E' possibile spiegare con un'unica teoria fisica i diversi modi di locomozione che assumono gli animali?
Il Journal of Experimental Biology pubblica questo mese un articolo che reca la firma di Adrian Bejan, professore di Ingegneria Meccanica presso la Duke University's Pratt School of Engineering, e James Marden, biologo della Pennsylvania State University.
Bejan propose gia' nel 1996 la cosiddetta Teoria Construttale: essa intendeva spiegare il moto dei corpi fisici in termini di flusso di materia, e affermava che le modalita' di moto assunte tendono a minimizzare l'energia dissipata (attrito ed altri tipi di resistenza) dal sistema in oggetto. Questa teoria e' stata in passato applicata ai piu' diversi sistemi meccanici "inanimati", come il traffico veicolare o la corrente dei fiumi, ed oggi viene chiamata in causa per spiegare il movimento degli oggetti biologici. Gli autori affermano infatti che tutti gli animali sono disegnati per rispondere, dal punto di vista del movimento, a principi prevedibili dalla fisica, e quindi i vari modi di locomozione, anche i piu' diversi, sono assolutamente correlati.
Dal punto di vista evolutivo, si potrebbe quindi avanzare l'ipotesi che molte caratteristiche della locomozione degli animali possono essere previste da leggi fisiche.
La fisica applicata nella Teoria Construttale si basa esclusivamente sui concetti di gravita', densita' e massa: attraverso di essi e' possibile spiegare le caratteristiche del volo, del nuoto o del moto sulla terra degli animali. Si possono cosi' prevedere, a partire dalla massa e dal mezzo in cui l'animale si muove, la velocita', la forza e la frequenza dei possibili movimenti. Gli animali corridori, ad esempio, hanno un passo che si correla alla massa corporea esattamente allo stesso modo di come i pesci presentano la frequenza del movimento del corpo correlata alla loro massa. Anche se le parti meccaniche coinvolte possono essere differenti, esistono forti convergenze nelle caratteristiche funzionali delle stesse. Lo scopo ultimo, in ogni caso, e' di coprire la massima distanza possibile spendendo la minima quantita' di energia.
La ricerca di una teoria unificante ha impegnato James Marden fin dagli anni '80 quando, analizzando la variabilita' delle prestazioni di volo di insetti, uccelli e chirotteri, si rese conto che questa dipendeva quasi esclusivamente dalla relazione tra la massa corporea e la massa muscolare degli organismi considerati: tutte le altre caratteristiche (grandezza delle ali, struttura di alcune parti ecc.) erano pressoche' irrilevanti. Il mistero e' perdurato a lungo, fino a quando, nel 2002, un suo articolo sul Proceedings of the National Academy of Sciences mise in evidenza che animali, uomo, motori e jet mostrano una relazione tra forza prodotta e massa corporea che presenta lo stesso limite superiore, indipendente da meccanismi e materiali. In quello stesso periodo Bejan stava applicando la sua Teoria Construttale e dimostrava una relazione comune tra velocita' di volo e massa di oggetti tanto differenti come un moscerino e un Boeing 747.
I due ricercatori si sono finalmente conosciuti nel 2004, e cio' ha avuto l'effetto di dare a Marden una solida base teorica per spiegare le sue decennali evidenze, nonche' a Bejan la possibilita' di estendere la sua Teoria Construttale ad altre modalita' di movimento degli animali. L'articolo pubblicato in questi giorni propone il frutto di questi anni di lavoro. Lo sforzo finale e' stato quello di includere in questo disegno gli animali nuotatori: sebbene essi mostrino la stessa relazione tra massa corporea e velocita' di quella presentata dagli altri animali, occorreva spiegare come la gravita' potesse essere inclusa nel modello, visto che notoriamente i pesci vengono ritenuti "senza peso" nell'acqua (la loro tendenza a galleggiare viene controbilanciata dalla forza di gravita'). Bejan ha risolto questo problema osservando che i pesci per procedere devono comunque spingere l'acqua davanti a loro verso l'alto (le altre parti del sistema sono rigide): anche i pesci, dunque, devono vincere la gravita' per sollevare una quantita' d'acqua pari alla loro massa corporea per ogni tratto orizzontale, pari alla lunghezza del loro corpo, che essi percorrono.
Cosa puo' insegnare questo lavoro dal punto di vista evolutivo? Secondo Marden, sebbene la Teoria Construttale non possa prevedere esattamente la forma e la struttura degli animali, si puo' assumere che in condizioni simili di gravita' e densita' dei tessuti animali, su altri pianeti l'evoluzione procederebbe a riprodurre gli stessi modelli.
Paola Nardi
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