Cosa si è scoperto scrutando ciò che non si vede a occhio nudo?

A QUALI conclusioni perviene l’uomo quando usa nuove invenzioni per alzare il sipario, per così dire, e vedere ciò che prima non poteva vedere? Può stabilire con una certa sicurezza ciò che prima non sapeva. — Vedi il riquadro qui sotto.

Un tempo si credeva che la terra fosse il centro dell’universo. Ma poi con il telescopio si è visto che i pianeti, inclusa la terra, orbitano intorno al sole. Più di recente, con l’invenzione di potenti microscopi, gli uomini hanno osservato l’atomo stesso e hanno visto come certi tipi di atomi si combinano con altri tipi per formare le molecole.

Considerate la composizione di una molecola d’acqua, una sostanza essenziale alla vita. Grazie a come sono fatti, due atomi di idrogeno si combinano in maniera eccezionale con un unico atomo di ossigeno formando una molecola d’acqua. E ogni goccia d’acqua contiene miliardi di queste molecole! Cosa possiamo imparare osservando una molecola d’acqua ed esaminandone il comportamento in circostanze diverse?

 L’acqua, che meraviglia!

Benché le singole gocce d’acqua sembrino molto semplici, l’acqua è una sostanza assai complessa. John Emsley, divulgatore scientifico dell’Imperial College di Londra, ha detto che è “una delle sostanze chimiche più studiate, ma è ancora la meno compresa”. La rivista New Scientist diceva: “L’acqua è il liquido più comune della Terra, ma anche uno dei più misteriosi”.

Emsley ha spiegato che, nonostante l’acqua abbia una struttura semplice, “nulla si comporta in maniera più complessa”. Per esempio ha detto: “H₂O dovrebbe essere un gas, . . . e invece è un liquido. Inoltre, quando gela . . . , la sua forma solida, il ghiaccio, rimane a galla invece di andare a fondo” come ci si aspetterebbe. Riguardo a questo comportamento insolito, Paul E. Klopsteg, che è stato presidente dell’American Association for the Advancement of Science, ha osservato:

“Questo si rivela un progetto straordinario per garantire la sopravvivenza delle forme di vita acquatica, come i pesci. Pensate a ciò che accadrebbe se l’acqua, quando si raffredda fino al punto di congelamento, non si comportasse come è stato descritto. Il ghiaccio continuerebbe a formarsi fino a riempire un intero lago, causando l’estinzione di tutte, o quasi, le forme di vita acquatica”. Klopsteg ha detto che questo comportamento anomalo dell’acqua “dimostra che nell’universo opera una grande mente con uno scopo”.

Secondo New Scientist, ora i ricercatori pensano di conoscere la ragione di questo insolito comportamento dell’acqua. Hanno messo a punto il primo modello teorico che prevede accuratamente l’espansione dell’acqua. “La chiave del mistero”, hanno detto, “sta nelle distanze fra gli atomi di ossigeno all’interno di queste strutture”.

Non è sorprendente? Una molecola che appare così semplice sfida la comprensione umana. E pensare che il nostro corpo è formato in gran parte d’acqua! Vedete anche voi nelle meraviglie di questa molecola, composta di soli tre atomi di due elementi, una prova che è all’opera “una grande mente con uno scopo”? Eppure la molecola dell’acqua è molto piccola e assai meno complessa di molte altre molecole.

Molecole molto complesse

Alcune molecole sono formate da migliaia di atomi di molti degli 88 elementi presenti in natura sulla terra. Per esempio, una molecola di DNA (acido desossiribonucleico), che contiene le informazioni in codice dei caratteri ereditari di ogni organismo vivente, può contenere milioni di atomi di diversi elementi!

Malgrado la sua incredibile complessità, la molecola del DNA ha un diametro di appena 2 milionesimi di millimetro, per cui è assolutamente troppo piccola per esser vista senza l’aiuto di un potente microscopio. Fu solo nel 1944 che gli scienziati scoprirono che il DNA determina i caratteri ereditari dell’individuo. Questa scoperta diede il via a ricerche approfondite su questa molecola tanto complessa.

Tuttavia la molecola del DNA e quella dell’acqua sono soltanto due dei molteplici tipi di molecole con cui sono costruite le cose. E poiché molte molecole si trovano sia negli organismi viventi che nelle cose inanimate, dovremmo forse concludere che il passo fra ciò che ha vita e ciò che non ce l’ha sia breve?

Per parecchio tempo questa è stata la convinzione di molti. “La speranza che una maggiore conoscenza della biochimica avrebbe colmato questo vuoto fu espressa specificamente da molti esperti negli anni ’20 e ’30”, ha spiegato il microbiologo Michael Denton. Tuttavia con il tempo cosa si è effettivamente scoperto?

La vita è straordinaria e senza uguali

Denton ha osservato che, benché gli scienziati si aspettassero di trovare forme intermedie di transizione o una serie di passi graduali fra ciò che è vivente e ciò che non lo è, l’esistenza di una precisa discontinuità fu “infine dimostrata dopo le rivoluzionarie scoperte della biologia molecolare al principio degli anni ’50”. Riferendo un fatto sorprendente che ora è chiaro agli scienziati, Denton ha poi spiegato:

“Ora sappiamo non solo che esiste un abisso fra il mondo degli organismi viventi  e quello delle cose inanimate, ma anche che si tratta della discontinuità più sorprendente e più fondamentale di tutte quelle presenti in natura. Tra una cellula vivente e il sistema non biologico più altamente organizzato, come un cristallo o un fiocco di neve, esiste l’abisso più vasto e assoluto che si possa concepire”.

Questo non significa che creare una molecola sia facile. Il libro Molecules to Living Cells (Dalle molecole alle cellule viventi) spiega che “la sintesi delle piccole molecole che fungono da elementi fondamentali è complessa in se stessa”. Aggiunge, tuttavia, che produrre queste molecole “è un gioco da ragazzi in paragone con ciò che deve essere avvenuto poi per generare la prima cellula vivente”.

Le cellule possono esistere quali organismi viventi indipendenti, come i batteri, o possono far parte di un organismo multicellulare, come un essere umano. Ci vorrebbero 500 cellule di media grandezza per uguagliare le dimensioni del punto in fondo a questa frase. Perciò non sorprende che il funzionamento della cellula non si possa vedere a occhio nudo. Cosa rivela dunque l’esame al microscopio di una singola cellula del corpo umano?

La cellula: Caso o progetto?

Va detto innanzi tutto che non si può fare a meno di rimanere stupefatti davanti alla complessità delle cellule viventi. Un divulgatore scientifico ha osservato: “Perché una cellula vivente, anche la più semplice, cresca normalmente devono avvenire decine di migliaia di reazioni chimiche in modo coordinato”. Ha poi chiesto: “Com’è possibile che 20.000 reazioni, all’interno di una minuscola cellula, possano essere controllate tutte contemporaneamente?”

Michael Denton ha paragonato anche la più piccola cellula vivente a “una vera e propria fabbrica microminiaturizzata contenente migliaia di pezzi, di squisita fattura, del complesso meccanismo molecolare, costituito nell’insieme da centomila milioni di atomi, assai  più complicato di qualsiasi macchina costruita dall’uomo e assolutamente senza uguale nel mondo delle cose inanimate”.

Gli scienziati rimangono perplessi davanti alla complessità della cellula, come faceva notare il New York Times del 15 febbraio 2000: “Più cose i biologi sanno delle cellule viventi, più ardua appare l’impresa di determinare tutto quello che fanno. La cellula umana media è troppo piccola per poterla vedere a occhio nudo, eppure in qualsiasi momento fino a 30.000 dei suoi 100.000 geni possono attivarsi o disattivarsi, per soddisfare i suoi bisogni o in risposta a messaggi provenienti da altre cellule”.

Il New York Times chiedeva: “Come si fa ad analizzare una macchina così piccola e così complicata? E anche se un giorno, con uno sforzo prodigioso, si riuscisse a sapere tutto di una cellula umana, nel corpo umano ce ne sono almeno 200 tipi diversi”.

La rivista Nature, in un articolo intitolato “Vere e proprie macchine del creato”, parlava della scoperta di minuscoli motori all’interno di ciascuna cellula del corpo. Questi ruotano per produrre ATP (adenosintrifosfato), la fonte di energia delle cellule. Uno scienziato si è chiesto: “Cosa saremo in grado di fare quando impareremo a progettare e costruire macchine molecolari simili ai sistemi molecolari che si trovano nelle cellule?”

Pensate alla capacità creativa della cellula! Le informazioni contenute nel DNA di un’unica cellula del nostro organismo riempirebbero circa un milione di pagine come questa! Oltre a ciò, ogni volta che una cellula si divide per crearne una nuova, le stesse informazioni vengono trasmesse alla nuova cellula. Come pensate che ciascuna cellula — ne abbiamo centomila miliardi — sia stata programmata con queste informazioni? È avvenuto per caso o è opera di un sommo Progettista?

Forse siete giunti alla stessa conclusione a cui giunse il biologo Russell Charles Artist, che disse: “Ci troviamo davanti a difficoltà enormi, addirittura insuperabili, quando cerchiamo di spiegare come ha avuto inizio [la cellula], nonché come continua a funzionare, a meno che non sosteniamo con la ragione e la logica che è stata un’intelligenza, una mente, a portarla all’esistenza”.

Un ordine meraviglioso

Anni fa Kirtley F. Mather, all’epoca professore di geologia della Harvard University, giunse alla seguente conclusione: “Viviamo in un universo in cui nulla è dovuto al caso o al capriccio, ma in cui vigono Legge e Ordine. L’universo è amministrato in modo assolutamente razionale e degno del massimo rispetto. Considerate il meraviglioso schema matematico della natura che ci permette di attribuire numeri atomici consecutivi a ogni elemento della materia”.

Consideriamo in breve questo “meraviglioso schema matematico della natura”. Fra gli elementi * noti agli antichi c’erano l’oro, l’argento, il rame, lo stagno e il ferro. L’arsenico, il bismuto e l’antimonio furono identificati dagli alchimisti durante il Medioevo e in seguito, nel ’700, vennero scoperti molti altri elementi. Nel 1863 lo spettroscopio, strumento che può visualizzare il caratteristico insieme delle radiazioni monocromatiche emesse da ogni elemento, permise di identificare l’indio, il 63° elemento ad essere scoperto.

A quel tempo il chimico russo Dmitrij  Ivanovič Mendeleev giunse alla conclusione che gli elementi non sono stati creati a casaccio. Infine, il 18 marzo 1869 fu letto alla Società chimica russa il suo saggio intitolato “Schema del sistema degli elementi”. In esso Mendeleev dichiarava: ‘Desidero arrivare a un qualche sistema che non sia guidato dal caso ma da qualche sorta di principio ben definito ed esatto’.

In quel famoso scritto Mendeleev predisse: “Dovremmo aspettarci di scoprire ancora molti elementi semplici sconosciuti; per esempio, quelli simili all’alluminio e al silicio, elementi con peso atomico da 65 a 75”. Nella sua tabella degli elementi Mendeleev lasciò caselle vuote per 16 nuovi elementi. Quando gli fu chiesta la prova delle sue previsioni, rispose: “Non ho bisogno di prove. Le leggi della natura, a differenza delle leggi della grammatica, non ammettono eccezioni”. E aggiunse: “Suppongo che quando i miei elementi sconosciuti verranno trovati, più gente ci presterà attenzione”.

Questo è esattamente ciò che accadde! “Nei successivi 15 anni”, spiega l’Encyclopedia Americana, “la scoperta del gallio, dello scandio e del germanio, le cui proprietà corrispondevano con buona approssimazione a quelle previste da Mendeleev, dimostrò la validità della tavola periodica degli elementi e rese famoso il suo autore”. Nella prima parte del XX secolo tutti gli elementi esistenti erano stati scoperti.

Chiaramente, come ha osservato Elmer W. Maurer, chimico ricercatore, “è difficile che questa bella struttura sia opera del caso”. Riguardo alla possibilità che l’ordine armonioso degli elementi sia opera del caso, il professore di chimica John Cleveland Cothran ha osservato: “La successiva scoperta di tutti gli elementi la cui esistenza era stata predetta [da Mendeleev] e il fatto che possedevano quasi esattamente le proprietà da lui predette hanno in effetti eliminato una simile possibilità. La sua grande generalizzazione non è mai chiamata il ‘caso periodico’. È invece la ‘legge periodica’”.

Un attento studio degli elementi e di come si combinano per formare ogni cosa nell’universo ha indotto il famoso fisico Paul Dirac, che ha insegnato matematica all’Università di Cambridge, a dire: “Si potrebbe forse descrivere la situazione dicendo che Dio è un grandissimo matematico, e nel creare l’universo si è servito di matematica ad altissimo livello”.

È davvero affascinante esplorare il mondo invisibile, sia quello dell’infinitesimamente piccolo — gli atomi, le molecole e le cellule viventi — che quello delle immense galassie di stelle talmente lontane da non essere visibili a occhio nudo! Questa esperienza ci fa sentire piccoli. Che effetto ha su di voi personalmente? Cosa vedete riflesso in queste cose? Vedete più di quello che si vede con gli occhi letterali?

[Nota in calce]

[Riquadro/Immagini a pagina 5]

Troppo veloce perché l’occhio possa vederlo

Dato che il movimento di un cavallo al galoppo è così rapido, nel XIX secolo sorse una discussione: ci sono dei momenti in cui tutti gli zoccoli sono sollevati contemporaneamente da terra? Infine, nel 1872, Eadweard Muybridge iniziò degli esperimenti fotografici che permisero in seguito di definire la questione. Mise a punto una tecnica per le prime riprese cinematografiche ad alta velocità.

Muybridge allineò 24 macchine fotografiche a breve distanza l’una dall’altra. Applicò all’otturatore di ciascuna macchina fotografica uno spago che fu teso attraverso la pista, così che quando il cavallo passava al galoppo toccava gli spaghi facendo scattare gli otturatori. Analizzando le fotografie ottenute si vide che c’erano dei momenti in cui il cavallo era completamente sollevato da terra.

[Fonte]

Cortesia della George Eastman House

[Immagine a pagina 7]

Perché l’acqua ghiacciata rimane a galla anziché andare a fondo?

[Immagine a pagina 7]

Una molecola di DNA ha un diametro di appena 2 milionesimi di millimetro, tuttavia le informazioni che contiene occuperebbero un milione di pagine

[Fonte]

Modello computerizzato del DNA: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Immagine a pagina 8]

In ciascuna cellula dell’organismo — ne abbiamo centomila miliardi — avvengono decine di migliaia di reazioni chimiche in modo coordinato

[Fonte]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Immagine a pagina 9]

Il chimico russo Mendeleev giunse alla conclusione che gli elementi non sono stati creati a casaccio

[Fonte]

Cortesia della National Library of Medicine