simulazione di strutture cellulariottobre 2016

16_10_fascettaDa sempre i filosofi, più o meno esplicitamente, si sono meravigliati del fatto che la natura obbedisca a leggi che possiamo esprimere in forma matematica. Un recente corollario di questo mistero è la possibilità di riprodurre al computer certi comportamenti della natura. Grazie alla rapidità con cui vengono calcolate le soluzioni delle equazioni matematiche che costituiscono il modello di un dato fenomeno, il calcolatore è infatti in grado di generare vaste serie di dati, molto simili a quelle che si potrebbero raccogliere osservando e misurando il fenomeno che si produce negli ambiti della natura governati da quelle date leggi.
Queste serie sono così vaste e complesse da rappresentare dei veri e propri simulacri dei fenomeni reali. E per questa ragione oggi si parla correntemente di “simulazioni”, un termine che, dalle connotazioni decisamente negative che aveva nei secoli scorsi, è passato negli ultimi decenni del XX secolo a indicare un nuovo campo di lavoro e nuovi metodi per la ricerca scientifica.
Le figure che presentiamo in questo numero – e che rappresentano l’arrangiamento dei microtubuli nel fuso mitotico – sono state create con una di queste simulazioni, grazie a un programma che calcola le soluzioni di un sistema di equazioni costruito appositamente per simulare la struttura e la dinamica del citoscheletro. Il programma genera immagini del fuso tenendo conto della lunghezza, della carica elettrica, dell’articolazione e di altre proprietà dei microtubuli e degli altri oggetti presenti nella scena, nonché della viscosità e delle spinte casuali in tutte le direzioni a cui sono soggette le molecole in un ambiente liquido, normalmente associate al moto termico del fluido circostante. Per ogni oggetto il programma calcola la traiettoria a salti temporali “corti” (dell’ordine dei millisecondi), producendo una sequenza in cui ogni immagine è costruita a partire dalla precedente.
Come per le mappe e per le immagini in generale, è ben chiaro che i modelli di simulazione non possono esprimere completamente la ricchezza della realtà, in cui tutte le scale e tutte le leggi naturali interagiscono simultaneamente in un’unità che la scienza è ancora ben lontana dall’intendere.
Nelle diverse simulazioni, invece, l’accento viene volta a volta messo su forze diverse.
Nel nostro caso, per esempio, l’inerzia è stata considerata trascurabile, mentre non può esserlo in simulazioni di astrofisica o di fluidodinamica.
Ma, oltre a utilizzare specifici sistemi di equazioni, i programmi che producono una certa simulazione prevedono l’inserzione di determinati altri parametri (numeri che influenzano l’andamento delle equazioni), che vengono definiti in base all’osservazione del fenomeno che si intende simulare.
In questo caso, si tratta della complessa rete di interazioni tra diverse classi di molecole, la cui azione viene stimata in base a dati sperimentali e ipotesi teoriche che il modello serve a vagliare.
In questo modo, modelli di simulazione come quello che ha prodotto le nostre figure cercano di rendere conto non solo dei meccanismi alla base dei fenomeni descritti (in questo caso, della formazione di poli, delle dinamiche dei microtubuli, degli equilibri molecolari che ne regolano la lunghezza, ecc.), ma anche dell’estrema varietà di comportamenti che strutture simili presentano in specie diverse.

Simulazione bidimensionale della struttura del fuso durante la replicazione cellulare nelle rane del genere Xenopus. Le immagini sono state realizzate con il programma CytoSim, sviluppato nel Laboratorio di François Nédélec all’European Molecular Biology Lab di Hiedelberg. Provengono da “A computational model predicts Xenopus meiotic spindle organization” pubblicato da Rose Loughlin e François Nédélec su JCB nel dicembre 2010, e da “Katanin contributes to interspecies spindle length scaling in Xenopus” pubblicato da Rose Loughlin, et al. su Cell nel dicembre 2011.

Simulazione bidimensionale della struttura del fuso durante la replicazione cellulare nelle rane del genere Xenopus. Le immagini sono state realizzate con il programma CytoSim, sviluppato nel Laboratorio di François Nédélec all’European Molecular Biology Lab di Hiedelberg. Provengono da “A computational model predicts Xenopus meiotic spindle organization” pubblicato da Rose Loughlin e François Nédélec su JCB nel dicembre 2010, e da “Katanin contributes to interspecies spindle length scaling in Xenopus” pubblicato da Rose Loughlin, et al. su Cell nel dicembre 2011.

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