La ricerca della complessità: proprietà emergenti

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«More is different», sostiene Philip Warren Anderson, premio Nobel per la fisica nel 1977. L’insieme è, spesso, più della somma delle sue parti. Perché presenta, spesso, proprietà che non sono la semplice somma delle proprietà delle sue parti. Presenta proprietà emergenti. Difficilmente prevedibili studiando le sue singole componenti.
La vita, il cervello, la coscienza. La mente capace di assumere decisioni coscienti e (forse) libere. Spesso, nel corso della storia cosmica, sono apparse nuove organizzazioni della materia con proprietà difficili da spiegare sulla base delle sole proprietà dei loro costituenti. Queste nuove proprietà della materia sono state chiamate, appunto, proprietà emergenti. E caratterizzano così tanto la storia naturale, da indurre Karl Popper a scrivere che «viviamo in un universo di novità emergenti». E da originare un’intera scuola di pensiero evoluzionista, la scuola degli emergentisti.

Il primo, probabilmente, a parlare di proprietà emergenti, già nel 1868, è stato Thomas H. Huxley, il biologo amico di Darwin e araldo dell’evoluzionismo. L’inglese pensava che gli organismi viventi presentassero numerose caratteristiche emergenti che li rendevano diversi dai sistemi inanimati. Tuttavia Huxely non pensava che le novità emergenti fossero un’invenzione dell’evoluzione biologica. Anzi, sosteneva che le novità emergenti sono presenti anche nel mondo fisico. E faceva l’esempio dell’acqua. Le sue proprietà, la sua «acquosità», sono ben difficili da spiegare sulla base delle proprietà chimiche e fisiche dei suoi elementi costituenti, l’idrogeno e l’ossigeno. 
Tuttavia colui che potrebbe essere considerato, a giusta ragione, il padre fondatore della scuola di pensiero emergentista è stato un altro biologo evoluzionista, Lloyd Morgan, che nel 1894 scriveva: «A diversi gradi di organizzazione, le configurazioni materiali esibiscono fenomeni nuovi e inaspettati, e questi includono le caratteristiche più salienti del meccanismo adattativo». Secondo Morgan che la vita e la sua evoluzione per selezione naturale del più adatto sono, appunto, fenomeni emergenti.

Oggi, a distanza di ben oltre un secolo dalle considerazioni di Huxley e Morgan, la riflessione sui fenomeni emergenti è più che mai attuale. L’emergenza, per esempio, è uno dei grandi temi intorno a cui ruota la discussione nel più generale e controverso dibattito sulla complessità.
Ma è possibile definire in modo più rigoroso cosa intendiamo per proprietà emergente? Alcuni sostengono di sì. Il biologo Herbert Simon, per esempio, ha proposto che devono essere considerate emergenti quelle caratteristiche dei sistemi nel loro insieme che «non possono (nemmeno in teoria) essere dedotte dalla più completa conoscenza delle componenti, prese separatamente o in altre combinazioni parziali». Gerald Edelman, grande esperto di immunologia e autore di una sua teoria della mente, e i suoi allievi – tra cui l’italiano Giulio Tononi –  ritengono che la coscienza dell'uomo sia davvero una proprietà emergente. Perchè non può essere dedotta, nemmeno in linea di principio, dalla completa conoscenza dei neuroni e delle loro parziali combinazioni.
Le proprietà emergenti, possono, naturalmente, essere parte di sistemi di livello più elevato e influire sulle proprietà delle componenti ai livelli inferiori. E, infatti, la coscienza di un uomo può essere parte di un sistema più grande, la società umana. E l’economia umana. Ma può anche influire sul comportamento delle singole componenti del corpo: posso, in coscienza, decidere di attivare i miei muscoli alzando un braccio, o mobilitare gli  ormoni sessuali, o far lavorare gli enzimi dell’apparato digerente.

Anche i fisici hanno cercato di definire le proprietà emergenti. Per Philip Anderson, per esempio, l’emergenza è una proprietà collettiva della materia che nessun componente del collettivo possiede singolarmente. Anche lui propone l’esempio dell’acqua. Prendete una molecola di questo comunissimo liquido. In essa, rileva Anderson, non c’è nulla di particolarmente complicato. C’è un grosso atomo, l’ossigeno, legato a due piccoli atomi di idrogeno. Il comportamento di una molecola d’acqua è descritto (con qualche difficoltà di carattere pratico) da note equazioni della meccanica quantistica. Ma mettiamo insieme miliardi e miliardi di molecole di acqua in un recipiente, a temperatura e pressione ambiente. Vedremo questo collettivo di molecole che inizia a gorgogliare, a gocciolare, a luccicare. Le molecole hanno acquistato una proprietà collettiva: sono diventate un liquido. Nessuna di esse, presa singolarmente, può essere definita una molecola liquida. Lo stato liquido, conclude Anderson, è una proprietà emergente. Una proprietà che è sola dell’insieme di molecole.

Le proprietà emergenti producono spesso comportamenti emergenti. Mettete quell’acqua nel freezer e quando la sua temperatura sarà giunta a 0 °C vedrete che l’insieme di molecole subirà una transizione di fase, diventando solida. Oppure mettete l’acqua sul fuoco, e a 100 °C la vedrete bollire e diventare vapore.
Nessuno di questi due comportamenti, nessuna di queste due transizioni di fase, ha significato per una singola molecola. Entrambe sono caratteristiche irriducibili dell’insieme. A meno di non sapere cosa e dove andare a cercare, e a patto di avere gli strumenti fisico-matematici per farlo, è molto difficile che le equazioni della meccanica quantistica lascino intuire che le molecole di acqua tra 0 e 100 °C e a pressione ambiente avranno la proprietà di un liquido.
Così il tempo meteorologico è una proprietà emergente delle molecole che compongono l’atmosfera; la vita è una proprietà emergente, delle molecole che compongono le cellule; la mente è una proprietà emergente delle molecole che compongono il cervello.
Le proprietà emergenti sono considerate una delle caratteristiche che rendono complesso un sistema. E, in particolare, sono le caratteristiche che rendono strutturalmente infondato ogni progetto di riduzionismo teoretico, ovvero ogni tentativo di spiegare il comportamento dei sistemi complessi con le leggi generali che governano il comportamento dei loro costituenti elementari.  
Spesso i suoi critici accusano la filosofia emergentista di proporre una nuova ferma di vitalismo. Ovvero di sostenere una specificità costitutiva, una specialità, dei sistemi complessi e, in particolare, dei sistemi biologici.
In realtà l'emergentismo è una filosofia strettamente materialistica, perché del tutto compatibile con il riduzionismo costitutivo. Le proprietà emergenti, infatti, non sono altro che proprietà collettive della materia. Che non possono essere pienamente studiate se non attraverso lo studio, sia analitico che olistico, di quel determinato collettivo di materia. Per tornare al nostro esempio, la coscienza non è una proprietà speciale della materia, è una proprietà collettiva della materia neuronale. Che, tuttavia, non può essere compresa o prevista studiando solo il singolo neurone e piccoli aggregati di singoli neuroni. Essa va compresa studiando anche il cervello nel suo insieme. E, probabilmente, collocandolo nello spazio e nel tempo.
L'emergentismo non è, dunque, una concezione neovitalista. Non invoca proprietà speciali della materia vivente. E non è neppure una concezione olista. L'emergentista non nega affatto l'utilità del riduzionismo esplicativo. Anzi, ritiene che esso sia necessario. Nega solo che esso sia, sempre, sufficiente.
Come dice Mayr: «I sistemi complessi devono essere studiati a ogni livello, poiché ogni livello ha proprietà che non si mostrano ai livelli inferiori».

Un'ultima chiosa, mutuata da Mayr. Per dire che certe polemiche non hanno età. Alcuni sostengono che proprietà emergente è una locuzione che, a torto o a ragione, assume connotazioni metafisiche, quasi mistiche. E che andrebbe sostituito con qualche altro termine. Alcuni fisici in tempi recenti hanno proposto proprietà collettive della materia, così come in tempi più lontani il biologo George Simpson proponeva composizione e l’etologo Konrad Lorenz, addirittura, folgorazione. Ogni termine, purché sia rigorosamente definito, naturalmente va bene. Non è il caso di fare battaglie nominalistiche. Ma nella realtà, sostiene giustamente Mayr, il termine emergenza è usato, in senso strettamente materialistico, da un così gran numero di persone che non c'è possibilità di equivoco e, quindi, non c'è ragione di abbandonarlo.
Di più. L'emergenza è accettata ormai da un numero così grande di scienziati, da non essere più un elemento veramente discriminante tra la visione riduzionista e la visione olistica o, più in generale, antiriduzionista del mondo.
L’approccio emergentista non rompe, infatti, l’unità della natura. Nè rompe la solidarietà delle scienze. I vari livelli di organizzazione della materia sono strettamente interconnessi e, insieme, dotati di notevole indipendenza. L’organizzazione della materia a livello di un batterio non viola le leggi della chimica e della fisica. Ma ha una struttura e un comportamento che non sono legate al gran numero di parti diverse interagenti che non sono interamente spiegabili, almeno in via di fatto, dalle leggi della fisica e della chimica. Se vogliamo studiare il batterio nel suo insieme, occorre  un’ulteriore livello di spiegazione: il livello di spiegazione propriamente biologico.
Che tenga conto, tra l’altro, della storia.

Nè gli elementi di interconnessione, nè gli elementi di indipendenza spiegano tutto il batterio. 
In quest’ottica strettamente materialistica, e solo in quest’ottica, ha dunque ragione il fisico Murray Gell-Mann quando sostiene che, in natura: «A ogni livello ci sono leggi da scoprire, importanti di per sé... le varie scienze, pur occupando livelli diversi, fanno parte di una singola struttura interconnessa».

Il tema della complessità verrà affrontato martedì 23 aprile – dalle 17:30 alle 19:30 – presso l'Università Bocconi di Milano durante il primo incontro pubblico interdisciplinare organizzato dal Gruppo 2003, “Prendere le Decisioni o Subire Le Decisioni. Processi decisionali e dinamiche dei sistemi socio-economici”.

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