DARWINISMO ARCHITETTONICO NUOVE GEOMETRIE ARCHITETTONICHE DARWINISMO ARCHITETTONICO NUOVE GEOMETRIE ARCHITETTONICHE 13 Giugno 2009 13 Giugno 2009

Limonaia di Palazzo Ruschi Pisa Limonaia di Palazzo Ruschi Pisa

Silvia Morante Dipartimento di FisicaUniversità di Roma “Tor Vergata”

Homo geometricus: Homo geometricus: evoluzione delle formeevoluzione delle forme

Cosa plasma le forme?

forme “naturali”

forme “artificiali”

Le leggi della fisica

L’uomo

Realizzazione (rapida) di forme altamente “improbabili”

Probabilità di realizzazione spontanea Energia libera

Energia libera =

-TS + U

- termine entropico + energia interna

fluttuazioni termiche campo di forze

forma = struttura “stabile” (in quel tempo, in quel luogo)

destabilizzanti condizionante

L’evoluzione della materia dal Big Bang (t=0) a oggi (t~12x109 anni) determinata da:

• leggi di simmetria e di conservazione• gravità, elettromagnetismo, interazioni deboli, interazioni forti

All’inizio c’era

Un plasma di

quark gluoni leptoni

protoni e neutroni

idrogeno, deuterio ... nebula primordiale

L’evoluzione della materia dal Big Bang (t=0) a oggi (t~12x109 anni) determinata da:

• leggi di simmetria e di conservazione• gravità, elettromagnetismo, interazioni deboli, interazioni forti

All’inizio c’era

Un plasma di

quark gluoni leptoni

protoni

idrogeno

La nebulosa Orione è una fucina di polvere e gas rotanti dove si stanno formando migliaia di

stelle

Le giovani stelle cariche di energia trasformano l’ambiente attorno ad esse emettendo getti di gas

caldo e rilasciando onde d’urto supersoniche e venti stellari

Galassia a spirale

Due galassie in interazione

Spirali

Spira mirabilis(Torricelli)

stabilità dinamica: equilibrio tra

forze gravitazionali eforze di velocità

crescita per espansione

baer

11

baer

22

baer

0ar

Spirale logaritmica

subunità poligonali di dimensione crescente

spirale logaritmica approssimata

Spirali

...e sfere

tem

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3.0

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volu

zione

Cambiamenti di scala

dall’evoluzione del cosmo all’evoluzione dei sistemi viventi

le forme evolvono ad una velocitàinversamente proporzionale alle loro dimensioni

tempi

Da A

decimi di secondo

(normalizzando l’età dell’Universo

ad un anno solare)

Big Bang Formazione della Terra 2.200.000.000

Formazione della Terra Prime forme di Vita 15.000.000

Prime forme di Vita Mammiferi 70.000.000

Mammiferi Homo sapiens 3.000.000

Homo sapiens Oggi 200

tempo di formazione di una stella~ 3.000.000.000 anni

tempo di formazione di un umano

~ 20 anni

tempo di formazione di una cellula

20 minuti 20 ore

Cambiamenti di scalaØ oggetto dimensioni (m) ordine di grandezza (m)

Terra 12.756.000 10.000.000 = 107

Giove 142.984.000 100.000.000 = 108

Sole 1.390.000.000 109

Scorpii 1.330.000.000.000 1012

VY Canis Majoris 2.900.000.000.000 3x1012

Via Lattea 100.000 anni luce (al)* 1021

Universo 15.000.000.000 al 1.5x1026

virus (0.01 0.1) m# 10-8 10-7

batterio (0.1 1000) m 10-7 10-3

cellule eucariotciche (10 100.000) m 10-5 10-1

altezza uomo 1 1

lunghezza balena blu 15 10

altezza albero più alto 100 102

il più grande organismo vivente

5000 5x103

* 1 al = 9.460.800.000.000.000 m ~ 1016m

# 1 m = 0.000001m = 10-6m

dimensioni di una stella~ 1.000.000.000.000 m

dimensioni di un umano~ 1 m

dimensioni di una cellula~ 0.1 m 0.00001m

L’evoluzione della materia dal Big Bang (t=0) a oggi (t~12x109 anni) determinata da:

• leggi di simmetria e di conservazione• gravità, elettromagnetismo, interazioni deboli, interazioni forti

ma se gli oggetti sono “piccoli”* non la gravità è

rilevante, ma la tensione superficiale

* “piccoli” = composti da poche molecole e di dimensioni paragonabili al mezzo in cui si muovono

Forma sferica: forma con superficie minima per un dato volume

Tensione superficiale: contrazione fino alla superficie di area minima*

La forma sferica appare dove il corpo è soggetto solo (prevalentemente) alle forze di interazione

molecolare

* naturalmente “minima” è da intendersi in senso relativo (relativamente alle forze in gioco)

Una molecola in contatto (legata) ad un’altra si trova in uno stato di energia minore rispetto ad una molecola non in

contatto

Una molecola all’interno ha tutti i possibili contatti che non sono possibili per una

molecola alla superficie

Lo stato di energia minima in un liquido corrisponde allo stato di superficie minima qualsiasi increspatura sulla superficie ne aumenta l’area la superficie tende ad essere “liscia” (come una massa tende a scendere a valle in un campo gravitazionale)

ma le cellule virali hanno bozzi e crateri sulla loro superficie (capside) quasi-sferica

Virus: potenziale genetico limitato scarso livello di complessità

leggi di simmetria

Capside: composto da molte copie di una singola (poche) proteina

tenuto insieme da interazioni proteina-proteina Un singolo tipo di proteina tipi di interazione limitati

Geometrie favorite: identico intorno per ogni molecola di proteina (~ cristallo)

Un singolo tipo di proteina

elica

Il capside della maggior parte dei virus è di forma icosaedrica. L’icosaedro regolare è il modo migliore di formare una shell

chiusa con subunità identiche.

Un icosaedro è una superficie le cui facce sono 20 triangoli equilateri identici (a).

Nella maggior parte dei capsidi icosaedrici ciascuna faccia triangolare

è formata di tre subunità identiche (b). Il capside è quindi formato da 60 subunità.

forma quasi-sferica moto browniano

moto verso un obiettivo

forme fluido-dinamiche...

...e cambiamenti dinamici di forma

protozoo

pianta lievito inriproduzione globulo rosso

fibroblasto

cellula nervosa

bastoncello

I sistemi viventi sono sistemi complessi

Sono costituiti da molti elementi

# di costituenti elementari (atomi)

atomo 1

amino acido 10

proteina 103105

cellula 1010

.

.

.

corpo umano 5x1028

(nucleoni)

La variabilità più che la numerosità (gas perfetto) caratterizza un sistema complesso

(~ 300 amino acidi)● Proteine 20300 possibili sequenze diverse!

(solo ~107 espresse)

106 reale repertorio di Ab ● Sistema immunitario 107 il repertorio disponibile

108 linfociti

1010 neuroni ● Cervello x 103104

1013-1014 sinapsi

3x109 basi (DNA umano)● Genoma 4n con n = 3x109 possibili genomi

(solo 1060 espressi @ 1 mut/sec) Eigen

Sono costituiti da molti tipi di elementi

Le strutture “vive” devono organizzarsi in forme contro la naturale tendenza al disordine

mare di materia cellula

aumento di disordine

aumento di ordine

REAZIONE “SPONTANEA”

al passare del tempo

LO SFORZO ORGANIZZATIVO RICHIEDE ENERGIA

L’evoluzione della materia dal Big Bang (t=0) a oggi (t~12x109 anni) determinata da:

• leggi di simmetria e di conservazione• gravità, elettromagnetismo, interazioni deboli, interazioni forti

L’evoluzione delle forme “artificiali” determinata da:

• necessità pratiche (utensili, vestiti, rifugi, armi, attrezzature scientifiche, mezzi di trasporto...)

• esigenze estetiche (arti figurative, strumenti musicali, architettura...)

esig

en

ze e

con

om

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zion

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ell’e

volu

zion

e

l’uomo artefice

Ricetta (nient’affatto rapida) per fare un uomo

Ingredienti: 15 kg di carbonio 4 Kg di azoto1 Kg di calcio500 g di fosforo 200 g di sodio 150 g di potassio 150 di cloro un pizzico di altri quindici elementi (selenio, litio e vanadio in quantità minima)

Sciogliere il tutto in circa 40 litri d’acqua (per preparare l’acqua si devono combinare 5Kg di idrogeno e 35 Kg di ossigeno). Aspettare qualche miliardo di anni.

Si raccomandano ingredienti di origine controllata in particolare: • idrogeno e litio dal big-bang (15 miliardi di anni)• carbonio costruito dentro una stella nella fase terminale della sua vita, unendo 3 atomi di elio• ossigeno dalla fusione di carbonio ed elio nel nòcciolo di stelle caldissime• ferro dalla cenere di stelle esaurite• calcio, fosforo, zolfo, cloro, sodio e azoto da caldissime fucine stellari. • tracce di elementi più pesanti dalle supernove

Liberamente tratto da “Nati dalle stelle”di Piero Bianucci, responsabile del supplemento "Tuttoscienze" della Stampa

Gli artefatti: dall’imitazione alla sfida

... e ritorno

dall’imitazione...

alla sfida...

e ritorno!

ma ci sono anche forme che l’uomo ha imitato senza nessuna consapevolezza...

flagello dell’E.coli

batteriofago

... dato un problema due individui (!?) intelligenti (!?) troveranno la stessa soluzione

economica elegante funzionale

la più

ma ci sono anche forme che l’uomo ha imitato senza nessuna consapevolezza perchè...