Dossier

Nel libro di Erwin Schrödinger "Che cos'è la vita?", si trova un argomento alquanto convincente della necessità che la vita si manifesti con un certo grado di complessità strutturale. L'autore, da profondo conoscitore della natura intima della materia, riferisce come spesso il lavoro dei fisici si focalizzi sullo studio della struttura della materia inanimata nella quale gli atomi mostrano di disporsi a formare un reticolo cristallino elementare che si ripete periodicamente.

Quando invece si osserva da vicino la struttura della materia animata, si nota come questa struttura cristallina sia aperiodica e, per questo, alquanto irregolare. Nello spiegare la sostanziale differenza tra le due strutture, quella cristallina periodica e quella cristallina aperiodica, Schrodinger fa il paragone tra "un'ordinaria carta da parati, in cui lo stesso disegno è ripetuto indefinitamente con periodicità regolare e un capolavoro di ricamo, per esempio un arazzo di Raffaello in cui non si hanno delle semplici ripetizioni, ma un disegno elaborato, coerente, significativo, tracciato dal grande maestro".

Oggi sappiamo che alcune delle tesi del grande fisico proposte nel libro che ha ispirato generazione di biofisci tra i quali anche Crick e Watson , sono errate. Infatti Schrodinger riteneva di avere trovato nella struttura aperiodica dei cromosomi la spiegazione di come le informazioni vengono trattenute dalle cellule, ruolo ricoperto come oggi tutti sanno dalla molecola complessa del DNA, protetta all'interno del nucleo cellulare. In ogni caso, e in questo Schrodinger aveva ragione, appare chiaro come un cristallo periodico non possa veicolare se non informazione ridondante, mentre uno aperiodico, anche con pochi elementi, riesce a "ricordare" immensi quantitativi di dati.

Il compito di una tale complessità della nostra struttura secondo Schrodinger è quello di tenerci lontano dalla incredibile variabilità del mondo atomico. Se fossimo capaci di sentire l'influenza di ogni singolo atomo che impatta sul nostro corpo non potremmo sviluppare un'intelligenza come quella di cui disponiamo, presi come saremmo dal continuo afflusso di dati disordinato che ci arriva dal mondo esterno. L'avere un corpo che non ha continuamente coscienza dell'essere costituito da atomi ci permette di vivere non disturbati dai continui cambiamenti che avvengono dentro e fuori di noi a livello atomico e molecolare, permettendoci di trovare in Natura delle leggi fisiche esatte.

In realtà esse sono esatte solo da un punto di vista statistico e la vita intelligente sembra essere dovuta a questa complessità della realtà che ci fa vedere solo come i fenomeni galleggino in modo ordinato su un brulicare di caos atomico e molecolare.

Ma quali sono gli elementi chimici che possono costituire la base di una costruzione così complicata come quella di un corpo vivente? Quali sono i mattoncini della costruzione che, a lungo andare nella storia evolutiva, genera l'intelligenza? Tra tutti gli elementi chimici presenti qui sulla Terra come nello spazio, quelli più adatti a sostenere una costruzione complessa sembrano essere il carbonio, l'azoto, l'ossigeno e l'idrogeno.

La struttura esterna di alcuni elementi sembra essere incompleta. Questa loro incompletezza costituisce quasi una trappola per altri elementi che si trovino a passare vicino a loro e che rimangono intrappolati a formare aggregati chimici. Intuitivamente possiamo immaginare un atomo come una sfera liscia.

Se sulla sua superficie sferica vi sono delle scabrosità, ovvero se è ruvida in qualche punto, esso offrirà ad altri atomi- anch'essi più o meno ruvidi- una maggiore probabilità di appigliarvisi. Il processo mediante il quale atomi si appigliano con le unghie ad altri atomi può interrompersi subito o continuare teoricamente all'infinito e la grandezza di queste costruzioni di atomi dipende essenzialmente da quanto incompleti sono i gusci esterni degli elementi usati come legante, da quanto essi sono ruvidi. Il carbonio lo si ritrova nella composizione di tutti i cristalli aperiodici che compongono gli esseri viventi e per questo è l'atomo alla base della chimica detta appunto "organica". La struttura dell'atomo di carbonio presenta nel guscio esterno quattro "ganci" che gli permettono di legarsi ad altri atomi di carbonio come ad atomi che presentano un minor numero di questi appigli. In chimica si dice che l'atomo di carbonio è tetravalente indicando così che può accettare quattro elettroni da atomi che, anche loro incompleti, sono disposti a condividere i propri elettroni esterni per trovare una stabilità energetica. Possiamo vedere la cosa immaginando che due o più atomi ruvidi, agganciandosi tra loro, tentino di formare una sfera liscia più grande, una molecola.

Anche l'atomo di azoto è mancante di alcuni elettroni esterni e può quindi essere un legante tra specie chimiche. A differenza del carbonio, però, è più stabile da un punto di vista energetico mancando solo di tre elettroni e questo comporta che le catene di elementi che lo sfruttano come legante terminano prima. Detto in altro modo, l'azoto è meno ruvido del carbonio, è più liscio. Si può dare un'utile rappresentazione grafica di quanto detto finora. Rappresentiamo in una scala da uno a quattro puntini quanto sono ruvidi gli elementi carbonio, azoto, ossigeno e idrogeno. In seguito verranno usati dei trattini per rappresentare il legame tra due atomi e bisogna immaginare che a ogni capo del trattino corrisponda un elettrone (puntino) della specie chimica "ruvida" rappresentata dalla lettera vicina.

Allora vediamo brevemente che tipi di composti molecolari è possibile costruire partendo dai primi due di questi elementi

Come si può facilmente notare, dal carbonio C è possibile ottenere delle catene molto lunghe di elementi legati fra loro, catene che virtualmente potrebbero non avere fine, mentre l'azoto N che è trivalente esaurisce prima la sua capacità di aggregazione andando a formare a esempio la molecola di ammoniaca mostrata in figura.

Anche se non contiene carbonio, l'acqua mostra di essere l'elemento più abbondante in assoluto. Addirittura il totale d'acqua presente in una cellula ammonta al 70 per cento e l'importanza di questo composto è grande dato il gran numero di funzioni alle quali essa è deputata.

L'acqua è un reagente. La si ritrova come prodotto di un grande quantità di reazioni e tutte quelle che caratterizzano la biologia avvengono in essa che come solvente riesce a portare nutrimento alle cellule. Rimane liquida in un ampia gamma di temperature (0- 100° C) se confrontata con altri possibili solventi (l'ammoniaca è liquida tra -78 e -33 °C) e gelando aumenta il proprio volume riuscendo così a galleggiare sull'acqua liquida dei fiumi e dei laghi formando uno strato di protezione per la prosecuzione dei processi vitali al di sotto di esso. Inoltre vaporizzando protegge l'ambiente dall'arrivo di radiazione stellare ultravioletta che- nociva per la vita- scinde il vapore d'acqua inducendo la formazione di ozono O3 nell'alta atmosfera. La reazione chimica in cui tutta l'importanza dell'acqua e del carbonio appare evidente per l'esistenza della vita terrestre è la seguente:

6CO2 + 6H2O + luce solare = C6H12O6 + 6O2

ovvero sei molecole di anidride carbonica si combinano con sei molecole d'acqua producendo- con l'apporto di energia fornito dalla luce solare, glucosio e ossigeno molecolare. E' possibile apprezzare come dai prodotti di scarto degli organismi viventi come l'anidride carbonica, il processo fotosintetico ricava zucchero e ossigeno, indispensabili per il prosieguo della vita.

Vi sono anche altri elementi che possono in linea teorica costituire da base per costruzioni così lunghe (dette polimeri) di elementi chimici, ma- come vedremo più avanti-intervengono alcuni problemi di stabilità delle molecole così costruite. Come potrebbero esserci altre biologie fondate su una chimica diversa dal carbonio, potrebbero esservi biochimiche diverse per le quali non l'acqua, ma altri composti fungerebbero da solvente. Comunque la vita, se si tratta di vita chimica, sembra dovere obbedire alla dura legge del carbonio che appare essere l'elemento più frequentemente riscontrabile negli esseri viventi terrestri, eccezione fatta per l'ossigeno che- essendo uno dei due costituenti dell'acqua- lo ritroviamo ovunque in grandi quantità. Sulla base di quanto detto infatti pare non sia possibile immaginare una struttura vitale che poggi su basi fisiche diverse dalla nostra, e ciò può indurci a pensare che se la vita altrove c'è, deve assomigliare in qualche modo alla vita terrestre.