LA DINAMICA DELL’ACQUA ALL’ORIGINE DEI PROCESSI DI METAMORFOSI DEGLI ORGANISMI VIVENTI

LA DINAMICA DELL’ACQUA ALL’ORIGINE DEI PROCESSI DI METAMORFOSI DEGLI ORGANISMI VIVENTI

Emilio Del Giudice, Paola Rosa Spinetti e Alberto Tedeschi

Pubblicato il 3 Settembre 2010 su Water (Special Issue ISSN 2073-4441, “Water: Facts without Myths”)

SOMMARIO:

L’acqua liquida è stata riconosciuta da tempo come la matrice di molti processi, compresa la vita ed anche la dinamica delle rocce. L’interazione tra biomolecole avviene in modo differente dai sistemi non-acquosi e quest’ultimi sono incapaci di produrre la vita. Questa abilità di produrre processi vitali implica una specifica struttura dell’acqua liquida. In accordo con la moderna Teoria dei Campi Quantistici (QFT) un principio di complementarietà (nel senso in cui viene inteso da Niels Bohr) connette il numero N dei quanti (compreso il campo della materia dove i quanti sono proprio gli atomi/molecole) e la fase Ф . Questo significa che, quando ci si focalizza sulla struttura atomica della materia, si perde la visione delle sue proprietà relative alla coerenza e, viceversa, quando si esamina la dinamica di fase del sistema la struttura atomica del sistema stesso diviene indefinita. L’elio liquido e superfluido è stato il primo esempio di questa specifica dinamica. Nel presente lavoro mostriamo come la considerazione della dinamica di fase dell’acqua liquida permetta di comprendere il suo ruolo specifico nell’origine dell’auto-organizzazione degli organismi viventi e degli ecosistemi.

Parole chiave: acqua, coerenza, elettrodinamica quantistica, strutture dissipative, acqua interfacciale, evoluzione biologica, ecosistemi. ________________________________________________________________________________

INTRODUZIONE

Nell’antichità l’acqua è stata riconosciuta come la matrice della vita; Talete (1) evidenziò questo punto, seguendo forse gli insegnamenti di molte tradizioni antiche. Recentemente un’enorme quantità di scoperte hanno evidenziato il ruolo dell’acqua nelle dinamiche della vita. Negli anni seguenti alla seconda guerra mondiale vennero pubblicati molti studi che dimostravano che le superfici degli organismi viventi erano rivestite da uno strato spesso di una speciale sostanza acquosa avente le proprietà del “ghiaccio liquido”; questi strati si estendevano per uno spessore fino a trenta volte il diametro delle molecole d’acqua (2). Negli anni ’50 Albert Szent-Gyorgyi ammise che i biologi erano ancora incapaci di produrre una definizione formalmente soddisfacente per quanto concerne la differenza tra “animato” ed “inanimato” perché “…i biologi avevano dimenticato o non avevano mai pensato all’acqua” (3). L’idea fondamentale proposta da Szent-Gyorgyi (4-5) era che l’acqua organizzata, racchiusa dalle superfici biologiche, era capace di indurre una lunga e duratura eccitazione elettronica di differenti specie molecolari presenti, perciò in grado di produrre la loro attivazione e la loro selettiva e mutua attrazione. In effetti la maggior parte delle reazioni biochimiche sono reazioni redox, che 2 domandano un rifornimento di elettroni. Ma né le biomolecole e neanche le molecole d’acqua isolate sono donatori di elettroni, poiché gli elettroni sono strettamente legati alle molecole originali con energie di legame di parecchi eVs. Nella teoria convenzionale dell’acqua liquida questo paradosso non appare facilmente, poiché l’esistenza del liquido è data per scontata (nessuna descrizione è fornita in merito alla dinamica di transizione vapore-liquido ed al conseguente notevole aumento di densità). Partendo da un insieme di molecole che sono gia abbastanza fitte per rimanere dentro al range di interazione statica, la simulazione al computer calcola la forma della rete costituita da un piccolo numero di molecole ( al massimo mille). Dunque la probabilità di movimento dei protoni lungo la rete è valutata mediante la simulazione al computer; in questo modo è stato scoperto (6) che è possibile recuperare il meccanismo introdotto da Grotthuss (7) duecento anni fa. Nell’approccio convenzionale l’importanza degli effetti collettivi era stata riconosciuta. Stanley e Teixeira (8) ad esempio fanno notare che “…una descrizione del comportamento molecolare dell’acqua mediante un potenziale efficace di accoppiamento non sarà mai completamente realistico, perché non tiene conto dell’esistenza delle forze tra molti corpi e della complessità dell’acqua”. La differenza tra l’approccio convenzionale e la Teoria dei Campi è nella taglia degli aggregati di molecole. Gli aggregati emergenti da un iniziale calcolo, che usa un’interazione statica, hanno solo una taglia di poche decine di Angstrom (Å) al massimo, mentre i Domini di Coerenza dell’acqua, come vedremo nel seguito di questo scritto, si estendono per 0,1 micron ed includono milioni di molecole. La simulazione al computer, generalmente, dava risultati con regioni la cui taglia non eccedeva alcune decine di Angstrom. L’estrapolazione dei risultati, per quanto concerne regioni più estese, implica l’ipotesi dell’omogeneità del liquido su larga scala, che è appunto l’assunto da provare. Inoltre, il problema della condensazione del liquido – cioè la transizione da vapore rarefatto, dove la distanza intermolecolare è 36 Å, al liquido denso, dove la distanza precipita a 3 Å – non è trattata. Qual è il processo dinamico che sorge improvvisamente, a 100° C ed 1 atm, e causa il passaggio del vapore molecolare disperso ad una situazione di grande densità? Perché non è un processo graduale ed avviene in modo discontinuo ad una data condizione termodinamica? Infatti, il problema della dinamica della fase di transizione non è stato affrontato finora nel modello convenzionale, è solo studiato a livello termodinamico. La soluzione del problema richiede di riconoscere il messaggero a lungo raggio in grado di attrarre fino ad una piccola distanza le molecole inizialmente separate, cioè il messaggero in grado di stabilire la comunicazione tra molecole che sono a 36 Å di distanza. Il messaggero dovrebbe essere il campo elettromagnetico, che è il campo che la moderna Fisica Quantistica considera responsabile dell’interazione tra particelle cariche elettricamente, in questo caso le molecole non sono a riposo ma sono soggette alle fluttuazioni quantiche e termiche. L’approccio convenzionale introduce una approssimazione a priori non irragionevole, dove solo la parte statica delle interazioni è rilevante. L’approccio della Teoria dei Campi inserisce anche le interazioni non statiche, che hanno un range molto più ampio di quelle statiche. Ritorniamo al problema del trasferimento degli elettroni nell’acqua liquida. Il potenziale di ionizzazione delle molecole d’acqua è 12,60 eV (9), a livello energetico corrisponde a deboli raggi X. In questa situazione quale può essere la sorgente di elettroni che approvvigionano le reazioni redox? Szent-Gyorgyi (5) fu in grado di riconoscere che l’acqua delle interfacce era fornitrice di elettroni, ma questo potrebbe richiedere un profondo rimpasto delle nubi di elettroni delle molecole d’acqua. Szent-Gyorgyi suggerì che, almeno negli organismi viventi, c’erano due differenti livelli di energia degli elettroni delle molecole d’acqua, lo stato eccitato e lo stato base. In accordo con questa ipotesi un voltaggio può apparire sui margini tra l’acqua interfacciale e la massa d’acqua. Egli suggerì, anche, che questa proprietà può aumentare l’energia trasferita nei sistemi biologici e la durevole e lunga eccitazione elettronica che poteva essere osservata. Nel decennio successivo, comunque, la corrente principale della biologia molecolare si focalizzò sull’interazione tra biomolecole (10 – 12), negando ogni possibile ruolo dell’acqua. 3 Simultaneamente, la ricerca sull’acqua si focalizzò sulla struttura interna dell’acqua pura, che è di fatto un’astrazione poiché non vi è in natura nulla che corrisponda all’acqua pura, poiché l’acqua sempre contiene altre specie di molecole, primi tra tutti i gas atmosferici. Il problema del trasferimento di elettroni (13) nell’acqua degli organismi viventi non è stato trattato. Recentemente, un’ondata di interesse si è manifestata in merito al ruolo dell’acqua nelle strutture organizzate, che evidenzia possibili dinamiche complesse (14). Ad esempio possiamo citare recenti studi in merito alla presenza di strutture coerenti all’interno degli organismi, che producono possibili e specifiche funzioni biologiche. Ci riferiamo in particolare agli studi inerenti la fotosintesi (15-17). In questi articoli si fa riferimento alla lunga durata della coerenza dei cloroplasti, forse più ampia di quanto previsto dalle teorie attualmente disponibili relative alle biomolecole. Da quando le ricerche teoriche basate sulla Elettrodinamica Quantistica hanno suggerito la spontanea insorgenza della coerenza nell’acqua liquida (18-19) un’attraente ipotesi è che il campo elettromagnetico sia responsabile della coerenza delle strutture molecolari nell’acqua, le quali si mantengono tali per tempi lunghi. Questo può spiegare la peculiare coerenza dei cloroplasti. Un ulteriore elemento in merito al ruolo organizzatore dell’acqua è stato recentemente fornito (20) nel quadro delle ricerche relative al fenomeno di Beloussov-Zhabotinsky (BZ), che è un’oscillazione regolare nel tempo di concentrazioni di reagenti chimici all’interno di un sistema appropriatamente preparato. E’ stato dimostrato che l’oscillazione regolare compare solo quando la quantità di acqua che delimita la superficie supera una soglia critica; emerge un’indicazione: l’acqua può giocare in questo caso il ruolo essenziale di organizzatrice. Nel presente lavoro vogliamo illustrare i requisiti necessari alla struttura dell’acqua affinché sia in grado di governare, al suo interno, le dinamiche molecolari. In questo quadro cercheremo di capire il ruolo unico e fondamentale che l’acqua gioca negli organismi viventi (attualmente l’acqua non può essere sostituita da nessun altro liquido con legami idrogeno) e la differenza tra la massa d’acqua e l’ “acqua speciale”, quale è quella chiusa tra superfici che si comporta come l’acqua dei sistemi biologici.

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Giudice, E.D.; Spinetti, P.R.; Tedeschi, A. “Water Dynamics at the Root of Metamorphosis in Living Organisms”. Water 2010, 2, 566-586

Fonte (italiano)

Fonte (inglese)

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