Guida alla Fisiologia

Fisiologia: oggetto
Metodo della fisiologia
Prospettive della fisiologia
Omeostasi
Retroazione positiva e negativa
Plasticità
Regolazione anticipativa
Ridondanza, pleiotropismo, compensazione
La domanda teleologica: c’è finalismo nei processi fisiologici?

Fisiologia: oggetto

La fisiologia è lo studio del funzionamento dei sistemi viventi. La materia vivente si è evoluta in diverse forme che rispondono adeguatamente ai problemi posti dall’interazione con l’ambiente. I processi fisiologici, dunque, sono il frutto dell’azione di meccanismi basati su strutture fisiche adatte allo scopo. Dal livello molecolare a quello dell’intero organismo esiste, perciò, un’inscindibile relazione tra l’aspetto strutturale e quello funzionale.

Metodo della fisiologia

Le risposte funzionali all’ambiente avvengono a tutti i livelli di organizzazione della materia, da quello molecolare (chimico) a quello individuale (biologico), e si estendono fino all’organizzazione di colonie di individui (livello sociologico). Storicamente, il funzionamento degli organismi di più grandi dimensioni veniva studiato focalizzandosi sui singoli organi, che potevano essere facilmente identificati morfologicamente, o sui sistemi d’organo dopo che iniziarono a evidenziarsi collegamenti funzionali tra strutture diverse. Nella seconda metà del XIX secolo si osserva l’organizzazione cellulare dei viventi: vengono sviluppate tecniche che permettono di evidenziare e di studiare la struttura e le dinamiche subcellulari, per arrivare alle singole macromolecole.

La fisiologia ha acquisito progressivamente nuovi livelli di indagine più dettagliati e particolari, seguendo un processo che in filosofia viene chiamato riduzionista. L’approccio riduzionista è attualmente il metodo sperimentale più diffuso, però comporta il rischio di perdere la visione d’insieme e soprattutto di trascurare le interazioni tra le diverse parti. Il controllo e il coordinamento generale delle attività dei diversi sistemi fisiologici e dei diversi organi è una funzione di primaria importanza per il corretto funzionamento degli organismi pluricellulari, che negli animali più complessi è destinato al sistema nervoso e al sistema endocrino.

Prospettive della fisiologia

Dal punto di vista fisiologico, l’interesse può essere posto principalmente sul funzionamento dell’uomo quando l’interesse è innanzitutto medico o farmaceutico, oppure sulla fisiologia animale e comparata nel caso delle discipline biologico-naturalistiche; ancora, si può essere maggiormente attenti ai punti di vista biofisici molecolari, oppure a quelli che privilegiano i processi integrativi dell’organismo, o anche agli aspetti relativi all’adattamento all’ambiente.

A dispetto di questa pluralità di approcci e di prospettive, si possono però identificare alcuni aspetti centrali che rappresentano un filo che percorre tutta la fisiologia.

Tra le caratteristiche più significative degli esseri viventi, si riconosce la capacità di trasformare energia al fine di produrre lavoro, utile all’interazione con l’ambiente, alla crescita, alla riproduzione. Questi eventi, insieme a modifiche ambientali, comportano il cambiamento dello stato di alcuni parametri interni fisico-chimici fondamentali, come la temperatura o la composizione dei liquidi extracellulari. La funzione di un sistema biologico ha in genere un carattere adattivo che si manifesta sottoforma di controlli omeostatici e modifiche plastiche.

Omeostasi

L’omeostasi risale a un concetto introdotto nel XIX sec. da C. Bernard, secondo cui la vita richiede la costanza delle condizioni dell’ambiente corporeo interno; con questo termine s’intende, quindi, la capacità degli organismi animali di mantenere costanti, almeno entro un certo livello, molti parametri chimico-fisici dei propri organi (per es. la temperatura corporea, i livelli di ossigeno e di anidride carbonica, il pH del sangue). Spesso lo scostamento di un parametro da un valore di riferimento può essere il segnale di una situazione anomala. La costanza può essere abbastanza variabile in animali diversi, con una tendenza a una minore capacità omeostatica negli animali meno avanzati nella scala evolutiva. Non bisogna pensare, però, che l’invariabilità delle condizioni sia fattore di perfezione; in realtà è molto frequente uno scostamento dei valori in risposta a stimoli, a situazioni di attività o, semplicemente, in relazione a cicli temporali naturali come l’alternanza giorno-notte o il susseguirsi delle stagioni. L’omeostasi richiede che eventuali variazioni dei parametri interni vengano prontamente rilevate e che siano eseguite azioni compensatorie. I meccanismi che entrano in azione quando si deve riportare al valore di riposo un parametro alterato obbediscono, anche in molti sistemi artificiali, alla retroazione negativa, molto diffusa negli organismi viventi, o alla retroazione positiva, più rara nei sistemi fisiologici.

Retroazione positiva e negativa

La retroazione (feedback) consiste in un circuito chiuso nel quale l’effetto prodotto su un sistema da una causa primaria (disturbo) ritorna indietro a influenzare il processo che lo ha generato. Nella retroazione negativa l’azione a ritroso agisce in modo da contrastare il disturbo, riportando il sistema alla sua condizione iniziale; essa rappresenta un modo per attuare l’omeostasi di un sistema. Nella retroazione positiva, l’effetto prodotto da un disturbo iniziale agisce retroattivamente in modo da potenziare l’azione del disturbo (sistema autorigenerativo o autocatalitico), come avviene ad es. nelle reazioni chimiche esplosive, nel potenziale d’azione degli impulsi nervosi, o nella rete di segnali endocrini che portano all’ovulazione nelle femmine dei mammiferi.

Plasticità

La controparte dell’omeostasi è la plasticità, cioè la capacità delle funzioni biologiche di modificarsi in seguito a particolari stimoli ambientali, e a perdurare dopo la loro cessazione. La plasticità implica apprendimento e rappresenta la base della capacità degli organismi di ricordare e adattarsi alle modifiche ambientali. Casi di plasticità si riscontrano nei fenomeni di modificazione della massa muscolare e delle funzioni cardiovascolari e respiratorie con l’esercizio, di modifiche persistenti dei circuiti neuronali (plasticità sinaptica) con l’acquisizione di informazioni sulla struttura dell’ambiente esterno, nel riconoscimento degli antigeni da parte del sistema immunitario (competenza immunitaria), nella modifica della sintesi enzimatica per metabolizzare l’etanolo da parte delle cellule del fegato. Quando s’instaura plasticità, il sistema coinvolto stabilisce un nuovo set-point al quale l’omeostasi tenterà di ricondurre le nuove condizioni di equilibrio. La plasticità ha basi molecolari ben definite, fondate sulla regolazione di funzioni delle proteine. Le modifiche plastiche operano su scale temporali differenti, e inoltre, in certi casi, la memoria può essere reinvertita e il meccanismo, a rigore, non dovrebbe essere annoverato tra le forme di plasticità.

Regolazione anticipativa

La plasticità consente agli organismi viventi di modificarsi in funzione delle informazioni ricevute dall’ambiente; l’acquisizione di informazioni consente ad alcuni sistemi di prevedere gli effetti del loro stesso intervento. Si parla di regolazione anticipativa (feedforward) quando il sistema di controllo conosce la dinamica temporale di un processo, ne ha una rappresentazione interna sottoforma di memoria e la utilizza per anticipare l’evoluzione del processo stesso, applicando i segnali di correzione prima di conoscere l’output del processo stesso. Questo meccanismo è ampiamente impiegato dai sistemi di controllo dinamico datati di memoria, in particolare il sistema nervoso (vedi generazione del movimento volontario). Una condizione simile si verifica nell’ansia, in cui modifiche del sistema cardiovascolare e respiratorio, dell’assetto neurotrasmettitoriale e ormonale, e l’innesco di specifici moduli di comportamento anticipano l’avvento di un pericolo reale o figurato.

Ridondanza, pleiotropismo, compensazione

Una caratteristica delle strutture organiche è quella di possedere molteplici meccanismi per la stessa funzione, che consente alle cellule e agli organismi una raffinatissima regolazione delle loro operazioni e allo stesso tempo genera ridondanza, cioè la possibilità di compensare il deficit funzionale di altri meccanismi.

Altra proprietà degli organismi viventi è il pleiotropismo, cioè il fatto che diverse funzioni possono essere sostenute dalla stessa struttura o meccanismo.

L’interazione di ridondanza, pleiotropismo, plasticità e omeostasi consente ai sistemi biologici un alto grado di compensazione e di funzionalità che permettono la sopravvivenza della specie e la caratterizzano per un alto grado di organizzazione.

La domanda teleologica: c’è finalismo nei processi fisiologici?

Una questione che si pone inevitabilmente analizzando i processi fisiologici è a quale fine essi si siano evoluti, perché i sistemi si comportano in un determinato modo che risulta funzionale alla vita.

Una prima risposta si rivolge ai livelli inferiori di complessità e si fonda sulla natura chimico-fisica dei processi: i dettagli meccanicistici generano la funzione (per es., una membrana cellulare è permeabile al sodio perché esistono specifiche molecole permeabili a tale ione).

Una seconda risposta va cercata a livello organizzativo superiore: una funzione serve per soddisfare un meccanismo più complesso (la permeabilità del sodio serve per generare il potenziale d’azione per le funzioni nervose).

La terza risposta alla domanda teleologica è evolutivo-comparativa: una certa caratteristica inferiore si è selezionata spontaneamente e ha dato origine a funzioni complesse superiori. Secondo la scienza, sotto un tale processo evolutivo non ci sarebbe un progetto che ne abbia disegnato a priori le caratteristiche, dunque la vita si sarebbe originata per interazioni casuali di energia e materia, e poi si sarebbe mantenuta ed evoluta tramite il processo selettivo (J. Monod, 2001).

Proseguire oltre nella questione teleologica porta a sfociare nel campo filosofico; nel campo scientifico, la comprensione dei fenomeni fisiologici non può che rifarsi alla visione riduzionista. Il finalismo delle funzioni biologiche va ricercato negli effetti che un meccanismo ha sulla sopravvivenza dell’individuo e della specie, e può pertanto essere letto in chiave etologica ed evolutiva.

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