroughdiseases43 PAOLOANTONIONETTIDecipheringthelanguagebetweenbiologicalandsynthetic
materials50 ALESSANDRA SCOTTI Lelogio del superficiale. Dal chiasma tattile a quello visivo,considerazionitraPortmanneMerleauPonty59ROSSELLABONITOOLIVAInterdisciplinarieteinnovazione72 LUCA LO SAPIO Dalla creazione alla programmazione. Il concetto di vita nelleradellabiologiasintetica
STORIA
84 ALDOTRUCCHIOJeanStarobinskielastoriadellamedicinaANTROPOLOGIE
103DIDIER ALESSIO CONTADINI Storia,natura ed evoluzionismo. Sulsenso etico della deantropologizzazione dellumanonelpensierodiS.J.Gould
ETICHE
123MARIANGELA CAPORALE Sui dirittidellinfanzia e la libert checomincia
LINGUAGGI
145MARIA TERESA SPERANZA Alcuneconsiderazioni sulla criticacontemporanea al cogitocartesiano
ALTERAZIONI
160VIOLA CAROFALO La gamba diTamerlano. Contestualizzazionedel sintomo e prospettivametaculturalenelletnopsichiatria di GeorgesDevereux
COMUNICAZIONE
178LUCIADONSIlconcettodicausalitinPsicologiaARTE
190FABIANAGAMBARDELLALemetamorfosidispazioetemposullamontagnaincantata
RECENSIONI&REPORTSreport
201Ilcorpodell'arte.Nancyilluminal'AccademiaIncontridiFilosofiaeArtiacuradiDanielaCalabr,AdrianadeManeseDarioGiuglianoJeanLucNancyMercoled28maggio2014AulaMagnaAccademiadiBelleArtidiNapoli(CRISTIANFUSCHETTO)
6
recensioni
205Gilbert Simondon, Lindividuazione alla luce delle nozioni di forma edinformazione,Mimesis,Milano2011(DELIOSALOTTOLO)
211Bruno Accarino, Zoologia politica. Favole, mostri e macchine, Mimesis,
Milano2013 (ALESSIOCAZZANIGA)
216Gilberto Corbellini Elisabetta Sirgiovanni, Tutta colpa del cervello:
unintroduzioneallaneuroetica,Mondadori,Milano2013(LUCALOSAPIO)
222Arturo Martone, Mettere (in) bocca. Sei studi semiolinguistici, Edizioni
ETS,Pisa2013(ANNABALDINI)
229BarbaraContinenza,ElenaGagliassoeFabioSterpetti(acuradi),ConfiniAperti.Ilrapportoesterno/internoinbiologia,FrancoAngeli,Milano2013(DAVIDCECCARELLI)
236HugoTristramEngelhardtjr.,DopoDio.Moraleebioeticainunmondolaico,Claudiana,Torino2014(LUCALOSAPIO)
RABA_
243S&F_n.11_2014
S&F_n.11_2014
DOSSIER
8
DiDiochevieneallIkea
ABSTRACT:Thepossibilitiesofferedbythelastgenerationofscanningandtransmissionelectronmicroscopesallowtospyontheinnerstructureofbiologicaltissuesandtoobservebioarchitectureswhichmultiplyovercomingclassicalcategoriestheconventionalstandardsoforderandsymmetry,revealinghierarchicallyorganizedmicroandnanostructures.Thesenewparadigmsformthebasisforcreatingeffectivephysicalmathematicalmodels,leadingtosimulate(andpredict)thedestinyofbiologicalorganismsandelementarylivingsystems.ThewholeworldofResearchis
thereforeforcedtoanupdated(biensr),moreauthentic(maybe),necessary(?),interdisciplinary(wasistdas?)commonthinkingover?WhatsthebuzzaboutBeauty?
La complessit morfologica che gran parte delle strutture
biologiche esibisce alla scala macroscopica consegna anche
allimmaginariocollettivounideadiformaorganicaassociata
Cfr. C_F, Postilla orale a E. Lvinas, Di Dio che viene allidea,ex_temporanea,2010ca.
9
allassenza di ordine e di simmetrie, esaltata dalla
contrapposizioneconilrigoregeometricostabilitoperleforme
inorganichedaimodellidistrutturaatomicadellamateriaedalla
cristallografia.
Lapparentemente non (de)codificabile complessit geometrica e
funzionaledeisistemibiologicidivienecosilparadigmasucui
si costruisce e legittima la necessit di una confortante e
consolatoriaseparazionetrarazionaleemetafisicochestrappala
trama che intreccia indissolubilmente ricerca scientifica e
riflessionefilosoficaesottraealterrenocomune,esiliandolo,
iltemadelladefinizionedicosasiaviventeediqualisianoi
modi per riconoscere la vita a partire dalle sue forme e
dinamichepielementari.
La possibilit offerta dalle ultime generazioni di microscopi a
scansione e trasmissione elettronica consente di spiare la
struttura intima di cellule e tessuti biologici e di osservare
bioarchitetturechemoltiplicano,estendendolioltrelecategorie
classiche, i canoni convenzionali di ordine e simmetria,
declinandoli in forme micro e nanostrutturate organizzate
gerarchicamente.Taleritrovatorigoregeometricohapermessodi
concepire modelli fisicomatematici in grado non soltanto di
simulare e dunque potenzialmente modificare una struttura
biologica data, ma di predire con quegli stessi modelli il
destinodiorganismiesistemiviventielementari.
IlmondodellaRicercatuttoperciobbligatoaunarinnovata
(bien sr), pi autentica (forse), necessaria (?),
interdisciplinare(wasistdas?)riflessionecomune?
Insomma,cheluomoeilpensierocoincidanooancoracheluomo
abbia lesclusiva di qualcosa e possa schierare la migliore e
imbattibileformazionenelgiocodelmondounto dalSignore o
dallEssere il solito vecchio pregiudizio umanistico. Come
tutti i viventi, Darwin lo ha urlato, noi siamo fabbricati dal
tempoedallospazio(edalcaso).ENietzsche,nonperbrutalit
10
mapertensionegenealogica,avevaconsideratoluomoallastessa
stregua di quelli che oggi sono i prodotti della robotica
evolutiva: i robot (e gli uomini) si allevano ed evolvono, le
condizionicheproduconolintelligenzasonomateriali,sitratta
di esigenze di adattamento e non di contrassegni celesti (e la
moraleunantropotecnicadalmidollosociale).
Lapresuntaprofonditumanadicontroallasuperficialito
povert o stordimento degli altri viventi o delle pietre
forseuninvenzionereligiosa(direligiositfilosoficachemira
allaredenzionedalmondo):sePortmanncihainsegnatocheogni
animale un NarcisoDon Giovanni in continua esibizione e
seduzione,Valrycihaanchericordatochecichevidipi
profondo,nelluomo,lapelle.
Seguardiamoaglisviluppidellabiologiasintetica,poi,nonsi
trattanemmenopidipensaredicreare(oricreare)lavita:si
tratta piuttosto di progettare sistemi biologici atti a
funzionare. La vita, in definitiva, non pu essere considerata
comequalcosadaltrodallamateria,emenochemaisostanza,o
unasortadisostanza:avolerlaperforzadefinire,siavvicina
dipiaunadeterminazione,nelsensodiuninsiemecoordinato
dallesuefunzioni.
Allafine,ledicotomieciingannano.Eforsesiamo,entusiastio
disillusi,tratondiecorsivi(eilnostroabusatounderscore):
Cosa_Sache
Materia_Wesen
Bios_Techne(duecorsivifannountondo)
Physis_Protesi
Enhancement_resextensa(duecorsivifannountondo?)
Cura_Gelassenheit
Lichtung_antropotecniche
SelfSimilarity_Thaumazein(duecorsivifannoancorauntondo?)
Geschick_biopsia
Identit_differenza(duetondifarannomaiuncorsivo?)
11
Biomeccaniche_logocarrozzerie(giammaitondiecorsivifuronopi
disponibili)
Microscopi_teleologie(equiilgiocotratondoecorsivosifa
duro)
Nanometro_trascendenza (due tondi fanno mezzo corsivo o uno e
mezzo?)
Iperboli_Mythos
Creazione_autopoiesi
Creativit_patterns
Dio_Ikea
Riflessione_pitstop
Aesthesis_chirurgia
Mthema_magia
Altheia_dissimulazione
Kybernetes_Spirito
Redenzione_checkup
Equazione_ibridazione
VerumFactum_alchimia.
Underscores, tondi e corsivi come confini aperti: grafemi e
graficicherinvianoainaspettatebellezze,nonpinascosteoda
svelare tra il dire, losservare e il sublimare, piuttosto
intercorrenti.
Labellezzasentoilbrusopufarsiintercorrenza.
Io, apparato percettivo, tuttal pi dotato di intuizioni
strutturaliediistintiprospettici.
Voglio fotografare controluce sulla luna e adombrarmi per ombre
impossibili.
12
Ogni rivoluzionescientificaunafratturaestetica.JamesMcAllisterLeequazionisonobellissime.
ImatematiciLa vera bellezzaunadeliberata,parziale,rotturadisimmetria.
ProverbiozenVersa, cecropioboccale,di Bacco illimpidoumore,la simbolicalibagioneirroratasia.TacciaZenone,ilcignosapiente;tacciadiCleantelaMusa:ladolceamarezzadi Eros solo acuoremista.
Posidippo
P.A.
S&F_n.11_2014
13
MASSIMILIANOFRALDI
THEMECHANICALBEAUTYOFHIERARCHICALLYORGANIZEDLIVINGSTRUCTURES
1.Introduction2.Fromdesigningofantiseismicmacrostructurestothetuningofmicroearthquakestoselective
destroytumorcells:oncologymeetsengineering3.Fuzzyboundariesbetweenlivingandnonlivingworldsdelineatedbythephasetransition
paradigmincells:aphilosophicchallenge?4.Competitionandcooperationinbiomechanics:engineeringmeetsbehavioralsciences
5.ConclusionsABSTRACT:Bytravelingthroughtheinnerstructureofbiologicaltissues,forinstancebymeansofascanningoratransmissionelectronmicroscope,unexpectedlyexactgeometriesandsymmetriesintheform ofperfectlattices,honeycombnetworks,helicalmacromoleculesand polyhedralshapesresulting fromminimalsurfaces canbe observed.Furthermore,by exploringcells andtissues atmeso, microand nanoscalelevels, onediscovers thatselfsimilarity andhierarchyreplicate thatgeometricalorder andsurprisinglycharacterizeall thebiologicalarchitectures,inthiswaydefactogoverning thekeybiomechanicalfunctions andbiochemicalsignalingatthebasisofthelife.
DOSSIERMassimilianoFraldi,Themechanicalbeauty
14
Wemust,incidentally,makeitclearfromthebeginningthatifathingisnotascience,itisnotnecessarilybad.Forexample,loveisnotascience.So,ifsomethingissaidnotto beascience,itdoesnotmeanthatthereissomethingwrongwithit;itjustmeansthatitisnotascience.
RichardP.Feynman,LecturesonPhysics
Theobjectiveofscienceafterallisnottoaddlayersofinterpretational complexity with each discovery, but tocollapse layers of apparent complexity into a few simplegoverningprinciples;parsimonyshouldprevail.
GeraldH.Pollack,Cells,GelsandtheEnginesofLife
1.Introduction
By traveling through the inner structure of biological tissues,
for instance by means of a scanning or a transmission electron
microscope, unexpectedly exact geometries and symmetries in the
form of perfect lattices, honeycomb networks, helical
macromolecules and polyhedral shapes resulting from minimal
surfaces can be observed. Furthermore, by exploring cells and
tissuesatmeso,microandnanoscalelevels,onediscoversthat
selfsimilarityandhierarchyreplicatethatgeometricalorderand
surprisingly characterize all the biological architectures, in
this way de facto governing the key biomechanical functions and
biochemical signaling at the basis of the life. The apparent
extreme shape minimalism that nature exhibits when analyzed at
submacroscopiclevelisthereforedeceptiveandthrillingatthe
same time: the geometrical neatness is indeed often
counterbalancedbyextremelycomplexfunctionalrelationshipsand
multiphysicalinteractionsoccurringoverdifferentspatialand
timescaleswhichforcewhotriestointerpretthedynamicsof
biological systems through mathematical models to somewhat
reconsidermattersthathe/shepreviouslydeemedfoundationsand
then to respond to new fundamental questions raised by
counterintuitive events and seeming paradoxes, trouncing the
cultural barriers that traditionally separate the disciplines
andoftenobscurethebeauty.
Inwhatfollows,Icollectsomeconsiderationsthemostpartof
which are explicitly referred to recent results and current
S&F_n.11_2014
15
studiesImworkingonwhosecommondenominatorresidesinthe
factthattherelatedthemes(andrelatedopenissues),somehow,
donotinhabitonethereassuringhousesbuiltupwiththickwalls
bytheseveraldisciplinaryareas,butmostlikelycanbe found
wanderinginthegardensofthosehousesorskippingfences.
2.Fromdesigningofantiseismicmacrostructurestothetuning
of microearthquakes to selective destroy tumor cells: oncology
meetsengineering1
An Earthquake is an event sometimes catastrophic and often
unforeseeableduetoasuddenreleaseofenergyintheEarths
crust that produces seismic waves: at the Earths surface it
manifests itself by shaking, fracture and displacement of the
ground, and sometimes can accompany (or may trigger) landslides
andvolcanicactivities.Atthemacroscopicscalethescaleat
whichweareallfamiliarwithearthquakesthetaskforcivil
engineersistodesignantiseismicstructuresandsystemsableto
dissipate energy for protecting existing buildings and make
constructionsresistanttoseismicattacks.
At the microscopic scale, say the scale of human cells, the
cytoskeleton(CSK)acomplexnetworkofhierarchicallyorganized
polymers involving actin filaments, microtubules and a group of
accessorypolymerscollectivelyknownasintermediatefilaments
constitutes the bearing structure of the cell. Contractile
microfilamentsinfactgenerateanddistributetensiontoallcell
CSK filament systems, locally resisting compression when either
crosslinkedwithinlargebundlesorcontractedtotheirshortest
length. Microtubules also resist compression in cells, possibly
because they are stabilized against buckling by lateral
interconnections with prestressed stiffened intermediate
filaments.TheCSKnetworkconferstothecelltheskilltoresist
1See:S.P.Careyetal.,Mechanobiologyoftumorinvasion:Engineeringmeetsoncology,inCrit.Rev.Oncol.Hematol.,83,2,2012,pp.170183.
DOSSIERMassimilianoFraldi,Themechanicalbeauty
16
deformation and its architecture, determined from selfassembly
disassembling mechanisms dynamically regulated by the
polymerization and depolymerization processes of actin filaments
and microtubules continuously changing to find new optimal
equilibrium configurations, controls the physical properties of
thewholecell,mediatingthelinkageofthecellwiththeoutside
environment and modulating the process of recognition and
conversion in chemical activities of mechanical stimuli
(mechanotransduction).Inthisway,thecellCSKstructuregoverns
short and long timescale changes in cellular behavior,
reorganizingthenetworkinresponsetoexternallyappliedforces,
arranging and maintaining the integrity of intracellular
compartments and in turn generating directed forces that guide
cellshapechangesnecessarytocarryoutspecificfunctions,such
ascrawling,spreading,division,contraction,migration,adhesion
andinvasion.
Fromthetheoreticalpointofview,thetensegrityparadigman
original idea by Donald Ingber that interprets CSK as an
engineering pretensioned microstructure has demonstrated to
provideaplausibleexplanationforsomeCSKstiffeningresponses,
also allowing to understand how a local stress, induced by
ligation of a subset of CSKassociated membrane receptors, can
resultinglobalmodulation(immobilization)ofreceptorsoverthe
entire cell surface through the balancing of forces in cell
structuralelementscharacterizedbyalevelofisometrictension,
or prestress, that guarantees the overall cellshape stability
andlongdistanceforcetransfer.
If as in deep documented by S. C Cowin in his fundamental
textbookTissueMechanics2thecellCSKisastructureandforce
transmitting mechanisms play a crucial role in the biochemical
regulationofcellactivities,whataboutcellresponsetodynamic
excitations? Is it possible to exploit structural engineering
2S.C.Cowin,S.B.Doty,TissueMechanics,Springer,2007.
S&F_n.11_2014
17
weaponstodesignnewmechanicallybasedstrategiesandapproaches
for stimulating/manipulating cells? It has been experimentally
established, for example, that mechanical stress inhibits tumor
growth,butoverwhelmingobstaclestothetherapeutictranslation
inmedicineoftheselaboratoryresultsarisewhenmovingfromin
vitro to invivo, because the same inhibition stress level
generallykills(oraffects)thenormaltissuestoo,andselective
loadsaredifficulttoapply!
Very recently, however, experiments have demonstrated that CSK
mechanical properties of cells could be potentially relevant to
discriminate among cancer and healthy cells, highlighting the
possibilityofmeasuringindependentlyfromthecelllinesa
significantdifferenceinelasticstiffnessbetweenmetastaticand
normalcells,theformerbeingabout70%softerthanthelatter.
Inprincipleasinthecaseinwhichtheseismicwavesinvesta
town and selectively make collapsing the sole buildings whose
oscillation frequencies match the earthquake ones (a phenomenon
knownasmechanicalresonance)differencesinhealthyandtumor
cellstiffnesscouldbeexploitedtodesignmicroearthquakes,for
example tuning ultrasounds in frequency and magnitude to
selectively destroy cancer cells. Literature already have shown
thatstemcellscanbeinducedtorenewthemselvesthroughmitotic
division and differentiating into a specialized cell type, if
stimulated in an opportune way. A signal of the potential for
tumortherapyandothermedicalapplicationsofamechanicalbased
stimulation can be also traced in very recent works, where the
effects of ultrasounds treatment on adult resident cardiac
primitive cells have been examined demonstrating the positive
influence on both the proliferation and the differentiation of
cardiomyocytes,smoothmuscleandendothelialcellsprecursors.
Thisisagroundonwhichallthesciencesarecalledtopavethe
wayandbreakdownthebarriers.
DOSSIERMassimilianoFraldi,Themechanicalbeauty
18
3. Fuzzy boundaries between living and nonliving worlds
delineated by the phasetransition paradigm in cells: a
philosophicchallenge?
Anadditionalinterestingperspectivehasbeenrecentlyfurnished
by Gerald H. Pollack, professor of bioengineering at the
University of Washington in Seattle and leader in the field of
musclecontractionandmotility,byexploringthepossibilitythat
thegellikenatureofthecellcytoplasmgelbeingamatrixof
polymerstowhichwaterandionsclingandtherelatedphase
transition phenomena could explain the most part of the cell
functions,saymaterialtransport,motility,division,secretion,
communication,contractionandothercellactivities,inthisway
suggesting an intriguing interpretation of the confines between
living and nonliving structures which would ask for a
philosophicalthought.Actually,byexploitingthePollackwords,
therelevanceofphasetransitionforthecellisnotdifficultto
envision,contraction arising out of shrinkage, motility arising out of shapechange,transportarisingoutofsoluteseparation,actionpotentialsarisingoutofpermeabilitychange,etc.
Of the phasetransition interpretational paradigm, the most
attractivefeatureisconstitutedbytheprodigiousresponsethatcanbeelicitedbysubtleenvironmentalshiftsuchaslightchangeoftemperatureorpH,
suchamplificationbeingenhancedfurtherinbiologicalstructures
asaconsequenceofthehighandsometimesunexpecteddegree
of order and symmetry commonly exhibited by them. Whereas
synthetic gels are in fact typically built of tangled polymers
withrelativelymodestorder,cellular organelles such as the ciliary axoneme and muscle sarcomereexhibit extraordinary supramolecular order, with Xray diffractionpatternsshowingregularitydowntoabout1nanometer.Withstructuralregularity, the triggering threshold should be the same everywhere,andtheresponseshouldthereforebedecisiveandrapid.
Byfollowingthislineofexperimentallycomfortedreasoning,
symmetryandordersurprisinglyseemtorisetothefundamentals
S&F_n.11_2014
19
of the life machine, somehow in contrast with the intuitive
collective imagination, which associates organic and living to
geometricallymuddled.Actually,thephasetransitionmodelcanbe
utilizedtoalsoexplaindynamicsofcellsthroughthesocalled
transition cooperativity concept, which moves from the above
described high sensitivity of ordered microstructures to slight
changes or gradients of signals and stimuli. Cooperativity
generallyarisesoutofcompetitionbetweentwoormoreforces,in
thecaseofpolymerstrandsthecompetingforcesarisingfromthe
polymers attraction to water and to polymer. Cooperative
propagationmimics(oris?)alivingbehaviorandinpolymersmay
beobservedorrealizedbyexploitingthemechanismbasedon
theAssociationInductionhypothesis:in a carbon chain such as that of a protein or polymer, localstructural change produces an electroncloud shift, which induces asimilar cloud shift and structural change in the next region [...]thus,thetransitionpropagatesalongthepolymer[...]analogouslytowhathappenswhenamagnetisbroughtnearanarrayofnailslooselystrung to one another with bits of string [...]. The first nail ismagnetized,whichmagnetizesthesecond,etc.,untilmanyorallnailsarerecruitedintothenewconfiguration.Insuchawaythestructuralchangepropagates.
These cooperative mechanisms and the underlying phasetransition
hypothesis thus forces us to rethink the definition of life,
cellularprocessesandcellsthemselvesoperatingandliving
byobeyingthesamephysicalandchemicalprinciplesthatgovern
ordinarynonbiologicalsystems.
AsdefiantlypostulatedbyPollack,[...]presupposingsimilarprinciplesoperatingoneithersideoftheboundaryprovidesanappropriatelyseamlesstransitionbetweenlivingandnonliving[...]thenotionofcontinuityacrossthelivingnonliving boundary seems logical because the boundary is fuzzy. Is theseedliving?Whataboutthevirus?
butonemightaddthequestion:whataboutlife,anddeath!?
4.Competitionandcooperationinbiomechanics:engineeringmeets
behavioralsciences
Modeling living tissues implies a significant effort to gain
insightsintothebasicunderstandingofthedynamicswhichcells,
DOSSIERMassimilianoFraldi,Themechanicalbeauty
20
tissuesandorgansobey.Thisinturnforcestothinkhowtocatch
the essential mechanisms governing growth, remodeling and
morphogenesisatthedifferentscalelevels,openmindednessbeing
thefundamentalweaponandthepreconditionforthisexploration.
Asaresultofgrowinginterestofthebiomedicalresearchwith
respectthenewscenariosrecentlyopenedinthefieldoftherapy
anddiagnosisofhumandiseasesbythedesigningofdrugdelivery
systemsaswellasbytheapplicationsoftissueengineeringand
biomaterials, the mechanical properties and the underlying
hierarchical organization of living tissues represent to date
issuesofprimaryinterestinbiomechanics,cancerrelatedtopics
beingobviouslyatthecenteroftheinterest.
Cancercanbeviewedasadiseaseinvolvingirreversiblegenomic
alterations affecting intrinsic cellular cycles. These genomic
alterations act in combination with the modification of the
environmental conditions defined by immune response, matrix
metabolismandstiffness,mechanicalandbiochemicalgradients.
Withtheaimofpredictingcancerfate,thegrowthofsolidtumors
can be treated physically as a mechanical process according to
whichaheterogeneoustissueexpandswithinasurroundingmedium.
Tumorexpansioniscontrolledbysomeinternaldrivingstresses,
whicharecounterbalancedbymechanicalresistanceprovidedbythe
surroundingenvironment.Internalstressesaremostlygeneratedby
cellsproliferationdynamics,whichisinfluencedbythediffusion
of nutrients within the tumor. This implies that the physical
forces pushing the tumor ahead do not involve the sole surface
tensionandthepressureofthesurroundingmedium,butalsothe
explicit active cellular forces deputy in the momentum balance
that,inturn,retrospectivelyactivatemechanosensitivecellular
processes.
With the aim to gain some new insights into the basic
understandingofthecomplexmachineofthehosttumorinteraction
ingrowingsolidtumors,heterogeneousporoelasticmodelsoftumor
S&F_n.11_2014
21
spheroids can be helpfully constructed taking into account the
mechanicallyactivatedstressfields,fluidpressureandnutrient
walkwayallcoupledwithspatiallyinhomogeneousandtimevarying
bulkgrowth.
Actually, the growth is a result of competitivecooperative
dynamics occurring at the microscopic scale level among healthy
cells, cancer cells and extracellular matrix (ECM) and in
principle should not be assumed apriori. Nevertheless, these
dynamics are generally neglected in engineering models, as a
consequence of both the difficulty of mathematically describing
them with sufficient accuracy and the problems arising from the
couplingofcompetitionequationswiththemechanicalones.
To try to overcome these limits limits which significantly
reduce the aptitude of the mathematical models to predict the
destiny of tumor masses the idea we are working on at the
University of Napoli is to macroscopically model the dynamics
occurringatmicroscopicscalesbyintroducingadhocnonlinear
Lotka/Volterralike equations, extensively utilized to describe
ecological systems as well as several population dynamics which
involve psychological and collective behaviors of social
communities.
The basic idea is that cancer and healthy cell species do not
competedirectly,asitwouldhappeninasocalledpurepredator
prey logic, but fight to contend the common resources occupying
thesharedenvironment.Thecommonresourcesarethusconstituted
by the available fluid content supposed to be saturated of
nutrients,theenvironmentbeingsimplyrepresentedbythespace
that cells can inhabit at a certain time during growth and
proliferation processes. The introduction of this transitive
effect,thatpermeatesthroughthesystemandenrichespreviously
proposed poroelastic models, seems to well mimics the actual
competition among cell species, by also reproducing the
experimentallyobservedcoupleddynamicsinwhichthepresenceof
DOSSIERMassimilianoFraldi,Themechanicalbeauty
22
onespeciestendstosomehowlimitthedevelopmentoftheother.
Thismutualinhibitioninturnmodifiestheintrinsicgrowthrates
of the cell populations and leads to spatially inhomogeneous
elasticandresidualstressesaswellasnonuniforminterstitial
fluidpressuredistributionswithinthetumorspheroid.
Althoughsomefeaturesdependingonthedirectcompetitionbetween
cancerandhealthycells(suchastheantioncogenicpotentialsof
some immune cells or the aggressiveness of premalignant cells
whichbecomemalignantasaresultofmutationprocesses)remains
todatestillpartiallyexcluded,thechoiceofcouplingmechanics
with collective (social) behavioral schemes for cells seems to
limpidlyelucidatesomekeyaspectsatthebasisofthedynamics
of tumors, suggesting that as stated by Pollack parsimony
prevailswhenlayers of apparent complexity collapse into a few simply governingprinciples3.
5.Conclusions
InLecturesonPhysicsanundisputedmilestoneinthefield
RichardFeynman,oneofthegreatestphysicistsofalltimeknown
tohavereceivedtheNobelPrizein1965forhiscontributionsto
the theory of quantum electrodynamics, devoted a chapter of the
book to the relation of physics to other disciplines. In those
pagesheoriginallyandsomehowlightlyfacedseveralthemes
and opened up on multidisciplinary horizons, by envisaging
possiblechallengesinexploringmemorizingmechanismsandnervous
system brain cells and functions from both chemophysical and
psychologystandpoints,byadditionallydiscussingattheendthe
historicalquestion(socalled,hesaid,forlackofabetter
term), a paradigm for highlighting an intrinsic difference
betweenbiology(andperhapsotherhumansciences)interestedin
3G.H.Pollack,Cells,GelsandEnginesofLife,EbnerandSonsPublishers,Seattle2001.
S&F_n.11_2014
23
the theory of evolution and physics, that does not have
questionsaboutitslawslikehowdidtheygetthatway?.
Attheend,heconcludedwithaphrasedestinedtobefamous:Apoetoncesaid,Thewholeuniverseisinaglassofwine.Wewillprobablyneverknowinwhatsensehemeantit[...].Butitistruethatifwelookataglassofwinecloselyenoughweseetheentireuniverse.Therearethethingsofphysics:thetwistingliquidwhichevaporates depending on the wind and weather, the reflection in theglass;andourimaginationaddsatoms.Theglassisadistillationofthe earths rocks, and in its composition we see the secrets of theuniverses age, and the evolution of stars. What strange array ofchemicals are in the wine? How did they come to be? There are theferments,theenzymes,thesubstrates,andtheproducts.Thereinwineisfoundthegreatgeneralization;alllifeisfermentation.[...]Ifoursmallminds,forsomeconvenience,dividethisglassofwine,thisuniverse, into parts physics, biology, geology, astronomy,psychology,andsoonrememberthatnaturedoesnotknowit!Soletusputitallbacktogether,notforgettingultimatelywhatitisfor.Letitgiveusonemorefinalpleasure;drinkitandforgetitall!4.
However, Feynman (and Pierre Louis Maupertuis) should have been
presenttoassisttoarecentwonderfullectureattheUniversity
ofNapoliFedericoIIbySirAnthonyJamesLeggett,professorof
physics at the University of Illinois at UrbanaChampaign (he
began studying Literae Humaniores at Oxford) and Nobel Prize in
Physicsin2003forhispioneeringworkonsuperfluidity.
InthatoccasionprofessorLeggettexplainedwhathewasdealing
with,thenillustratinghowhehadpersuaded,onthebasisofboth
experimental facts and theoretical (QuantumMechanics based)
arguments,thatthearrowoftimecouldlocallyandtemporarily
reverse!
By putting aside, elegantly, any usual consideration on time
machines(andavoidingtorecallthefilmBacktothefuture)he
skippedmathematicalandphysicaldetailsandinsteadraisedanew
question, that is the necessity to admit that the induction
principle(i.e.pastcausesfuture,notviceversa)hadtobe
violated.
Theimplicationsforfreewill,determinismandanythingtoday
seemstobeobviousornaturalareenormous,but,perhaps,the
4R.P.Feynman,LecturesonPhysics,3voll.,AddisonWesleyLongman,Boston,1970.
DOSSIERMassimilianoFraldi,Themechanicalbeauty
24
messagecontainedinthatslidewassemanticallyevenstronger:it
isthemosteffectivewarningtobringtogetherallformsofhuman
thoughtsgiventhat,asstatedbyWittgenstein,Thelimitsofmy
languagemeansthelimitsofmyworld.MASSIMILIANO FRALDI Dipartimento di Strutture per l'Ingegneria e l'Architettura(DIST)eCentrodiRicercaInterdipartimentalesuiBiomateriali(CRIB)ScuolaPolitecnicaUniversitdegliStudidiNapoliFedericoII
S&F_n.11_2014
25
CRISTIANFUSCHETTO
MECCANICAVITA.DACALVINOALLAROBOTICAEVOLUTIVA
1.LevieCalvinorispondonoalleprovocazionidiRoss
2.Menteemateria:unaconversionepossibile?3.Roboticaumanista
ABSTRACT:Oftenthescientificinnovationsarebetterexplainedbyliteraturethanscientificessay.Inthestoriesofwriterstheyacquireanidentityotherwisesoforcedtoremaincontradictory.ThiswasthecaseofItaloCalvinoandPrimoLeviaboutthinkingmachinesarrivedonstageoftheHistoryofthelate20thcentury.Inanotherperspective,thiswasalsothecaseofanotherunusualobserverofCybernetics:CharlesDarwin.1.LevieCalvinorispondonoalleprovocazionidiRoss
Machines that think, nel 1933 un titolo del genere aveva
senzaltro un che di provocatorio e in fondo lo scopo di
ScientificAmericannelpubblicarelarticolodiThomasRossera
proprio questo: provocare. Larticolo era preceduto da una nota
del direttore della rivista, il quale presentava il congegno
DOSSIERCristianFuschetto,Meccanicavita
26
puramentemeccanicoinessodescrittocomeunamacchinaingrado
dimanifestareuncomportamentoche,qualorasifosseosservatoin
un organismo vivente, si sarebbe detto conseguenza di qualche
forma di apprendimento: una macchina pensante, dunque. Egli
sottolineavacomeunamacchinadelgenereriaprisseladisputatra
i meccanicisti, i quali ritenevano che la vita e il pensiero
fossero fenomeni che prima o poi si sarebbero spiegati con i
principi della fisica e della chimica, e i vitalisti, i quali,
allopposto, ritenevano che vita e pensiero potessero essere
compresisolorifacendosiaprincipiqualitativamentediversida
quellidellafisicaedellachimica.Egli,infine,nonmancavadi
far trapelare qualche perplessit, avvertendo che i lettori che
non avessero interesse per le questioni filosofiche come la
natura del pensiero potevano evitare di schierarsi in questa
disputa sulla base della macchina di Ross, limitandosi a
considerare questultima come un piacevole motivo di
divertimento.Comesipotevapensare,delresto,cheunamacchina
potessesuggerirequalcosasullanaturadelpensiero?Chi,dila
poco,prendesulserioleprovocazionidiRosssonoduechenon
taspetti:ItaloCalvinoePrimoLevi.
Dabuonmaterialista,infondounchimico,Levinonescludeche
lascienzapossaarrivareacostruiredegliuominiartificiali,o
comunque qualcosa di assimilabile a unintelligenza artificiale,
solochelesueriservesonotalietantechequesteprospettive
finiscono col diventare, suo malgrado, dei meri esercizi
intellettuali. Ne Il servo, per esempio, Levi trasloca
limmaginario fantascientifico dal futuro al passato e lo fa
evocando una delle figure pi emblematiche della modernit: il
Golem. Fantoccio dargilla magicamente animato dai poteri di un
leggendariorabbinovissutonelXVIsecolo,ilGolemrappresenta
perLevilafigurapiadattaainterpretarelemodernetecnologie
robotiche.NelcorpoenellanimaquestAdamofabbricatodalluomo
ricalcaladistinzioneche400annipitardisisarebbefattatra
S&F_n.11_2014
27
hardware(largilladicuiintessutoilsuocorpo)esoftware
(glialgoritmichepresiedonoalsuocomportamento).Maquelche
pi conta che per Levi il Golem il perfetto precursore del
robotperch,propriocomequestultimo,essononpuchenascere
emorireallastreguadiunservo,ciononpuesserealtrodaun
dispositivo automatico che risponde esattamente, senza alcuna
possibilit di errore, alle istruzioni impartitegli dal suo
creatoreo,sesipreferisce,dalsuoprogrammatore.
Unipotetica corsa, poi puntualmente verificatasi,
allumanizzazionedeirobotsarebbequindistataperLeviqualcosa
di incomprensibile, visto e considerato che un robot tale
proprioperchrettodalcalcolodichilohaprogrammatoedunque
taleproprioperch,adifferenzadelluomo, coincideconun
meccanismo servile. La differenza fra i golem sta nella
precisione e nella completezza delle prescrizioni che
sovrainteseroallorocostruirsi.[]Ora,ilrabbinoArinonera
un bestemmiatore, e non si era proposto di creare un secondo
Adamo.Nonintendevacostruireunuomo,bensunpoel,ovogliamo
dire un lavoratore, un servo fedele e forte e di non troppo
discernimento:ciinsommachenellasualinguaboemasichiamaun
robot1.Ecco,ilgolemperLevilesempioperfettodelrobot,
unesecutorediistruzioni,qualcosadiunpopiediunpo
meglio dei fantocci campanari, e di quelli che vanno in
processionequandosuonanoleore,sullafacciatadelMunicipiodi
Praga2.Imitareluomoelasuaviventeintelligenzasullabase
deisoliregimidicalcolodunqueperLeviunimpresadestinata
afallire.Comescriveraltrove:Perchlaruotagiri,perchla
vita viva, ci vogliono le impurezze, e le impurezze delle
impurezze: anche nel terreno, come noto, se ha da essere
fertile.
Mapropriocos?Davverononcalcunapossibilitchedalla
1P.Levi,Ilservo,inViziodiForma,Einaudi,Torino1971,p.98.2Ibid.
DOSSIERCristianFuschetto,Meccanicavita
28
freddezzadeicircuitielettricipossaungiornonascerequalcosa
disimilealpensieroo,addirittura,agliaffettidegliumani?
davvero cos impensabile che dalle rigide combinatorie di una
macchina possa sgorgare la multiforme attivit di una mente?
Calvino,adifferenzadiLevi,apparepossibilista.
In Cibernetica e fantasmi3, egli dimostra di centrare alla
perfezione quello che col senno di poi si pu facilmente
individuare come la cifra dellepoca, e cio la rivoluzione di
linguaggi e di prospettive che le nascenti teorie
dellinformazioneavrebberodilapocoimpostoatuttiicampi
del sapere. Calvino esprime il nuovo orizzonte culturale
attraverso la rimodulazione della dicotomia apparentemente cos
pocoletterariacheopponeilcontinuoaldiscreto:Nelmodo
in cui la cultura doggi vede il mondo, c una tendenza che
affioracontemporaneamentedavarieparti:ilmondoneisuoivari
aspettivienevistosemprepicomediscretoenoncomecontinuo.
Impiego il termine discreto nel senso che ha in matematica:
quantitdiscreta,ciochesicomponedipartiseparate4.
Ma qual il mondo a cui lo scrittore si riferisce? Parla
delluniverso,dellanatura,dellecosechetocchiamoepossiamo
sperimentare, o fa cenno anche a quel pezzo di realt
dallontologia un po pi evanescente che solitamente
rappresentiamo sotto le insegne della spiritualit,
dellimmaterialeodelmentale?Ilmondochesicomponediparti
separate abbraccia forse anche il pensiero? Se cos fosse le
posizioni guardinghe di Levi sullumanizzazione dei robot
sarebbero superate (ma certo non questione di imbastire
competizionitrachistarebbepiavantidichi)daquelledi
Calvino; infatti se anche il pensiero una realt discreta,
composta di parti separate e ben definite, non poi cos
improbabilelaproduzionedicervellielettroniciodimacchine
3I.Calvino,Ciberneticaefantasmi.Appuntisullanarrativacomeprocessocombinatorio,inSaggi,MeridianiMondadori,Milano1995.4Ibid.,p.203.
S&F_n.11_2014
29
pensanti. I cervelli elettronici, se sono ancora lungi dal
produrretuttelefunzionidiuncervelloumano,sonopergiin
grado di fornirci un modello teorico convincente per i processi
pi complessi della nostra memoria, delle nostre associazioni
mentali, della nostra immaginazione, della nostra coscienza5.
Memoria, immaginazione, coscienza, nulla che sia propriamente
umanosembrapoterrestarefuoridallapotenzaingegneristicadei
cibernetici:Shannon,Weiner,vonNeumann,Turing,hannocambiato
radicalmentelimmaginedeinostriprocessimentali.Alpostodi
quellanuvolacangiantecheportavamonellatestafinoaierie
del cui addensarsi o disperdersi cercavamo di renderci conto
descrivendo impalpabili stati psicologici, umbratili paesaggi
dellanima,alpostodituttoquestooggisentiamoilvelocissimo
passaggio di segnali sugli intricati circuiti che collegano i
rel, i diodi, i transistor di cui la nostra calotta cranica
stipata6.SullasciadiAlanTuring,macchineepensieroappaiono
aCalvinocomegrandezzecommensurabili,equestosignificachela
millenaria rappresentazione gassosa dellanima non pi cos
evidente ma necessita di essere rivista, dagli scienziati, dai
letterati,daifilosofiedatuttiquellichemoltosemplicemente
avvertono lo scrupolo di capire il proprio tempo coi mezzi del
proprio tempo. Il pensiero, che fino a ieri ci appariva come
qualcosadifluido,evocavainnoiimmaginilinearicomeunfiume
chescorreounfilochesisdipana,oppureimmaginigassose,come
unaspeciedinuvola,tantverochevenivaspessochiamatolo
spirito, oggi tendiamo a vederlo come una serie di stati
discontinui, di combinazioni di impulsi su un numero finito (un
numeroenormemafinito)diorganisensoriedicontrollo7.Come
nel gioco degli scacchi, una gamma pressoch infinita di
possibilit pu aver origine da un numero finito di elementi:
lincorporeoeilcorporeosembranocosvicinidapotersiquasi
5Ibid.,p.220.6Ibid.,p.205.7Ibid.
DOSSIERCristianFuschetto,Meccanicavita
30
stringerelemani.
Del resto esattamente questo lo scopo dichiarato
dellIntelligenzaArtificiale,cheginellaprimaveradel1956,
perboccadiJohnMcCarthy,tracciavacosleproprieambizioni:
Si cercher di costruire macchine in grado di usare il
linguaggio, di formare astrazioni e concetti, di migliorare se
stesse e risolvere problemi che sono ancora di esclusiva
pertinenzadegliesseriumani.Selospiritounaseriedistati
discontinui,valeadirediscreti,perchcontinuareacredere
(o a voler credere) che i robot debbano per forza obbedire al
meccanismoservilediundispositivoautomatico?Perchcontinuare
a tutelare lesclusivit di alcuni domini di pertinenza degli
esseriumani?
2.Menteemateria:unaconversionepossibile?
Seppurinunacondivisacornicematerialistica,lesensibilitdi
Levi e di Calvino paradossalmente divergono. Come osserva
Pierpaolo Antonello: Paradossalmente, nella loro comune
comprensione discreta della realt, Calvino e Levi adottano una
convergenza opposta, dove lo scrittore Calvino sposa una pi
radicale antiumanistica escatologia materialistica, mentre il
chimico Levi sempre pronto a riaffermare la centralit
irriducibile dellintelligenza umana, la pregnanza a un tempo
cognitiva e evolutiva delle passioni umane8. Un paradosso il
sintomo di una verit pi complessa di quella che ci si
aspetterebbediafferrareelaparadossaleconvergenzaopposta
traLevieCalvinosembraproprioconfermarlo.Lesensibilitdei
due scrittori agiscono come la punta di un sismografo pronto a
segnalare lo sgretolarsi di un orizzonte culturale che ha
alimentatopersecolilaculturaoccidentaleechenonesagerato
considerare come lapriori che da Platone in poi ha fatto da
8P.Antonello,Letteraturaescienza,inStoriadItalia.AnnalediScienza,acuradiF.CassataeC.Pogliano,Einaudi,Torino2011,pp.923948.
S&F_n.11_2014
31
guidaalleinterpretazionicheluomohadatodise stesso,del
mondoedituttocichedivoltainvoltavenutoatrovarsiin
quella zona grigia che non n lAltro n il S, di quella
porzione di indefinito in cui non difficile oggi riconoscere
quei robot cos pericolosamente umani da infrangere
sistematicamentelospecchiodifrontealqualepoterdireanoi
stessiEcco,questosonoio.DaPlatoneinpoi,infatti,luomo
nonhamaismessodiconsiderarelospirito,lanima,lamente,la
cultura, come lo stigma della propria umanit. Lapriori
fermamente condiviso da tutta questa tradizione quindi
lequivalenza tra pensiero e uomo e, di conseguenza, il
disconoscimentodiqualsiasiconvergenzatracichehapensieroe
ci che non umano oppure tra ci che non umano e quel che
solitamentericonduciamoallecreazionidiunamente.
Tanto per citare due esempi piuttosto significativi basta
considerare il manifesto umanista di Pico della Mirandola e
lontologiadualisticadiCartesio.NelsuocelebreDiscorsosulla
dignitdelluomo,Picoscrive:OAdamo,noinontiabbiamodato
una sede determinata []. La natura degli altri viventi gi
definitacostrettaentroleggidanoiprescritte[...].Nonti
abbiamo fatto n celeste n terreno, n mortale n immortale,
affinch tu possa tranquillamente darti la forma che vuoi, come
libero e sovrano scultore e artefice di te stesso9. Secondo
questa prospettiva luomo lunico essere che non ha natura e
che, proprio per questo, a differenza di tutti gli altri
chiamato a darsela da s grazie al dono del libero arbitro.
Insommaluomoleccezionetralecreatureperchlacreatura
che dispone del linguaggio, della mente e del pensiero.
Lumanesimo cartesiano non molto dissimile da questa
impostazione.ComenotoCartesiodistinguelatotalitdelreale
tra res cogitans e res extensa e cos finisce col distanziare
9PicodellaMirandola,Discorsosulladignitdelluomo,Guanda,Parma2007,pp.103104.
DOSSIERCristianFuschetto,Meccanicavita
32
luomoelasuaessenzacogitantedallamaterialitdelluniverso.
Lasostanzadiscretadellecosenonsoloqualcosadidiversodal
cogito, ma addirittura concepita in antitesi a esso, le cose
cioappartengonoaunadimensionedellesserecheagliantipodi
di quella che Calvino definirebbe la natura gassosa del
pensiero.
Macomeabbiamovisto,afarelapartedeiguastafesterispettoa
questa visione un po narcisistica delluomo, arrivano nella
seconda met del novecento la cibernetica e la teoria
dellinformazione. E non un caso se proprio un cibernetico a
inquadraremegliodialtrilarivoluzionefilosoficaeumanistica
messainattodallascienzadellemacchinepensanti.Attraversoun
serrato confronto con i classici della tradizione filosofica e
scientificaoccidentale,daPlatoneadHeisenberg,daAristotelea
Schrdinger, Gottard Gnther riesce infatti a tratteggiare un
quadroesaustivodelladecostruzioneoperatadallenuovescienze
cognitiveneiconfrontidel(finl)solidoedificioumanistico.
In una pagina particolarmente illuminante della sua Cybernetic
Ontology Gnther osserva: Mente e Materia appartengono a due
differenti dimensioni metafisiche; esse non possono mescolarsi.
Non vi tuttavia una distinzione di questo tipo tra lo stato
energetico e lo stato materiale dellUniverso. Lequazione di
Einstein secondo cui E = mc stabilisce che lenergia pu
convertirsiinmassaeviceversa.Manonvisonoformuleanaloghe
perlaconversionedelpensieroinmateriaodelsignificatoin
energia. Noi conosciamo come un fatto empirico che il nostro
cervellounsistemafisicodovehannoluogocertiprocessiper
molti versi sconosciuti anche se certamente fisici. Per
losservatore si tratta di una combinazione di dati elettrici e
chimiciingradodiprodurreunfenomenomisteriosochepotremmo
chiamaresenso,coscienza,oautoconsapevolezza.Inconsiderazione
dicidovremmoeliminareogniteologiaeevitarediparlaredi
unanimasoprannaturalecherisiedenelcorposolocomeunospite,
S&F_n.11_2014
33
e considerare materia, energia e mente come elementi di una
relazionetransitiva.Inaltreparoledovrebbeesserciunaformula
diconversionetraenergiaemente,unaformulachesiainstretta
analogiaconlequazionediEinstein10.
Ma davvero possibile trovare questa formula di conversione?
Gnthercimetteinguardiaeosserva:Dalpuntodivistadella
nostraclassicalogicabivalente(conlasuarigidadicotomiatra
enti soggettivi e enti oggettivi) la ricerca di una formula
siffatta potrebbe sembrare poco meno che una follia. Il comune
denominatore tra Mente e Materia, secondo una tradizione
spiritualelungamillenni,infattimetafisicoenonfisico11.
Secondoilteoricodellinformazionetedescoquindilastruttura
profonda della nostra logica che ci ostacola, fino a farla
apparire come una autentica follia, nellimpresa di trovare una
formuladiconversionetramenteemateria.
Eppure,primaancoradellarobotica,primaancoradeivariDeep
Blue,AsimooEcceRobot,primaancoradellacibernetica,
forse possibile rinvenire chi ha trovato una tale formula di
convertibilit.
3.Roboticaumanista
Il pensatore atteso da Gnther, quello capace di oltrepassare
limpianto metafisico sul quale stato da sempre pensato il
rapportotraMenteeMaterianoneradildavenire,maavevagi
iscrittoilproprionomenelsolcodellastoria.Apoteressere
consideratocomeloscopritoredellaformuladiconversionedella
materiainspiritoinfattiCharlesDarwin.
Darwin,comeEinstein,trovaunaformuladiconvertibilitdella
materiainenergiaperchrealizzare,comeluiharealizzato,una
genealogiaintegralmentematerialisticadellamenteedellamorale
equivale n pi n meno che a tradurre la materialit del
10G.Gnther,Cyberneticontologyandtransjunctionaloperations,UniversityofIllinois,EngineeringExperimentStation,pp.1314.11Ibid.,p.18.
DOSSIERCristianFuschetto,Meccanicavita
34
biologico nellimmaterialit dello spirituale. Detto in altri
termini, Darwin reinventa la nostra percezione del mondo non
soltanto perch ci spiega che il mondo che abitiamo retto da
leggi interamente consegnate allimprevedibilit del tempo, ma
anche e soprattutto perch ci suggerisce che gli abitatori di
questo mondo sono essi stessi fabbricati dal tempo. grazie
allincontenibile potenza della dimensione diacronica che la
variazioneelaselezionepossonofabbricarenuoveformedivita,
soprattuttoeinnanzituttoiltempochepermettelafissazione
dun carattere nuovo, scrive Darwin, anima, mente e pensiero
compresi.
Parafrasando,manontroppo,lametaforalucrezianaresacelebre
daBlumenberg,sipudirecheconDarwinluomoscopreduncolpo
che tra s e il naufragio cui da sempre assiste con fascino e
tribolazionenoncpialcunmarginedisicurezza:densitdella
carne e impalpabilit dellanima si accoppiano come mai prima
seraazzardatodipensareediventanocosilmedesimofruttodi
una natura naturans spudoratamente immune a ogni soluzione di
continuit. Come ha scritto Patrick Tort: Con Darwin non ha
effettivamente pi alcun senso identificare un inizio a partire
dal quale la scienza delluomo dovr cessare di essere naturale
perdiventareumana;[]nelquadrodelsuoevoluzionismononc
infatti pi alcuno spazio per la metafisica degli inizi
assoluti12.Pertornareallenostrecaremacchineintelligenti,
cisignificacheladimensionegassosadelpensierononsolopu
nascere,madevenecessariamenteoriginarsidaquellaestesadella
materia biologica e, why not?, fisica. A pensarci bene, nel
preferirelabrutaascendenzascimmiescaallapurezzadelleidee
platoniche Darwin non fa altro che riconoscere un tertium datur
tramateriaespiritoedaciberneticoantelitteramqualetesse
una trama che ricongiunge limmaterialit dellidea alla
materialitdelcorpo,tralasostanzialitestremadelsoggettoa
12P.Tort,Darwineildarwinismo,tr.it.Editoririuniti,Roma1998,p.88.
S&F_n.11_2014
35
quellaaltrettantoestremadelloggettoe,inquestomodo,compie
ilcriminemostruosodiunaredistribuzionedisoggettivit.
Per Darwin, cio, non c pi alcun puro soggetto cogitante da
opporre ad altrettanto puri oggetti estesi, ci sono piuttosto
diversigradidipurezzao,falostesso,diimpurit.
Ed eccoci di nuovo ai robot, a questi oggetti il cui tasso di
complessit cognitiva ci fa dubitare ogni giorno di pi
sullopportunit di considerarli alla stregua di soggetti. Una
interessanteconferma,nonsolosemantica,circalapossibilitdi
avvicinare il pensiero evoluzionistico alla rivoluzione
epistemologica introdotta dallintelligenza delle macchine la
cosiddetta Robotica Evolutiva, una disciplina il cui scopo
esattamentequellodievolvererobotautonomi,ciodeicongegni
che siano in grado di mostrare un comportamento adattivo senza
alcunasupervisionedapartediterzi,inaltreparolesenzaalcun
aiutodapartedegliuomini.Perraggiungerequestoobiettivola
Robotica Evolutiva si basa sulle stesse leggi dellevoluzione
biologica: riproduzione, mutazione, selezione. I ricercatori
sottopongonoalvagliodellaselezione(chepuesseresvoltada
un computer o anche da uno sperimentatore) una popolazione di
robot le cui caratteristiche, per esempio la morfologia o
larchitettura neurale, sono definite in un genoma artificiale
fatto di algoritmi. I genotipi dei robot selezionati vengono
copiati anche se, proprio come accade in natura, non
perfettamente; infatti tramite lazione di alcuni operatori
geneticivengonointrodottedellevariazionicasualinelgenotipo
deifigli,iqualidarannoinizioaunasecondagenerazione e
cos via finch non si ottiene una generazione di robot dalle
prestazionigiudicateparticolarmenteadattive.
Irobotsiallevano,irobotevolvono:comeinungiocodispecchi
lavitanaturalesiriflettenellavitaartificialeperconoscere
meglio se stessa. In questo gioco il coinvolgimento dei robot
risulta essenziale perch, contrariamente a quello che si
DOSSIERCristianFuschetto,Meccanicavita
36
ritenuto fino a qualche decennio fa, si compreso che
lintelligenzanonunprocessopuro,ciononmerocalcoloo
combinazionesimbolica,maunprocessochenascedalbassodelle
esigenze materiali di adattamento allambiente. linterazione
col mondo che fa emergere lintelligenza nelle sue varie
manifestazioni. Lintelligenza ha cio bisogno di un corpo per
poteresseretale.
I robot rappresentano degli strumenti perfetti per simulare e
sperimentare quel che potrebbe definirsi la genealogia
dellintelligenza (ma forse sarebbe meglio dire le genealogie
delle intelligenze) proprio perch riescono a render conto non
unintelligenza astratta che non esiste ma di
unintelligenza concretamente situata in un ambiente. In questo
senso i robot sono senzaltro dei sistemi intelligenti
incarnati, tanto pi potenzialmente intelligenti quanto meno
vincolati allesattezza di un meccanismo, tanto meno servili
quantopievolvibili.Maseirobotevolvono,sepossonoevolvere
lalorointelligenza,nondovremmoforsecominciareaparlaredi
soggetti? Non dovremmo perlomeno provare a riflettere
sullopportunitdiredistribuirepartedellasoggettivitcheda
semprericonosciamoanoistessi?
SeveroquelcheinsegnavaVico,eciocheilveroeilfatto
coincidono (verum et factum convertuntur), allora laspirazione
alla creazione di un uomo artificiale non altro che
laspirazione alla pi autentica conoscenza di s da parte del
sapiens. Il Golem di Levi o il robot umanoide del professor
MacLeodrappresentanoduevariantidiunmedesimotema.Tuttavia,
a differenza di quel che immaginava Levi, la fabbricazione del
Golemoggipuntasullinesattezzadelleleggidellavitapiuttosto
che sullesattezza della computazione logica. La robotica si
intantodarwinizzataelemacchinesonoletteralmentediventate
degli enti evolvibili, per niente immuni alla discreta
dimensionedellamente,dellospiritoedellasoggettivit.
S&F_n.11_2014
37
LUCIOPASTOREBARBARALOMBARDO
UNDERSTANDINGBRAINTHROUGHDISEASES
1.Intro2.Geneticandneurologicaldisordersvs.technologies
3.Whathavewelearnedfromallthemutationsidentifiedinneurologicalpatients?
Abstract: Understandingthe causes underlyingdiseases affecting brainfunction, mentaldisabilities and otherdisorders is a verydifficult task thatnecessitates to deeplytrace mechanisms at thebasis of the human brainmachine, a complexcircuitrythatrequiresanetwork of gene productsto orchestrate its selfassembly and functions,mutations of these genesoften resulting inneurological andpsychiatricdiseases.
1.Intro
Thehumanbrainisacomplexcircuitrythatrequiresanetworkof
gene products to orchestrate its selfassembly and functions;
mutationsaffectinganyofthesegenescanresultinneurological
and psychiatric diseases. The latter are extremely common: a
surprising25%ofalladultssuffersatonepointoftheirlives
of a diagnosable mental disorder. Among all diseases affecting
brain function, mental disabilities of different types have an
DOSSIERLucioPastoreBarbaraLombardo,Understandingbrainthroughdiseas
38
incidence of approximately 1%. Intellectual disabilities involve
differentaspectsofourmentalfunctionsincludingdelaysinthe
developmentofspecifictaskssuchaslanguage,memoryorproblem
solving;otherdiseasescanaffectsocialbehaviorssuchasautism
or many other aspects (schizophrenia, idiopathic epilepsy and
others).
Understanding the causes underlying these disorders has been an
extremely difficult task since recently. In fact, most of these
diseasesaremultifactorialinnaturewithanextremelyrelevant
geneticcomponent.Historically,thefirstdiseaseassociatedto
mentalproblems,whosegeneticbasishadbeenidentified,wasDown
syndrome: in fact, analysis of karyotype made it possible to
detect abnormalities in both chromosome number and shape and
clearlyidentifiedthepresenceofthreecopiesofchromosome21
as the cause of this specific disease. At the beginning of the
nineties a new approach to the identification of disease
associated genes, called positional cloning, allowed the
identificationofanoveltypeofgeneticalteration:anexpansion
ofDNAsequencesintandemrepeats,mostoftencomposedbythree
nucleotides.AspecificexpansionofarepeatintheFMR1gene
was proven to cause fragileX syndrome, the second most common
causeofmentalretardation.Analysisoftheexpansionhasallowed
todiagnosealargenumberofpatientsand,forthefirsttime,to
obtaininsightinthemolecularpathogenesisofadiseasecausing
intellectualdisability.
However,atthetimeonlykaryotypeandfewDNAdiagnostictests
wereavailable,allowingtheidentificationofgeneticcausesof
mentalproblemsonlyin5%ofthepatients;inaddition,mostof
the patients were diagnosed with diseases without available
therapiesbuildingaverydepressingscenario.Atthetime,itwas
not even clear whether intellectual disabilities were caused by
raremutationsinasinglegeneorbytheassociationoffrequent
deleteriouspolymorphisms.
S&F_n.11_2014
39
2.Geneticandneurologicaldisordersvs.technologies
Atthebeginningofthenewmillenniumtheidentificationofthe
genetic causes of neurological disorders has been, or more
appropriately is being, extensively modified by two different
technologies. The first to be developed was comparative genomic
hybridization array (aCGH), that allows the identification of
deletions and duplications in the entire genome. This technique
showed that every individual harbor a fairly large number of
deletions and duplications called copy number variants (CNVs);
these variations can be pathological, benign or of uncertain
significance.Neurologicaldisordershaveoftenbeenassociatedto
anincreaseinfrequencyofspecificCNVs;however,theexactsame
CNVs can also be found in normal individuals. This observation
changed the way most geneticists looked at intellectual
disabilities:thesediseasesaremostlikelycausedbyacomplex
setofmutations,oftenattheheterozygotestatus,thattogether
determine the clinical phenotype. Differently from common
Mendeliandisordersthesamealterationcanbepresentinaparent
whoisunaffectedandphenotypicallynormal.Inaddition,thesame
CNVscanbepresentinpatientsaffectedbydifferentdisorders,
aswellasinnormalindividuals.Thisobservationgeneratedthe
multiple hit theory: a patient may harbor a pathological CNV
thatdoesnotnecessarilyproduceadiseasebyitself;additional
pathological CNVs or single base polymorphisms, in fact, define
theoccurrenceofaneurologicalphenotypeaswellasthetypeof
disability. A widely known example is the duplication of a
nicotinicacidreceptorsubunitnamedCHRNA7:patientswiththis
molecular alteration can show either profound intellectual
disabilities or autism or, on the other side of the spectrum,
simplenicotineaddictionornophenotypeatall.
Amorerecentadvanceintechnologiesisstartingtoallowamore
comprehensive understanding of neurological phenotypes; whole
DOSSIERLucioPastoreBarbaraLombardo,Understandingbrainthroughdiseas
40
exome sequencing (WES), namely the determination of the DNA
sequenceofalltheexonsofallgenesinhumangenome,allowsthe
identification of variants that are likely to contribute to the
phenotype. This type of analysis adds a further layer of
complication: in fact, each individuals harbor at least 30,000
variants:potentbioinformaticanalysesarerequiredtopassfrom
the raw data to a small, defined number of variants that can
contribute to the clinical phenotype. These bioinformatic tools
are currently under development and are far from ideal; in
addition, functional confirmation of the effect of a specific
variantisoftenrequiredtostrengthentheobservation.Withall
the limitations due to the novelty and the still unsatisfactory
development of analytical tools, WES has allowed the
identification of a large number of causative mutations in
patientsand,sometimes,toclarifythelandscapeofvariantsthat
contributedtotheclinicaldevelopmentofthediseaseinpatients
whereCNVshadalreadybeenidentified.
The amazing success of these techniques has been proven by
numbers:usingthemostadvancedkaryotypetechniqueswewereable
to identify the causative mutations in 5% of the patients; the
additionofCGHincreasesthediagnosticsensitivityto15%.CGH
together with WES allows now the identification of the genetic
causes of intellectual disabilities in approximately 50% of the
patients,anumbertentimeshigherthanwecouldachieve15years
ago.
3. What have we learned from all the mutations identified in
neurologicalpatients?
What have we learned from all the mutations identified in
neurologicalpatients?Thebasicmessageisthatinmostofthe
cases we cannot consider intellectual disabilities simple
Mendelian disorders; in fact, most primary mutations have
incomplete penetrance, meaning that they can also be present in
S&F_n.11_2014
41
unaffectedrelativesofthepatient.Inaddition,othervariants
found in the patients are potent modifiers of the clinical
phenotypesandthesumofthealterationsgeneratesthephenotype.
Influence of environmental factors, such as diet, pollution and
epigenetic mechanisms other should also be considered potential
modifierstofurthercomplicatethedefinitionofthepathogenesis
ofthesediseasesatmolecularlevel.However,insomerarecases,
identification of the alteration has led to a therapy with
enormous benefits for the patient: for example, it has been
demonstrated that a subsets of autistic patients have neuronal
carnitinedeficiencyandsimpleadministrationofsupplementsis
able to completely reverse the phenotype. This was probably the
firsttimethatamoleculardiagnosisofaneurologicalphenotype
leddirectlytoaneffectivetherapy.
Molecularanalysisofintellectualdisabilitiesisgivingusalso
incredibleinsightsinthefunctionofthenormalbrain.Infact,
what we are observing in many patients is that they harbor
multiplemutationsingenesthatareeitherexpressedinneurons
belongingtothesameneuralcircuitoracttogetherforasingle
cellulartaskor,finally,arepresentinthesamelocalizationin
thecentralnervoussystem.
Identificationofmultiplemutationsofgenesexpressedinneurons
belonging to specific neural circuits points to the fact that
multiplehitstoaspecificneuralfunctiontendtoweakenitand
leadtoadisability.Thespecificcircuitcanthenbeassociated
to the specific function that has been damaged: using this
paradigm is possible to hypothesize the association of specific
taskstoparticularcircuitsandverifyitincellularoranimal
models. The same association can be made for cellular pathways
whose mutations generate specific neurological defects. Analysis
ofcellularpathwayscanbenoweasilyperformedinneuronsthat
can be easily obtained using stem cells generated directly from
thepatients:infact,inducedpluripotentstem(iPS)cellscanbe
DOSSIERLucioPastoreBarbaraLombardo,Understandingbrainthroughdiseas
42
generated from patients skin allowing to obtain samples of
neurons or other cell types without the need of postmortem
samples.SpecificneuronsubtypescanbegeneratedfromiPScells
allowingthepossibilitytotestpathogenetichypothesesaswell
asevaluatecandidatedrugs.
Unfortunately, in most cases damage of an entire neural circuit
seemstobethatcauseofthespecificdisability.Therefore,in
ordertoevaluatetheeffectofthespecificcircuitonthenormal
functionanimalmodelsarenecessary.Behavioralanalysesonmice
andratshasincrediblyimprovedoverthepast20years,together
withourabilityofintroducingmutationsintheseanimals;these
improvements strongly reduce the requirement for larger animals
with a consequent reduction in costs as well as an increase of
ethicalacceptabilityforthesestudies.
We are living an exciting time for the understanding of human
brainfunctionandhumanbehavioringeneral.Wearenowbeginning
to determine the variants at DNA level that cause defects in
specific functions including language and social aspects; these
alterations are indicating central nervous system areas, neural
circuits and cellular functions that underlie our ability to
perform these specific tasks. Further improvement in
bioinformatics as well as in our ability to analyze these
alterationsinmodelsand,possibly,inhumanswillshedfurther
lightsonthefunctionofourmostcomplexorgan.
LUCIOPASTOREBARBARALOMBARDODipartimentodiMedicinaMolecolareeBiotecnologieMediche, Universit di Napoli Federico II & CEINGEBiotecnologie Avanzate,Napoli
[email protected]@unina.it
S&F_n.11_2014
43
PAOLOANTONIONETTI
DECIPHERINGTHELANGUAGEBETWEENBIOLOGICALANDSYNTHETICMATERIALS
1.Intro2.Whataboutbiofunctionalinterfaces?3.Mechanismsincells4.Concludingremarks
ABSTRACT: Chemical signalspropagating through aqueousenvironment are at the basisof the language utilized byliving systems to exchangeinformation. In the lastyears, molecular biology haspartly disclosed the grammarand the syntax of thiscomplex language revealingthe fascinating world ofmolecular communication thatis the foundation ofbiologicaldevelopment.
1.Intro
Living systems
(i.e., replicating
molecules, cells
and organisms)
utilize a specific
language of
communication based
on chemical signals
in an aqueous
environment. In the
past30years,molecularbiologyhaspartlydisclosedthegrammar
andthesyntaxofthiscomplexlanguagerevealingthefascinating
world of molecular communication that is the foundation of
biological development. Proteins and oligonucleutides are the
molecularsupportsonwhichthebiologicalinformationiswritten
andtheinnumerablepossibleinteractionsamongthemrepresentthe
DOSSIERPaoloAntonioNetti,Decipheringthelanguage
44
base of biological communications. Molecular communication
controls and guides the development of biological systems and
adaptsdynamicallytoexternalconditionsorinsultstooptimize
the function and the performance of the species. Synthetic
materials, on the other hand, are not endowed of an intrinsic
languageandtheirfunctionsaregenerallydesignedabinitiofor
specific applications. They are constructed with molecules that
areunabletopositivelyinteracttoeachotheranddonotencode
any specific regulatory functions. Commonly, the biological (or
natural)realmisconsideredtobeunconnectedandtrulyseparated
from the synthetic creation. However, it has been largely
recognized that an active crosstalk occurs at the interface
whenever a biological entity is in contact with a synthetic
materials. The interaction between biological entities (e.g.,
biomolecules,tissues,cells,virusesandbacteria)withsynthetic
materials has gained a mounting scientific and technological
interest for the development of novel functional biointerfaces
able to actively guide and control specific adhesion and
recognitions events. The field of functional biointerfaces is
markedly interdisciplinary, bridging together bionano
technologies, biomimetic devices, tissue engineering, and
biohybrid systems. The key to achieve important advances in the
field of biointegrated devices resides in the successful
integrationofthesetechnologicalandscientificareas.Inthis
context,diversebutcomplementarycontributionsareneededonnew
biomaterials, multisignal patterning methodologies, multiscale
modeling, advanced characterization and processing technologies
for the desired biomedical and biotechnological applications.
Thus,theconceptoffunctionalbiointerfacesisrapidlyevolving
and constantly gaining new valences. Chemical structure of the
interfacesalongwiththeelectrical,mechanicalandmorphological
properties at nanoscale appear equally relevant to affect and
drive the interaction between living and synthetic systems. A
S&F_n.11_2014
45
central aspect is the capability to optimize the functional
propertieswithhighspatialresolution,creatingmaterialsthat
are able to control the interaction with the biological
surrounding at the nanoscale thus guiding the responses of
biomolecules, cells and tissues. Accordingly, by responding to
changesinthebiologicalenvironment,ortransformationfromone
state to another in the presence of biological systems,
biofunctional interface must be able of improving device
integration, control tissue regeneration, as well as to use
controlledresponsetopowerhybridbiodevices.
Modern society is ready to move to an era in which synthetic
materialscanbeengineeredbyencodingbiologicalderiveddesign
concepts,makingthemsmarts,programmable,safeandfunctional.
This, however, would be of limited practical interest if the
intricate relationship occurring at the interface between
materials and biological entities is not fully understood and
mastered.OurlaboratoryattheUniversityofNapleshasacquired
adeepknowledgeonthebasicmechanismsthatregulateandcontrol
the crosstalk at the interface between material and biological
entities, namely tissue, cells and biomolecules, and we are now
readytomoveforwardtranslatingtheseforefrontscientificand
technological achievements into materials, devices and processes
whichmayhaveadirectimpactineverydaylife.Earlyprototypes
ofthisnovelclassofbioinspiredmaterialsabletocommunicate
through simple array of biophysical and biochemical cues to
biological entities have been already produced and patented and
their applicative potential is currently being assessed. Our
general vision for the future research is to continue to
deciphering the communication languages, tackling also the time
and space patterning occurrence, at the interface between
synthetic materials and biological entities to disclose novel
designing concepts and enrich the potentiality of these highly
promisingnovelbioinstructivematerials.
DOSSIERPaoloAntonioNetti,Decipheringthelanguage
46
2.Whataboutbiofunctionalinterfaces?
The development of biofunctional interfaces is of particular
interest in the field of biomaterials for tissue engineering
applications. In this context, next generations of materials
scaffoldscallforsmartinterfacesthatencodecomplexarraysof
bioactive signals able to control and guide cellular processes.
Theseinterfacesrequireananometriccontrolofthepresentation
of physical and biochemical cues that recapitulate the spatial
temporal molecular regulatory cellular program. Recently, micro
and nanostructured interfaces able to present in a tightly
spatial and temporal controlled way biomolecular moieties have
been proposed as effective in cell guidance as in the case of
functional angiogenesis and stem cell differentiation. These
materials represent a first attempt to mimic the complex and
dynamicmicroenvironmentpresentedinvivo,andtofurtherdevelop
materials interfaces that correctly display the whole array of
biosignalsnecessarytoguideandcontroldevelopmentalprocess
intissuedifferentiationandmorphogenesisaswellastoincrease
symbiosis among material engineering, micro and nanotechnology,
drugdeliveryandcellandmolecularbiology.Cellularactivities
that are mostly influenced by material properties are adhesion,
spreading, migration, proliferation and differentiation.
Specifically, engineered surfaces displaying selected
biofunctional groups or microscale patterns have been used in
order to study signal interactions in a systematic way. These
assaysprovedtobevaluabletoolstoenrichthebodyofknowledge
on cellmaterial crosstalk that represents today a solid
foundation for further progress. Owing to technological
limitations, however, these kinds of substrates allowed modest
control on signal presentation, in terms of signal dose spatial
arrangement and temporal evolution. Advancements in chemistry,
material science and nanotechnologies, greatly improved the
S&F_n.11_2014
47
possibility of presenting many different signals according to
predefined spatial patterns or temporal chronoprograms. In
particular, patterns of biochemical signals, topographies on
different length scales, along with mechanical cues, clearly
revealed very sophisticated abilities with which cells sense
(and react to) external stimuli. However, the majority of the
studiesdealtwithsinglesignaltypesandthusindividualsenses.
This contributed to depicting a scenario in which cells taste
chemical moieties, see topographies and touch mechanical
properties.
To date, a plethora of cellresponsive material properties has
beenascertainedandcataloguedincludinghydrophobicity,surface
charge,roughness,andstiffness.Thesefindingshavepointedto
theattractiveprospectofengineeringmaterialsabletocontrol
and guide specific cellular events. The potential to pattern
materialpropertieswithnanometricprecisionpavesthewaytothe
next biomaterials generation referred to as Cell Instructive
Materials (CIMs) with extended functionality and bioactivity.
Cell Instructive Materials are envisioned as nanofeatured
materialsexpresslyprogrammedtoimpartevencomplexcommandsor
instructions to cells with the aim of directing, guiding and
controlling their fate. The realization of these attractive
materialsreliesuponadeepunderstandingofthemechanismsthat
regulate cellmaterial interactions and in particular upon the
disclosingofthecomplexmolecularmachineryofrecognitionand
decoding that occurs at the interface between cell membrane and
materials.However,themechanismunderpinningtheprocessofcell
recognition of materials properties cues topographical,
mechanical, chemical is poorly understood, and therefore the
possibilitytocorrectlydisplayasingleoranarrayofsignals
atcellmaterialinterfacetoelicitagivenandpredefinedcell
responseisstillfaraway.Severalresearchgroupsarecurrently
focusingtheirattentiononcellmaterialinterfacewiththeaim
DOSSIERPaoloAntonioNetti,Decipheringthelanguage
48
of unraveling the intricate and unidentified principles that
regulatecellmaterialcrosstalk,leadingtoarapidincreasein
thebasicknowledgeofthedifferentstagesandphasesthatoccur
across the cell membrane as a result of different material
properties and distribution density of biological sites. A
synthesisofrecentliteraturedepictsthephenomenonofcrosstalk
at the cellmaterial interface as mostly influenced by the
dynamics of large macromolecular complexes across the cell
membrane whose formation and extension depend upon material
properties. According to this vision, properties such as
mechanical,topographicalandbiochemicalinfluencecellmaterial
interactionbyaffectingindifferentwaysthedynamicsofthese
macromolecular complexes. Therefore mechanical, topographical or
biochemicalsignalsmaynotrepresentseparateordifferentcues,
as suggested by some reports, but rather produce a different
effectonthemacromolecularcomplexdynamics.
3.Mechanismsincells
Therecentliteraturehassignificantlyelucidatedthemechanisms
by which cells sense biochemical, topographic and mechanical
signals,translatingthemintocommandsthatregulateactivityand
fate by triggering specific intracellular pathways. Most of the
studies, however, specifically deal with the effect of a single
signaltype.Thishasalsoledtothetacitacknowledgementthat
differentsignaltypesarerecognizedbycellsthroughindependent
pathwaysandthereforedifferentroutescanbepursuedtogovern
material cytoskeleton crosstalk. Yet, experimental evidences
suggest that a common leitmotif connecting the effects of
different types of signals on cell response might exist. Cells
cultured either on large bioadhesive areas, or on shallow
nanotopographies or on stiff substrates, exhibit a mature
cytoskeleton,withlargeactinbundles,andlargefocaladhesions.
In contrast, cells on small adhesive islands, or on deep
S&F_n.11_2014
49
nanotopographies or on compliant substrates display a diffuse
cytoskeletonandsmalladhesions.
4.Concludingremarks
Theresearchoverthepastdecadehassignificantlyelucidatedthe
basic of the communication language occurring between cells and
materials. In particular the mechanisms by which cells sense
biochemical, topographic and mechanical signals, by translating
them into commands that regulate activity and fate, and also
triggering specific intracellular pathways. Thanks to cultural
integration of cellular and molecular biology combined with the
advancement in material science and nanotechnology, it will be
possibletodecipheringthecompletesyntaxofthelanguagethat
regulate the cellmaterial crosstalk and open the way to future
materialsabletoinstructanddirectspecificcellfunctions.
PAOLO ANTONIO NETTI Istituto Italiano di Tecnologia IIT, Center for AdvancedBiomaterials for Health Care, Genoa, Italy & Dipartimento di Chimica, deiMateriali e della Produzione Industriale Universit degli Studi di NapoliFedericoII
DOSSIERAlessandraScotti,Lelogiodelsuperficiale
50
ALESSANDRASCOTTI
LELOGIODELSUPERFICIALE.DALCHIASMATATTILEAQUELLOVISIVO,CONSIDERAZIONITRAPORTMANNEMERLEAUPONTY
1.Essere/oapparire2.Anchelaformaconta3.Ilmimetismoanimale4.Dalchiasmatattilealchiasmavisivo
ABSTRACT:ThisworkinvestigatesMaurice MerleauPontys conceptof chiasme andhis philosophicallink with thebiology by AdolfPortmann. Thepaper invokes adifferent meaningof "profondeur"surfaces,according to thenotion of selfpresentation.Through thestudies ofMerleauPonty,Arendt andPortmann himselfit emerges thepossibility ofovercaming theoppositionbetweeninside/outsideand a newconception ofinteranimality.
1.Essere/oapparire?
In questo mondo, in cui facciamo ingresso apparendo da nessun
luogo e dal quale scompariamo verso nessun luogo, Essere e
Apparirecoincidono1.Conquestaffermazioneeterodossa,dirara
bellezzaeprofonditfilosofica,siapreilprimocapitolodeLa
vita della mente di Hannah Arendt. La dichiarata identit fra
essereeapparirecomportaduerilevanticonseguenzefilosofiche:
1H.Arendt,Lavitadellamente,tr.it.Ilmulino,Bologna2009,p.99.
S&F_n.11_2014
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inprimoluogochelacosiddettateoriadeiduemondiperdeogni
significatoevalore,perdirlaconNietzscheunavoltaeliminato
ilmondoveroavremoeliminatoanchequelloapparente2;insecondo
luogo lapparire sensibile, scevro dallaccezione ingannevole e
fallaceacuilastoriadellametafisicacihaabituato,reclama
unasuapropriadignitontologica.Cichesimanifestanelmondo
ilmondostesso,edlasuanaturafenomenicachevaindagata,
toccata anzi. Proprio questo slittamento costituisce uno dei
passaggicrucialiimplicatidalluguaglianzatraapparireessere.
Ecco perch nella ricostruzione della Arendt giocano un ruolo
decisivotantolabiologiadiPortmannquantolafenomenologiadi
MerleauPonty.Poichnonsiamosolonelmondomaanchedelmondo,
la nostra esistenza mondana implica una qualche forma di
spettacoloallestitoperunospettatore.Ognicreaturavivente,in
quantotale,chiamataadapparire,amostrarsi,comeattorisu
unascena3.Lapparirenelmondopresupponesempreunparerea,
unmiparee,dunque,unadimensioneintersoggettiva.Nomanisan
Island, scriveva John Donne, la pluralit la legge della
terra4, gli fa eco la Arendt. Non a caso la lettura
merleaupontiana di Portmann utile a far emergere