Indizi di Intelligent Design? - Sistemi di collegamento nervoso ottimali e organi con sensibilità massima

La teoria delle reti è una branca della tecnologia che studia i collegamenti tra componenti elettronici e il modo di ridurre tempi, lunghezze dei percorsi e costi, ricercando le soluzioni ottimali.

Risolvere questi problemi con completezza è praticamente impossibile quando ci sono troppi elementi. Se gli oggetti da collegare sono n, allora il numero di possibili connessioni è n-fattoriale (indicato con n!, cioè 1 x 2 x 3...x n ). Per portare un esempio, nel caso del verme Caenorhabditis elegans, il numero di 11 gangli nervosi possono essere collegati in quasi 40 milioni di modi diversi. Questo sistema nervoso è stato uno dei primi ad essere mappato completamente e quando vennero generate tutte le 39.916.800 possibili disposizioni alternative, quella reale risultò essere con la lunghezza di collegamento minima (1).

L’approccio alla minimizzazione del cablaggio è stato applicato al posizionamento delle aree funzionali della corteccia cerebrale dei mammiferi. Visto che è difficile trovare ‘fili’ di collegamento, invece di tenere conto del ‘risparmio’ nei costi di connessione ci si basa sul principio che in una configurazione se a e b sono collegati allora sono adiacenti. Anche in questo caso la configurazione effettiva nel verme risulta essere quella più ‘economica’. Applicando tale approccio alla diciassette aree visive principali della corteccia del macaco si è trovato che quella reale è la migliore tra dieci milioni di altre configurazioni e per le quindici zone visive del gatto è quella più conveniente tra un milione di configurazioni diverse. Se poi si considerano tutte le 39 aree funzionali interconnesse dei sistemi visivo, uditivo e somatosensoriale arriviamo a un numero enorme: la migliore su 100 miliardi di configurazioni, tant'è che il neurologo Christopher Cherniak si chiede “Il migliore dei cervelli possibili?” (2). Ma tali configurazioni possono essersi formate per tentativi casuali? Dice Chernia“una ricerca esauriente per tentativi ed errori alla cieca del minimo assetto di cablaggio di un sistema a 50 componenti (come tutte le aree della corteccia cerebrale di un mammifero), anche a una velocità fisicamente irrealistica di una disposizione per picosecondo, richiederebbe comunque più dell'età dell'Universo”(2).

Spesso la soluzione trovata dalla natura è al di là delle aspettative, cosa che suscita meraviglia in non pochi ricercatori. Dice in proposito Cherniak:

“Così, quando le nostre ricerche hanno trovato una perfetta ottimizzazione (invece di soluzioni vicine ad essa – nota mia), la mia reazione è stata quella di sudare freddo. (...) Una questione aperta, naturalmente: è facile capire perché si dovrebbe voler risparmiare il filo; ma perché lo si voglia salvare all'ennesima potenza è un rompicapo” (3).

A questo del cablaggio ottimale si aggiunge anche un’altra questione che si riallaccia al tema del post precedente sulla struttura frattale degli organi che fa aumentare la dimensione topologica, quali le superfici bidimensionali che assumono come una struttura tridimensionale in uno spazio a quattro dimensioni, per il cervello sembra si vada ancora più in là: la sua forma frattale è tale da farlo assomigliare più ad un corpo immerso in uno spazio pentadimesionale, cioè a cinque dimensioni, anziché a tre o a quattro! (4)

E’ stato dimostrato inoltre che “la separazione del cervello in sostanza grigia e sostanza bianca è una conseguenza naturale della minimizzazione del ritardo di conduzione in una rete neurale altamente interconnessa” (5). 

I dati anatomici ottenuti da neocorteccia e neostrato dei mammiferi hanno confermato i risultati di ottimizzazione di un modello che ha messo in relazione la progettazione ottimale del cervello con i parametri fondamentali della rete (numero di neuroni e loro connessioni). Cherniak e altri concludono fra l’altro che la corteccia è progettata meglio dei migliori microchip industriali (6).

La ricerca di queste soluzioni ottimali nel corso del tempo non può quindi essere stata affidata alle variazioni casuali alla cieca e conseguente selezione così come sostiene il neo-darwinismo. Infatti è assurdo pensare che la natura abbia tentato tutte le innumerevoli possibilità per trovare la soluzione migliore, anzi l'ottimale, anche perché per alcune, realisticamente, per trovarle non basterebbe neanche il tempo della vita dell’Universo.

Una soluzione proposta è quella dei vincoli fisici. In pratica è come se esistessero degli assestamenti ottimali generati dalle forze fisiche che permettono ai sistemi di ottenere il massimo guadagno con minor impiego possibile di energia. Come una canalizzazione, una legge della forma che costringerebbe gli organismi a non poter sgarrare molto nella loro espressione fisica (7). Potrebbe anche essere così in questi casi di perfezionamento strutturale, ma difficilmente questo principio potrebbe spiegare la varietà della forma dei viventi o, come vedremo in seguito, il loro comportamento o il perché sia stata ottenuta proprio la soluzione perfetta e non magari una di quelle che le si approssimano.

Ma le configurazioni ottimali non si esauriscono con il cablaggio nervoso e cerebrale, si trovano anche in diversi organi sensoriali ad essi collegati, e forse anche per questo motivo così sensibili da sfiorare spesso la percezione del rumore di fondo quantistico. Esempi sono: la vista, l’udito e l’olfatto.

Per la visione, in un esperimento (8) è stato trovato che l’occhio umano è tanto sensibile che bastano solo 4-5 fotoni che colpiscono i bastoncelli della retina perché ci si accorga che è arrivato un segnale luminoso (siamo quindi a livello di interazione quantistica) . Siccome la zona colpita conteneva circa 500 bastoncelli, la probabilità che due fotoni venissero assorbiti da un solo fotorecettore è piccola e quindi si può concludere che già l’assorbimento di un fotone da parte di una singola molecola di rodopsina è sufficiente a generare un segnale. Siccome buona parte della luce che arriva nell’occhio (l’80% circa) si disperde perché non viene assorbita dai bastoncelli e passa oltre, questa perdita viene ingegnosamente limitata in alcuni animali dotati di vista notturna, come ad esempio i gatti che hanno nel fondo dell’occhio una specie di specchio – il tapetum lucidum - che fa tornare indietro i fotoni in modo da dare loro un’altra chance per essere assorbiti dai fotorecettori, aumentando così la potenza visiva.

L’udito ha una sensibilità variabile in base alla frequenza del suono che arriva. Per gli esseri umani il range di altezza sonora di ciò che può essere percepito è compreso tra i 20 e 20.000 Hz, ma la massima sensibilità è intorno ai 3000 Hz. S è dimostrato che a questa frequenza è udibile anche un suono di intensità pari a 10^-12 watt/m² . Se la stessa sensibilità si avesse anche per suoni di frequenza minore, l’orecchio sentirebbe anche i rumori di funzionamento corporei, ad esempio il sangue che scorre, e ciò sarebbe ovviamente molto fastidioso; si potrebbe perfino sentire il ‘rumore di fondo’ delle oscillazioni del timpano generati da urti browniani di molecole dell’aria contro di esso e l’ampiezza di tali oscillazioni sarebbe minore del diametro dell’atomo di idrogeno. Per fortuna non è così, ma ciò rende idea di quanto grande sia la sensibilità dell’udito umano.  

“Se andate in una speciale stanza insonorizzata usata per testare l'udito, sarete colpiti da quanti suoni interni al corpo si sentono. La maggior parte di questi suoni sono trasmessi attraverso la conduzione ossea all'orecchio interno. Questi suoni sono scarsamente rilevati dall’orecchio, che è ottimizzato per i suoni che arrivano attraverso il timpano. In generale, un suono deve essere circa 40dB più intenso per essere sentito per conduzione ossea che per essere sentito per conduzione aerea” (9).

E che dire dell’olfatto in alcuni animali?

il maschio della falena Bombix sente l’odore del feromone rilasciato dalla femmina che si trova a diversi chilometri di distanza, anche se ne capta solo una molecola: anche in questo caso la rilevazione è la minima possibile e la sensibilità quella massima, con una interazione a livello di singole molecole (10).

(continua)

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Note e crediti

(0) la foto è tratta da Pixabay.com

(1) Christopher Cherniak - Brain Wiring Optimization and Non-genomic Nativism

in: Massimo Piattelli-Palmarini, Juan Uriagereka e Pello Salaburu - Of minds and   language

(2) si veda Christopher Cherniak op. cit. pag 115

(3) Christopher Cherniak op. cit. a pag. 117

(4) Si veda l'articolo di Ji-Huan He, Juan Zhang - Fifth dimension of life and the 4/5 allometric scaling law for human brain - Cell Biology International 2004

(5) Massimo Piattelli Palmarini e Jerry Fodor – Gli errori di Darwin – Feltrinelli 2010 a pag. 99

(6) Massimo Piattelli Palmarini e Jerry Fodor op. cit. a pag. 98

(7) Christopher Cherniak op. cit. a pag. 108

(8) Ronald Boothe HechtShlaer Pirenne First Experiment

(9) Muhannad Sami - Physicsof the Ear and Hearing

(10) si veda ad esempio qui