Anno II

Numero V

Settembre - Ottobre 1998

L'energia di origine biologica 

Dott. Pietro M. Borselli

Biologo,esperto di Fisica Sanitaria.
Ricercatore nei settori farmacologico, biochimico e biomedico.
Docente di biomatematica c/o il Dipartimento di Fisiologia e
Biochimica Generali dell'Università degli Studi di Milano

1.PREMESSA

Non di rado capita di imbattersi in neologismi, in definizioni trovate all'improvviso e poi usate comunemente per moda, anche a sproposito, e per ciò di restare perplessi. Il caso della bioenergia ripete in un certo senso il fraintendimento che fu fatto, e mai più rimediato, per la ecologia. E' un po' come se d'un tratto, senza alcun valido motivo, l'aspetto più nobile del mondo prendesse le sembianze della spazzatura e noi ci si adeguasse, senza critica e rimostranze.

2. ENERGIA

Possiamo definire come energia di un sistema quella particolare attitudine del sistema stesso a compiere un lavoro. Ciò significa che, se l'energia non si manifestasse in un dato momento nel lavoro, potremmo persino dubitare della sua esistenza. Tale affermazione risulta evidente: l'energia elettrica che noi paghiamo deve corrispondere all'energia assorbita dai nostri strumenti ad alimentazione elettrica, per eseguire alcuni lavori. Quasi a dire che ce ne accorgiamo perché ci costa.

3. QUALITA’ DELL’ENERGIA

Esistono molteplici manifestazioni dell'energia. La qualità e, per così dire, la sua nobiltà sono esse ente collegate alla sua natura, cioè al tipo di fenomeno che l'ha sprigionata. E dato che i nostri apparecchi sono sottoposti, come noi e anche più di noi, a forti limitazioni (per esempio agli attriti, perché alla legge della gravitazione nulla sfugge) la capacità dell'energia di produrre più o meno lavoro porta a una sorta di graduatoria costruibile in base alla definizione di efficienza, ovvero al rapporto tra il lavoro compiuto e l'energia fornita al sistema. Così che l'energia elettrica può degnamente occupare i primi posti, quella meccanica stare in zona intermedia, il calore posizionarsi in fondo. Un sistema che dissipa calore e che genera energia non più riutilizzabile (se non spendendo, a sua volta, ancor maggiore energia) è un sistema di tipo entropico. In tutti i sistenù termodinanmici, compreso l'organismo vivente, l'energia termica è fondamentale e l’entropia è una grandezza fisica niente affatto trascurabile.

4. ENEGIA BIOLOGICA

Esiste una energia che possiamo chiamare chimico-fisica, ampiamente utilizzata dai sistemi viventi e che si fonda: (a) sulle energie di coesione delle particelle elementari che compongono l'atomo, (b) sulle energie di legame tra gli atomi che compongono le molecole, (c) sulle energie messe in gioco durante le reazioni chimiche. Ciò non sembra sufficiente per chiarire la qualità dell’energia derivante dai processi biochimici e biofisici tipici e specifici dell' organismo vivente, ossia dai processi biologici. L'organismo vivente non solo utilizza un tipo di energia già di per sé ordinata e nobile, ma sviluppa e ottimizza processi altamente specifici per servirsene, magari riducendo l'efficienza ma aumentando la specializzazione.

5. PRESUPPOSTI FISICI DELLA BIOENERGIA

Dell'energia biologica, a questo punto, dobbiamo introdurre i presupposti, che possono essere riassunti schematicamente nelle condizioni chimico-fisiche e nei processi altamente specializzati dell'essere vivente. Anche condividendo il pensiero di chi tende a superare il contrasto tra qualità e quantità, non v'è dubbio che, anche solo per motivi analitici, tra le due una certa distinzione vada mantenuta. Un tempo si credeva che i continui naturali (come acqua, aria, energia, ecc.) potessero essere considerati divisibili all'infìnito. Più di mezzo secolo fa Max Plank sostituì la nozione di continuo d'energia con quella dei discontinui (quanti d'energia). Per la fisica classica la luce e un raggio di elettroni sono due cose diverse: alla prima corrisponde la propagazione di un'onda elettromagnetica, il secondo consiste in un vero e proprio spostamento di materia. Con l'avvento della fisica atomica i fenomeni ondulatori e quelli corpuscolari diventano inscindibili perché già all’origine associati tra loro.

Dunque l'onda elettromagnetica si propaga in modo discreto e non continuo, per quanti di energia, e quindi tiene ad assumere contemporaneamente anche l'aspetto corpuscolare. La materia, le molecole, gli atomi hanno una struttura indisturbata fintanto che le condizioni ener-getiche restano stabili. Possiamo allora esemplificare, a ritroso, i grandi cambiamenti che all'origine devono essere avvenuti: (a) alla temperatura di -273' C (zero assoluto) ogni sostanza si presenta rigida e cristallina.

Se innalziamo la temperatura incomincerebbero a ottenersi fusioni ed evaporazioni e, di conseguenza, si produrrebbero liquidi e gas. Proseguendo nell'incremento termico avremmo tutto allo stato gassoso. Quando l'energia degli urti tra le molecole dovesse superare via via quella dei legami otterremmo un gas di atomi e di elettroni. Alla fine le particelle atomiche sarebbero come strappate dai loro atomi. Nuclei e particelle si muoverebbero liberamente e del tutto casualmente alla temperatura delle stelle. A temperature ancora più alte si otterrebbe la disintegrazione del nucleo e dunque un gas di particelle atomiche e nucleari. Che cosa significa questa esemplificazione della scala quantica ? Significa che le condizioni per la comparsa della materia organica si sono verificate mediante un processo inverso, di raffreddamento del gas caotico di particelle: i nuclei si sono formati a temperature mille volte superiori a quella della superficie solare, gli atomi a temperature come quella della superficie solare, le molecole a 1500°C, le macromolecole (molecole a grande peso molecolare, costituite da catene di molecole più piccole; i polimeri sono macromolecole fatte dalla sequenza di più monomeri) si sono formate a temperature comprese tra i 35 e i 40°C. Infatti soltanto in questo intervallo termico ha inizio la formazione di una grande varietà di composti chimici organici, tra i quali gli acidi nucleici, le proteine, i polisaccaridi, ecc., risultanti soprattutto dalle combinazioni di atomi di carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, fosforo, zolfo, ecc.

6.PRESUPPOSTI BIOLOGICI DELLA BIOENERGIA

Una proprietà nota delle macromolecole è quella di replicarsi. Dal momento che le condizioni furono ottimali ebbe inizio la sintesi delle macromolecole e, da qui, la comparsa degli esseri viventi: la temperatura doveva esser bassa perché avesse luogo la sintesi delle macromolecole, ma non così bassa da non poter fornire l'energia necessaria e sufficiente alla sintesi. Continuando a raffreddare il nostro sistema, quello dal quale siamo partiti, noi scenderemmo ulteriormente lungo la scala quantica verso livelli dove la vita risulta impossibile, ovvero, come abbiamo accennato, alla cristallizzazione della materia e alla morte totale. Qui tutto sarebbe al livello più basso in senso assoluto. Il sistema sarebbe caratterizzato forse dalla massima specificità delle strutture, ma anche dalla assoluta immobilità (energia cinetica = O). Dalla descrizione fatta è importante sottolineare che alla posizione lungo la scala quantica non corrisponde soltanto una differente condizione energetica ma anche e principalmente una diversa qualità della materia.

La qualità altro non è che l'organizzazione della materia all'interno detessere vivente per lo svolgimento di funzioni. Si tratta di un'organizzazione finalizzata, non fine a se stessa.

Si realizza attraverso: (a) la differenziazione cellulare che conduce ad avere strutture subcellulari, cellulari, tessutali ecc. specializzate, (b) la specificità dei processi biochimici, riassumibili genericamente nelle reazioni del metabolismo (anabolismo e catabolismo). Se le reazioni cataboliche (i cui processi ossidativi permettono sia la produzione della energia necessaria alle funzioni vitali sia la produzione delle sostanze di scarto da eliminare) rappresentano complessivamente il risultato del fenomeno di distruzione, quelle anaboliche (che utilizzano l'energia per le reazioni sintetiche, ovvero per la formazione di nuova materia vivente) costituiscono, al contrario, il fenomeno di costruzione della nuova materia vivente.

Così che il perpetuarsi della vita, filogeneticamente e ontogeneticarnente, si fonda in modo dinamico sull'incessante e continuo rinnovarsi della materia vivente, giacchè, istante dopo istante, l'equilibrio metabolico consente al vecchio di essere sostituito col nuovo.

Tra le strutture subcellulari significativamente rappresentative della qualità della materia vivente (organizzazione finalizzata) possiamo fornire un cenno su: (a) DNA, (b) mitocondri.

Nella cellula, all'intermo del nucleo, una macromolecola con peso molecolare dell'ordine del milione di Dalton contraddistingue la specifici dell'essere vivente. Il numero possibile degli stati quantici è così infinitamente elevato da rendere pressoché infinite le varietà dell’essere. Si dice, forse in modo un po' riduttivo, che il DNA rappresenti qualcosa come la direzione di un'orchestra.

Effettivamente nel DNA sono contenute tutte le informazioni necessarie per la vita e per la replicazione del patrimonio genetico. I mitocondri possono essere invece immaginata come le vere centrali energetiche della cellula (la struttura analoga, che esercita la medesima funzione, nella cellula vegetale è quella dei cloroplasti).

Al loro interno si produce energia e si immagazzina ATP (adenosintrifosfato) mediante reazioni accoppiate di degradazione ossidativa e di fosforilazione dell' ADP (adenosindifosfato). Tali reazioni, per fasi, sono assai complesse e vengono catalizzate da enzimi specifici. Solo le fasi nelle quali interviene l'ossigeno molecolare sono quelle dalle quali si libera una certa quantità di energia. Nel ciclo di Krebs, dove avviene praticamente la degradazione finale dei carboidrati, dei grassi e delle proteine, con produzione di anidride carbonica e altri composti intermedi utili alle biosintesi (anabolismo), vengono prodotte complessivamente 12 molecole di ATP. Ciò corrisponde a una energia di circa 100 kcal equivalenti a 418 kjoule. L'ATP non viene utilizzato soltanto per le reazioni biosintetiche ma anche per la contrazione muscolare, per i trasferimenti transcellulari di sostanze non dissociate ecc.

7. CARATTERISTICHE QUALITATIVE DELL’ENERGIA BIOLOGICA

Tra le caratteristiche dell'essere vivente la più peculiare è la totalità organico-funzionale, in ragione della quale non può essere applicata la proprietà additiva. In altre parole: è quasi impossibile che la totalità dell’essere sia ottenibile mediante la somma delle singole parti che lo costituiscono.

Al riguardo si possono portare alcuni esempi: (a) tanto la differenziazione quanto la specificità dei processi cellulari sottolineano l'enorme distanza che si è ormai formata tra l’essere vivente ed un qualsiasi sistema naturale continuo , che è per definizione divisibile in infinite parti la cui somma ritorna a dare la totalità, il tutto del sistema.

Nel caso del sistema vivente, quando anche si riuscisse a sostituire una parte del tutto, ne verrebbe quanto meno compromessa la funzionalità, quindi la qualità. L'additività è una proprietà tipica dei processi lineari.

Si pensi che, in prevalenza, i processi biologici non sono lineari (es.: reazioni enzimatiche, trasportatori allosterici, sinergie positive o negative tra sostanze associate ecc.); (b) la risposta tutto-nulla che segue uno stimolo capace di superare o meno il valore di soglia, ossia l'intensità minima oltre la quale soltanto può esservi una reale risposta, è completamente diversa e ingiustificato da un qualsiasi meccanismo di gradualità, meccanismo, quest'ultimo, molto meno specializzato e più primitivo, ma lineare. La capacità della cellula di rispondere a uno stimolo, ovvero quella sua caratteristica definita con il termine di eccitabilità cellulare, allorchè dai protozoi (organismi unicellulari) sono comparsi i metazoi (organismi pluricellulari) sempre più grandi, si è andata via via modificando, specializzandosi appunto in un sistema nervoso centralizzato che potesse tenere sotto controllo anche le parti più lontane dell'organismo. Pertanto alla primitiva e insufficiente risposta graduale si è aggiunta la risposta più fine del tutto-nulla.

8. BASI BIOFISICEE E BIOCHMCHE DELL’GIA BIOLOGICA

Sempre a titolo esemplificativo possiamo fare un breve cenno all'applicazione dei concetti di (a) campo elettromagnetico e di (b) regolazione enzimatica, la cui applicazione trova valido riscontro nell'organismo vivente.

(a) Nella porzione di spazio, dove esiste un campo corrispondente ad una particolare caratteristica dei corpi (gravitazionale, elettrico, magnetico), viene esercitata una forza proporzionale alla caratteristica stessa dei corpi. Nel campo gravitatazionale, la forza peso è uguale al prodotto della massa per l'accelerazione di gravità. Quindi si definisce come campo o come intensità di campo proprio il vettore che agisce sulla massa del corpo, ossia l'accelerazione di gravità g.

Per valutare l'energia connessa al campo occorre valutare il lavoro dato dall'intensità di campo quando una massa subisce uno spostamento.

Se due corpi (corpi celesti piuttosto che cariche elettriche ... ) interagiscono, noi siamo legittimati a pensare che la interazione avvenga tanto immaginando i due corpi separati tra loro da un certo spazio vuoto quanto che ciascun corpo modifichi la struttura dello spazio in cui si trova immerso e separato dall’altro.

Nel primo caso lo spazio è considerato un vuoto geometrico e la descrizione del moto avviene tramite forze a distanza. Nel secondo, i corpi sono considerati come sorgenti di azioni che si propagano nello spazio, dunque si parla di azione a contatto nell'ambito di uno spazio dotato di proprietà fisiche oltre che geometriche.

Il campo elettromagnetico è individuato dal vettore elettrico E e dal vettore magnetico H.

Una distribuzione di cariche elettriche in movimento in un volume finito, come ad esempio si ha nel sangue, crea un campo che decresce man mano che ci si allontana da tale volume.

A grande distanza resta solo la componente, detta radiazione, che serve a trasmettere segnali ed energia e che è caratterizzata dall'avere i valori di E e H sempre più piccoli con l'aumentare della distanza. Il campo magnetico del vivente scaturisce da differenti contributi: il momento magnetico intrinseco dell'elettrone, il momento magnetico orbitale dovuto alla rotazione dell'elettrone attorno al nucleo, il movimento delle cariche (ioni).

Dei due fenomeni, elettrico e magnetico, è di gran lunga più importante quello magnetico; infatti le cariche di segno opposto possono annullarsi a due a due, mentre l' effetto dovuto al loro movimento non è altrettanto eliminabile. Il movimento degli ioni all'interno dell'organismo vivente è fondamentale.

(b) Abbiamo detto che gli enzimi catalizzano le reazioni in modo specifico.

Il controllo quantitativo dei prodotti che si formano, il cui accumulo tra l'altro potrebbe anche essere dannoso, è garantito da un meccanismo chiamato retroinibizione; il prodotto finale, formatosi in eccesso, inibisce l’enzima che catalizza la prima reazione delle reazioni a catena.

Tale meccanismo offre immediatezza d'intervento. Altri due sono i meccanismi utilizzati per tempi lunghi: la repressione, quando il prodotto finale agisce sul primo enzima senza ridurne l'attività ma riducendone la quantità coinvolta nella reazione, e l'induzione, per la quale l'aggiunta di un prodotto intermedio stimola la reazione successiva.

9. APPUNTI SUL RUOLO DELL'ACQUA.

Circa l'argomento acqua possono essere trovate molte notizie: (a) è il composto più comune e diffuso, (b) si presenta allo stato liquido, fatto abbastanza singolare soprattutto se la si confronta con altre molecole di uguale peso molecolare (ammoniaca, metano ... ), (e) la squilibrata distribuzione delle cariche elettriche, conferisce alla sua molecola la stessa caratteristica del dipolo, cioè di una sorta di piccolo magnete, (d) la presenza della doppia carica (dipolo) determina nella acqua, la capacità di formare strutture ordinate non solo allo stato solido (neve, ghiaccio), ma anche quando è liquida.

In virtù di queste forze intermolecolari di attrazione tra le diverse molecole, l'acqua, fortemente indissociata, si organizza in struttura reticolare.

Ne derivano inoltre inconsuete caratteristiche: nella fase liquida l'acqua è più densa del ghiaccio

(fase solida); ha la tensione superficiale più alta tra tutti i liquidi (escluso il mercurio); ha eccezionali proprietà dielettriche; è solvente ideale per le sostanze ionizzabili e dissociabili; è mezzo di numerose reazioni chimiche.

Se poi apriamo un qualsiasi libro di dietologia, possiamo condividere il pensiero dei dietologi, secondo i quali l'acqua non ha contenuto energetico. Ma, per questo, non dobbiamo cadere nel comune e grave errore di escluderla a priori dal bilancio di massa ed energia.

Nell'organismo vivente l'acqua è la molecola chiave, la condizione senza la quale non vi sarebbe stata possibilità di vita. Non è neppure possibile parlare di bioenergia talasciando di comprendere il ruolo dell'acqua. Essa non è affatto un mezzo inerte con sole e tipiche funzioni plastiche, di sostegno, non solo nell'animale ma anche nel vegetale. Infatti partecipa attivamente al biochimismo della vita.

Non v'è reazione di idrolisi senza utilizzo d'acqua, non v'è ossidoriduzione o reazione accoppiata che non contempli la formazione di molecole d'acqua.

Nell'equilibrio tra i viventi e l'ambiente, l'acqua da un lato viene scissa in idrogeno e ossigeno (nelle foglie per il processo di fotosintesi) e dall'altro viene ricombinata nella respirazione. Tale ciclo di fotosintesi-respirazione (in cui l'acqua esercita da sola un ruolo fondamentale e ineliminabile pena la morte), mette in gioco tutta l'energia necessaria al mantenimento della vita e delle sue funzioni sulla Terra.

Holton G. "L'immaginazione scientifica, Einaudi, Torino, 1983.

McEmmerson j. "Symmetry principles in particle physics", Pergamon Press, Oxford, 1972.

Hesse M. "Forze e campi. Il concetto di azione a distanza nella storia della fisica", feltrinelli, Milano, 1974.

Marazzini P., Tucci P. "La formazione del concetto di induzione magnetica", Angeli, Milano, 1983.

Patton H.D., Ruch T.C. "Fisiologia e biofisica", Univer-so, Roma, 1988.