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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
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Cosa plasma le forme?
forme “naturali”
forme “artificiali”
Le leggi della fisica
L’uomo
Realizzazione (rapida) di forme altamente “improbabili”
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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
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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
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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
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Galassia a spirale
Due galassie in interazione
Spirali
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Spira mirabilis(Torricelli)
stabilità dinamica: equilibrio tra
forze gravitazionali eforze di velocità
crescita per espansione
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baer
11
baer
22
baer
0ar
Spirale logaritmica
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subunità poligonali di dimensione crescente
spirale logaritmica approssimata
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Spirali
...e sfere
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l’evolu
zion
e d
ell’e
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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)
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ma le cellule virali hanno bozzi e crateri sulla loro superficie (capside) quasi-sferica
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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
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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
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moto verso un obiettivo
forme fluido-dinamiche...
...e cambiamenti dinamici di forma
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protozoo
pianta lievito inriproduzione globulo rosso
fibroblasto
cellula nervosa
bastoncello
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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)
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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
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Le strutture “vive” devono organizzarsi in forme contro la naturale tendenza al disordine
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mare di materia cellula
aumento di disordine
aumento di ordine
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REAZIONE “SPONTANEA”
al passare del tempo
LO SFORZO ORGANIZZATIVO RICHIEDE ENERGIA
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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
iche
evolu
zion
e d
ell’e
volu
zion
e
l’uomo artefice
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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
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Gli artefatti: dall’imitazione alla sfida
... e ritorno
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dall’imitazione...
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alla sfida...
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e ritorno!
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ma ci sono anche forme che l’uomo ha imitato senza nessuna consapevolezza...
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flagello dell’E.coli
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batteriofago
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... 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...