L'autocontrollo

Ogni organismo vivente è in grado di esercitare l'autocontrollo su una moltitudine di funzioni e di comportamenti: sintesi delle proteine, traiettoria verso una meta, fuga da un predatore, accumulo di scorte.... 

Simile attitudine - senza la quale la sopravvivenza sarebbe brevissima - merita un esame accurato nei suoi principi, esame che diventa semplice facendo riferimento a vicende comuni della vita quotidiana.

Molte apparecchiature della moderna tecnologia misurano il livello raggiunto da una qualche grandezza fisica (pressione, livello idrostatico, livello termico) entro un sistema, lo confrontano con un livello prefissato e, se esiste discrepanza, intervengono sul canale di alimentazione dal quale dipende quella grandezza, in modo da correggere l'errore. 

Tutti questi casi hanno in comune il continuo ritorno alla fonte di un messaggio (o di un semplice segnale nel terzo caso) per effettuare un confronto con la condizione desiderata allo scopo di effettuare eventuali correzioni, cioè per un perenne controllo. Questo ritorno viene indicato col termine italiano di retroazione o con quello inglese di feedback (che si traduce 'nutri di ritorno').

La biologia è ricchissima di esempi di autocontrollo realizzato attraverso la retroazione, soprattutto nei settori della fisiologia, della genetica e dell'etologia, sicché è molto opportuno considerare con attenzione gli schemi logici e operativi che presiedono ad esso. Il controllo si estende a tutti i campi: la crescita, la fisiologia, la psicofisiologia. In quest'ultimo campo ne facciamo esperienza molto frequentemente. 

Ogni persona, quando conversa, si ascolta - sia pure senz'esserne chiaramente consapevole - e confronta quanto va dicendo con ciò che sta pensando. A volte il confronto segnala che la parola ha tradito il pensiero: 

è stato storpiato un vocabolo, è stata detta una parola in luogo di un'altra, si è usato un tono non giusto. In tali casi si chiede scusa e si rettifica.

Autoregolazione e stato stazionario

I dispositivi di confronto tra due segnali, nonché i canali di retroazione (o di feedback) sono elementi essenziali sia per l'autocontrollo dello stato interno d'un sistema, sia per l'autocontrollo della traiettoria di un sistema che ricerca una meta. 

I sistemi di autoregolazione sono familiari a chiunque poiché sono inseriti in apparecchiature di uso quotidiano: nel ferro da stiro il termostato garantisce che la temperatura più adatta alle stoffe da stirare venga mantenuta costante, nel frigorifero il termostato garantisce il mantenimento della temperatura adatta alla conservazione delle derrate, nelle radio sono inseriti dispositivi 'antievanescenza' che compensano l'affievolirsi del segnale ricevuto e così garantiscono che l'intensità del suono emesso dai diffusori non diminuisca. Altri dispositivi di questo tipo sono collegati ai serbatoi di aria compressa, ai carburatori delle automobili, ecc.

Il parametro sotto controllo viene detto in stato stazionario: la stazionarietà, talvolta chiamata impropriamente equilibrio, è una condizione molto importante dei dispositivi tecnici e dei viventi: è quella in cui le entrate e le uscite si bilanciano in modo automatico, pur oscillando, a volte ampiamente, intorno al valore ottimale, creando ora debiti ora crediti nei riguardi dell'ambiente circostante. Bisogna però notare che un dispositivo di controllo può garantire lo stato stazionario di un sistema solo entro un ambito ben definito: il termostato della caldaia garantisce la temperatura ideale all'appartamento solo a patto che la temperatura esterna non scenda troppo in basso, le 'prove di carico' alle quali un medico sottopone un malato dicono entro quali limiti un apparato o un organo garantisce la stazionarietà di un parametro fisiologico.

Esistono anche dispositivi che controllano la rotta degli aerei, delle navi e dei missili, ma sono meno familiari di quelli sopra accennati, e ancora meno noti ai più sono i dispositivi di controllo che regolano la produzione delle grandi industrie e il rifornimento dei loro magazzini. Tutti comunque funzionano secondo la medesima logica e trovano il loro esatto corrispondente negli organismi più diversi. Se c'è una differenza questa riguarda il fatto che il controllo in biologia è immensamente più antico e più raffinato del controllo tecnologico : in una singola cellula batterica, del volume di un paio di micrometri cubici, sono contenute alcune centinaia di dispositivi di controllo che riguardano la concentrazione di molte sostanze chimiche, la velocità di sintesi di prodotti complessi, la traiettoria che l'organismo descrive nello spazio, al fine di trovare le condizioni migliori di vita, eccetera.

La regolazione di grandezze fisiche e chimiche viene indicata con il nome di omeòstasi e agli apparati corrispondenti vien dato il nome di omeòstati. La regolazione delle traiettorie nello spazio viene indicata con il termine di omeorresi. Detto termine, o anche il termine di omeòstasi, viene adoperato per indicare i processi di regolazion enel tempo che hanno luogo durante lo sviluppo degli organismi. 

Esempi di omeòstasi sono quelli della regolazione del tasso di glucosio nel sangue, quello della regolazione termica. Esempi di omeorresi li troviamo presso quei Protozoi che risalgono il gradiente di concentrazione di un soluto nell'acqua in cui dimorano e raggiungono così il loro nutrimento, li troviamo presso gli automobilisti che guidano la propria macchina utilizzando come riferimento il ciglio della strada. Esempi di regolazione dello sviluppo li troviamo all'opera della riproduzione di tutti i viventi, uomo compreso, se falliscono compaiono i 'mostri'.   

Il canale di retroazione

Qualunque processo di regolazione esige - come è stato detto sopra - l'esistenza di un canale di retroazione, o di feedback. Questo canale riceve i comandi da un elemento di misura, il comparatore che li trasmette ad un effettore che, agendo sulla alimentazione, corregge il parametro sotto controllo del sistema in questione. 

Negli omeostati detti 'a retroazione negativa' la correzione viene effettuata in modo da annullare la differenza registrata dal comparatore. Negli omeostati 'a retroazione positiva' la differenza registrata non viene annullata, bensì incrementata; questi omeòstati sono di solito con 'fuga a zero' tendono cioè a portare a zero il segnale che funge da stimolo. Di questo ultimo tipo sono i dispositivi che controllano la completa digestione del cibo: la secrezione degli enzimi inizia quando il cibo giunge nello stomaco e dura fino alla idrolisi completa di esso.

Nei dispositivi che controllano le traiettorie, la correzione può avvenire per retroazione negativa come nel caso della navigazione regolata dal mantener costante l'angolo rispetto ad un allineamento dato. Può avvenire per retroazione positiva con 'fuga a zero' come nel caso di rotta di fuga con progressivo allontanamento dalla fonte di pericolo di un animale che fugge il predatore. Può avvenire per retroazione con 'fuga all'infinito'. In quest'ultimo caso il programma tende a rendere massimo il segnale in arrivo: è il caso del predatore che, cercando la massima concentrazione dell'odore della preda entra in rotta di collisione con essa. 

Oltre al canale di feedback sono componenti degli omeostati: l'elemento di misura, il sensore e l'effettore.

A proposito dell'effettore occorre fare una distinzione: esso può funzionare o come un interruttore, o come una pompa. L'interruttore agisce su un flusso di energia o di materiale che si muove spontaneamente nella direzione utile, mentre la pompa agisce su energia o su materiali che non si muovono o, se si muovono, vanno in direzione opposta a quella utile. L'interruttore consuma quantità trascurabili di energia, la pompa ne consuma molta.

Esempi calzanti tratti dalla vita quotidiana sono quelli del termostato del ferro da stiro, in cui l'effettore è un semplice interruttore, ovvero il termostato del frigo in cui l'effettore è un compressore che utilizza molta energia. 

Esempi biologici di strutture che funzionano come interruttore lo troviamo nel diaframma irideo che regola l'ingresso di luce nell'occhio, ed in genere negli sfinteri, mentre sono esempi di organi che funzionano come pompe il cuore e il rene, il torace che provvede alla ventilazione polmonare. 

Regolazione dei livelli e delle scorte

 Quando vi è regolazione del livello di un qualche materiale, o di una qualche forma di energia, l'effettore agisce sul loro deflusso dal sistema o sul loro afflusso nel sistema, o in ambo i modi. 

Esempio ben noto, tratto dalla fisiologia degli animali superiori, è quello della regolazione della temperatura (o livello termico) del sangue di uccelli e mammiferi. L'abbassamento della temperatura corporea è ottenuto, a seconda delle circostanze, o mediante dispersione del calore, o attraverso una riduzione delle combustioni interne. L'innalzamento della temperatura è ottenuto mediante processi opposti: riduzione della perdita di calore e incremento delle combustioni interne.

Altri esempi riguardano la regolazione della concentrazione degli ormoni nel sangue dei vertebrati o le regolazione degli ioni calcio.

Il problema della regolazione delle scorte può apparire a prima vista meno rilevante di quello che concerne i livelli e le concentrazioni di sostanze fisiologicamente attive. Se però consideriamo a fondo le cose, ci accorgiamo che per una cellula, che deve aver costantemente a disposizione molte e diverse materie prime per i suoi processi di sintesi, ma che non può superare certe dimensioni, qualunque eccesso, così come qualunque deficienza, rappresenta un grosso inconveniente. In una cellula, come nel magazzino di un'industria, le scorte devono essere commisurate ai consumi e quindi accumulate seguendo criteri ben precisi affinché non insorgano intasamenti o sprechi.

La regolazione delle scorte può avvenire a livelli diversi. A volte è lo stesso prodotto finito che, raggiunta la concentrazione ottimale, blocca gli enzimi che hanno provveduto a sintetizzarlo.

Poiché gli enzimi sono proteine che vengono fabbricate all'interno della cellula in base all'informazione genetica, per la cellula è opportuno e anche possibile regolarne la produzione: allorché manca il substrato da digerire, ad esempio, cessa la produzione degli enzimi idrolitici, ormai inutili .

Mentre nel primo caso la regolazione delle scorte è ottenuta fermando le macchine che le producono, o le introducono, nel secondo caso la regolazione viene ottenuta interrompendo la produzione delle macchine stesse.