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Il vivente: dall’ottica meccanica a quella chimica

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Articolo 14/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniIn questo lavoro vorrei evidenziare, in un campo non chimico, l’uso delle molecole come mezzo esplicativo. Per quanto detto, molti sono i settori e gli argomenti che potrebbero essere usati per questo scopo in quanto ogni aspetto “materiale” ha una sua controparte chimica. Abbiamo scelto di volgere lo sguardo alle possibilità che il vario e complesso mondo molecolare offre all’animato. Le ragioni sono abbastanza ovvie da non necessitare di ulteriori precisazioni.

robot a forma di artropodeAlla nascita della scienza moderna, il programma scientifico riguardante il vivente, delineato da Cartesio per la prima volta nel Discours de la méthode (1637), era fondato sulla convinzione che tutte le funzioni vitali degli organismi, anche le più complesse e indecifrabili, fossero in definitiva riconducibili a processi e relazioni di tipo fisico-meccanico. Tale programma aveva lo scopo di riportare le misteriose forze della vita all’ambito di tecniche di analisi e di controllo tipicamente fisico. Il principio dell’unità e dell’uniformità della natura, che d’ora in poi costituirà una delle grandi eredità del meccanicismo, puntava a fare della biologia e della medicina una semplice sezione della fisica, soggetta agli stessi procedimenti logico-matematici e alla stessa legalità scientifica.

Il progetto di una meccanizzazione della fisiologia animale, perseguito con particolare coerenza da Cartesio, aveva rivelato notevoli possibilità di realizzazione pratica nel campo della circolazione sanguigna e delle funzioni legate al movimento muscolare. Nell’indagine di altri processi fisiologici, come la digestione e la respirazione, appariranno più funzionali le prospettive teoriche della tradizione chimica. L’idea che esistesse una conformità tra i fenomeni chimici e quelli fisiologici, che si riassumeva nell’identificazione dell’organismo con una macchina chimica, affondava le sue radici addirittura nella scienza galenica ed era stata rilanciata con grande clamore in epoca moderna da Paracelso e Johann Baptista van Helmont.

cuore e polmoni in disegnoDopo Cartesio, la storia della biologia può essere considerata come il modo in cui si è conciliata la visione meccanica con quella chimica e, quindi, esemplificata dall’opposizione di una visione fisica del vivente contro una chimica. All’interno degli esseri viventi, la strada meccanica sarà articolata sugli organi, la chimica sulle loro funzioni. L’evoluzione dalla meccanica alla chimica è bene esemplificata nell’evoluzione della fisiologia. All’inizio troviamo una “fisiologia degli organi”, che pone in primo piano la loro struttura, seguita poi da una “fisiologia delle funzioni”, che mette in primo piano le attività chimiche che in tali organi avvengono, attività relativamente indipendenti dall’anatomia, poiché la stessa funzione può essere assicurata da organi molto differenti.

Il passaggio dall’ottica fisica a quella chimica coincide in parte con il passaggio della chimica che si occupa del vivente dalla chimica biologica, alla biochimica e, infine, alla biologia molecolare. Queste tre sottodiscipline formano un continuum nel quale è difficile stabilire dei limiti stretti che definiscono ciascuna di esse. Tuttavia, sebbene questi tre ambiti abbiano una grande parentela, essi rappresentano anche tre approcci chimici diversi al vivente e lungo il percorso ideale che dalla chimica biologica va alla biologia molecolare si ha un aumento dell’importanza del concetto di organizzazione. Da un punto di vista storico, esse non sono un semplice prolungamento l’una delle altre. La chimica biologica è la prima delle tre. La biochimica appare quando la chimica biologica ha già avuto un certo sviluppo, ma non si sostituisce totalmente da essa, costituendo un percorso parallelo, con un suo sviluppo, finché la chimica biologica regredisce e scompare. A partire da un certo stadio della biochimica, nasce la biologia molecolare e si sviluppa, senza sostituirsi alla biochimica.

cellule viventiGuardandole un po’ più da vicino, la chimica biologica è la chimica che studia l’essere vivente, non preoccupandosi affatto dell’organizzazione e delle strutture dove si sviluppano le reazioni chimiche: l’essere vivente è un sacco dove avvengono delle reazioni chimiche, studiate singolarmente. La biochimica inizia ad occuparsi dell’organizzazione grazie alla nozione di enzima. Gli enzimi introducono la specificità e un certo ordine nelle reazioni chimiche: non tutte le reazioni chimiche si realizzano (perché alcune sono privilegiate attraverso la catalisi enzimatica) e vi è una certa sequenzialità nelle reazioni, con alcune avvengono prima di altre. Poiché la loro attività è funzione della loro struttura, compare anche la nozione di ordine strutturale e la cellula diviene un sacco di enzimi, dove ciascuno ha una sua specificità e una sua organizzazione definita. Infine, la biologia molecolare fa della struttura delle molecole e della loro organizzazione il suo oggetto principale. Da prima, legando l’attività enzimatica alla struttura geometrica delle proteine (stereochimica), poi introducendo la nozione di regolazione allosterica dell’attività enzimatica (una regolazione dovuta al cambiamento della forma dell’enzima) e, infine, legando l’ereditarietà alla struttura molecolare degli acidi nucleici, considerati come la “materia genetica”.

mosto d'uva in fermentazione

mosto d’uva in fermentazione

Un buon esempio di un problema della chimica biologica è lo studio della fermentazione. Per J. von Liebig la spiegazione di tale processo era puramente chimica, dovuta a un movimento molecolare. Dall’altra parte, c’era T. Schwann che riteneva che la fermentazione necessitasse di microorganismi vivi (il lievito). Per Liebig, non era necessario nessun essere vivente nella fermentazione. Per lui il lievito era in decomposizione e il movimento di questa decomposizione, trasmesso allo zucchero, lo trasformava in alcool. In questo Liebig era lontano anche da Pasteur che poi imporrà, contro Liebig, la spiegazione della fermentazione come un’attività vitale del lievito, che significava un ricorso a una spiegazione irriducibile alla sola chimica. Accanto alle fermentazioni, la chimica biologica cercava di spiegare le diverse funzioni fisiologiche (e Lavoisier era stato il primo in questo campo studiando la respirazione) e, da un certo punto in poi, anche di sintetizzare artificialmente molecole di interesse biologico. Nel XIX secolo il più importante tentativo di studio delle funzioni fisiologiche fu quello dello studio della digestione e tra la sintesi di molecole di interesse biologico la più famosa fu quella dell’urea nel 1828 da parte di F. Wöhler. La chimica biologica, inoltre, si occupò dell’analisi della materia degli esseri viventi, identificando le differenti classi di composti.

È difficile fissare una data di nascita della biochimica perché si è a lungo sovrapposta alla chimica biologica. Fu probabilmente la scoperta delle proteine e la scoperta della loro azione enzimatica il punto di cesura tra la chimica biologica e la biochimica. A partire da questo momento, infatti, vengono studiate delle reazioni chimiche specifiche degli esseri viventi, quelle catalizzate dagli enzimi. Questo portò nella seconda parte del XIX secolo a un risorgere delle idee che legavano la vita a una sostanza speciale, in questo caso identificata con le proteine, come nel caso delle teorie protoplasmatiche di E. Haeckel e seguaci, dove il protoplasma era composto principalmente (anche se non esclusivamente) di proteine. Queste teorie si sono prolungate nel XX secolo, dove le proteine saranno considerate come le molecole caratteristiche della vita, fino agli anni Cinquanta, momento in cui questo ruolo passò al DNA.

effetto caduta di una goccia di latteUn ostacolo alla comprensione della catalisi enzimatica fu la difficoltà di capire la natura chimica delle sostanze azotale (proteine), di concepirle come differenti sostanze e come macromolecole distinte e, nel caso degli enzimi, di capire la specificità di ognuno di essi all’interno di un complesso di reazioni (metabolismo). Questo ostacolo prese la forma di una teoria importante alla fine del XIX secolo e all’inizio del XX, la teoria dei colloidi. Lo stato colloidale è uno stato vischioso, gelatinoso, intermedio tra lo stato solido e quello liquido. Il problema è che la materia allo stato solido ha una forma fissata e non possiede un suo tempo di modifica, mentre allo stato liquido non ha una propria forma e neppure una sua temporalità perché tutte le modificazioni sono troppo rapide, quasi istantanee. Per schematizzare le attività della materia vivente, occorreva invece qualcosa di intermedio e fu trovato nello stato colloidale.

Venendo alla biologia molecolare, essa utilizzerà principalmente un altro mezzo per introdurre nell’analisi chimica del vivente l’organizzazione dello stato solido, passando dal livello delle soluzioni (colloidali) alle molecole individuali, alla loro forma, alla loro configurazione spaziale, e al ruolo che questa (come un’organizzazione “solida”) gioca nella loro reattività chimica. In altre parole, l’organizzazione che si considera adesso non è l’organizzazione dell’organismo, ma quella della molecola, dove la forma di quest’ultima è ordinata come un solido. Affinché la biologia molecolare si potesse sviluppare, occorreva che le diverse proteine non fossero più considerate come un substrato gelatinoso indistinto, ma come tante molecole differenti, ognuna con una sua forma ben definita, ma suscettibile di modificarsi sotto l’azione di diversi agenti.

L’idea di un’attività enzimatica legata alla geometria di queste sostanze era stata formulata da Emil Fischer e Hans Thierfelder. Nel 1894, Fischer propose il celebre modello della chiave e della serratura, dove l’enzima e il substrato su cui doveva agire dovevano legarsi l’un l’altro come la chiave e la serratura. La concordanza geometrica delle loro molecole era la condizione necessaria per produrre la reazione. Dice Fischer:

“Per utilizzare un’immagine, direi che l’enzima e il glucoside devono andare insieme come la serratura e la chiave, per effettuare una reciproca azione chimica. Una tale rappresentazione, in ogni caso, ha guadagnato plausibilità e valore attraverso le ricerche stereochimiche, dopo che lo stesso fenomeno è stato trasportato dal regno biologico a quello della chimica pura.”

modifica conformazionale nell'interazione enzima-substrato

È comunque importante sottolineare che Fischer non conosceva la forma reale delle molecole di enzima (la forma della serratura) che stava studiando e egli la supponeva a partire dalla forma più semplice delle molecole di zucchero (la forma della chiave) che utilizzava. In tutti i casi, con questo principio stereochimico, la chimica del vivente si differenziava dalla chimica dell’inanimato. Si può considerare che il modello chiave-serratura è il punto di partenza della biologia molecolare, anche se questa denominazione verrà molto più tardi. Da questo punto in poi è la forma delle molecole il centro della spiegazione biologica.

Le principali tappe e problematiche della biologia molecolare (simili al caso mostrato degli enzimi) si ritrovano poi quasi identiche nello studio degli acidi nucleici (DNA, RNA). Notiamo solamente che nel caso delle proteine la parte principale della spiegazione è affidata alle strutture secondarie, terziarie e quaternarie (forma spaziale delle proteine), mentre nel caso del DNA e RNA è la struttura primaria (successione dei nucleotidi) che svolgerà il ruolo principale. Anche la doppia elica del DNA, e il suo “uso” nella duplicazione, o il trasferimento dell’informazione dal DNA al RNA sono esempi del modello chiave-serratura. Ora abbiamo che la serratura serve per generare la chiave e viceversa.

storia della biologiaConcludendo, lungo la storia della biologia, l’alternativa è sempre stata (esplicitamente o implicitamente) tra una visione “passiva” della materia, e con proprietà (come la vita) generate dalla sua organizzazione (meccanica) spaziale, e una visione “attiva” della materia (come quella chimica), ma le cui proprietà (compresa la vita) dovevano essere inglobate negli elementi costitutivi, fossero essi le particelle vive o una materia organica specifica. Questa due strade alternative sono sempre stata presenti anche in chimica, dove l’ottica atomica e la sua organizzazione spaziale nelle molecole non è mai riuscita a spiegare il “nuovo” che emergeva quando si formava una molecola.

L’ottica sistemica, quella della complessità sistemica, invece, ci dice che ogni ente strutturato/organizzato, ogni sistema, è differente dai costituenti e le sue proprietà non sono collegate linearmente a quelle dei costituenti e questo vale sia per il sistema-molecola sia per il sistema-cellula. Gli enti costituenti hanno, infatti, loro specifiche proprietà (non è materia passiva), ma quando si mettono insieme per formare un nuovo sistema, si ottiene l’emergere di nuove proprietà. Per poter spiegare il “nuovo” che emerge, occorre mettere in evidenza che i costituenti sono essi stessi dei sistemi e che, in virtù della loro struttura/organizzazione, si modificano nell’entrare nella composizione del nuovo sistema. Similmente, questo approccio sistemico ci spiega come particelle non-viventi come le molecole, organizzate insieme all’interno della cellula, creano un’entità nuova, un nuovo sistema, che ha la fondamentale proprietà nuova della vita. L’opposizione, quindi, tra proprietà e organizzazione, tra materia attiva e passiva, è eliminata dicendo che è vero che le caratteristiche originali dei costituenti (le loro proprietà e la loro attività) preesistono al sistema, ma esse sono modificate per avere nuove proprietà e attività dall’organizzazione che, tuttavia, non va intesa come semplice organizzazione spaziale e meccanica. In pratica, abbiamo sistemi che, interagendo, costituiscono nuovi sistemi: sistemi-atomi che formano sistemi-molecole, sistemi-molecole che costituiscono sistemi-cellule, ecc.

 

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