Relazione di Paolo Manzelli

Direttore del Laboratorio di Ricerca Educativa - Università di Firenze
<LRE@chim1.unifi.it>; <http://www.chim1.unifi.it/group/education>

L'alimentazione deve essere considerata come l’elemento fondamentale per la salute di un individuo. Quanto sopra fu convinzione di Ippocrate di Cos (460-370 a.C) e poi di Epicuro di Samo (341- 270 a.C), il primo si rese conto di quanto la salute dipenda in via fondamentale dal cervello regolatore degli timoli di fame e di sazietà, mentre il secondo, dicendo " l’uomo è quel che mangia", iniziò a pensare che gli atomi e le loro aggregazioni delle quali è composto l’essere umano sono i responsabili della dinamica della vita.

Tali antiche premesse ci fanno intuire come oggi, a partire da tali fonti cognitive, siamo giunti a pensare che un sistema vivente è assimilabile ad un reattore bio-chimico regolato da due tipi di energia, quella estratta dagli alimenti e quella relativa al sistema di informazione.

Erwin Schrodinger, premio Nobel per la Fisica del 1933, in un suo famoso libro intitolato "What is Life" (1) , si pose il problema di come agisca la informazione nel sistema vivente. Egli iniziò con il ricercare la comprensione di un complesso di fenomeni che chiamiamo "informazione" a partire dai concetti già elaborati dalla scienza. Infatti l’idea di informazione rappresenta un concetto di cui la scienza, nella sua impostazione meccanica ed anche quanto-meccanica, non ha ancora espresso chiara definizione. La scienza tradizionale ha separato il soggetto dall’oggetto della osservazione e pertanto ha concepito la informazione come un fatto mentale astratto, non correlato cioè alle attività biologiche del cervello e del corpo umano. La scienza contemporanea ha infatti studiato la natura come un evento in se stesso oggettivo e tale impostazione non ci pone nelle condizioni di poter riflettere sul fatto che, ciò che è a noi noto, è il frutto dalla elaborazione biochimica della nostra mente. Cosi ad es. possiamo comprendere come elementi della informazione ereditaria espressa dai geni del DNA lavorino come fatto oggettivo, ma non sappiamo porci la domanda di come la genetica, che ci ha costruito come esseri viventi, possa avere una comprensione intrinseca della sua azione di informazione nell’agire nella trasformazione delle sostanze biochimiche che ci danno la vita.

Forse esagerando rispetto ad una visione materialistica del DNA, considerato come molecola chimica capace di conservare informazione, recentemente alcuni studiosi americani di socio-biologia, un ramo della antropologia culturale, asseriscono e sostengono che le relazioni tra cervello corpo e mente, vengono guidate dagli interessi di sopravvivenza della specie, interiorizzati nel DNA. Quindi attribuiscono al sistema di informazione genetica la capacità di eseguire una propria espressione sincronizzata con la comunicazione chimica cerebrale, che induce sensazioni e pulsioni interiori recepite dall’individuo come esigenze fisiologiche. Tali autori affermano che l’informazione genetica risulta decisiva anche in senso sociale in quanto agisce sulla connessione della famiglia e quindi della società, attribuendo pertanto al DNA un fondamento cosciente che riduce il libero arbitrio dell’uomo. A fondamento di tale loro asserzione portano varie prove sperimentali: ad es. gli animali che vivono in coppie, come generalmente fa l’uomo, nel fare all’amore producono a livello cerebrale una proteina precursore di endorfine, che sono particolarmente attive nel talamo, sezione cerebrale dove si generano le sensazioni e le pulsioni che rinforzano la correlazione della coppia.

Indubbiamente la risposta alla domanda di cosa sia la vita era più facile ed intuitiva per gli antichi filosofi-scienziati greci, perché essi si riferivano come Ippocrate ad una "intelligenza della natura" di cui facciamo parte integrante, mentre altri come Epicuro si rifacevano ad una concezione generale "vitalistica" per i quali gli atomi stessi erano elementi fondamentali della vita dell’universo, e come tali viventi essi stessi. Gli atomi per Epicuro si comportavano infatti come semi in un campo e quindi erano essi stessi dotati di principi vitali.

Oggigiorno essendo ben lontani da tali concezioni della filosofia greca antica, dobbiamo capire come sviluppare nella scienza contemporanea nuove concezioni che spieghino lo svolgimento dei processi di informazione associati al metabolismo nutrizionale e più in generale abbiamo bisogno di creatività cognitiva in ogni campo scientifico volto alla comprensione della vita; così ad esempio dovremo dare una interpretazione al riconoscimento molecolare, che vada al di là della troppo semplice immagine di relazione tra chiave e serratura; dovremo inoltre ricercare una logica interpretativa a riguardo della comunicazione chimica, un tempo più semplicemente definita intuitivamente da relazioni naturali di affinità chimica già preordinate dalla natura.

Pertanto, proprio partendo dalla necessità di revisione dei modelli scientifici, Schrodingher scrisse un capitolo importante del libro intitolato: "la materia vivente si alimenta di entropia negativa" (1 - pp. 74/75), ponendosi il problema di capire più a fondo il significato fisico del metabolismo, termine che in greco significa "scambiare".

Schrodingher criticò l’idea semplicistica che lo scambio nutritivo sia semplicemente energetico; un elemento vitale infatti è l’acqua, di cui il nostro corpo è composto per oltre il 60 % e tutti sappiamo quanto l’acqua sia importante per la vita, senza fornire alcun contributo calorico. L’idea che ci nutriamo di energia è infatti molto approssimata e proviene da misure calorimetriche degli alimenti, ma noi in vero non siamo una stufa. Ad es. oggi sappiamo che la molecola di DNA priva di acqua, cioè considerata nel vuoto, si spezzerebbe entro poche frazioni di secondo; l’acqua infatti stabilizza la dinamica molecolare del DNA sostenendo questa struttura chimica complessa, con la costruzione dinamica di ponti ed idrogeno che rendono flessibile il DNA.

In relazione al fatto che la nutrizione viene riduttivamente considerata in termini di bilancio energetico, Schrodinger dice testualmente "Per un organismo adulto il contenuto energetico è pressoché stazionario così come il contenuto materiale. Poiché certamente ogni caloria è equivalente ad ogni altra qualsiasi caloria, non si riesce a vedere a cosa serva un semplice scambio. Quale è quindi il prezioso elemento che è contenuto nel nostro cibo che ci preserva dalla morte?".

Un corpo morto infatti pesa quanto quello del vivo, ma la vita non si manifesta più, non tanto per le calorie che il morto se combusto può ancora sprigionare. La vita è funzione di un lavoro di informazione necessario per la ricomposizione del metabolismo cellulare, che con la morte in qualche modo è repentinamente cessato.

A questo quesito sul significato fisico della vita Schrodinger utilizzando dei termini della scienza termodinamica risponde: "è la neg-entropia (entropia-negativa) generata dal processo metabolico di scambio di energia e materia, il cibo effettivo della vita"; se il sistema vivente fosse chiuso ed isolato, allora l’entropia del sistema tenderebbe ad un massimo, la qual cosa che corrisponde a morte certa.

Gli studi sulla formazione molecolare e quindi la ricerca dei i processi che realizzano la informazione (non solo e soltanto genetica) necessari a dare ordine ai processi vitali per ricostruire dinamicamente l’organismo, divengono oggi cognizioni prioritarie rispetto alle misure correlative della quantità energetica del cibo; tale considerazione rappresenta la differenza sostanziale tra le esigenze cognitive della indagine biologica moderna rispetto allo studio tradizionale della meccanica in fisica, la dove la misura quantità ha assunto un valore fondamentale rispetto alla qualità.

Per capire meglio la concezione introdotta da Schrodinger è opportuno ricordare come il fisico tedesco Rudolf Clausius introdusse il concetto di Entropia, che significa traformazione (tropè) dall’interno (en), in base ai suoi studi del comportamento dei gas, al fine di giustificare la irreversibilità del calore che passa da un corpo caldo ad uno freddo e non viceversa.

In tal caso Clausius considerò che la temperatura per il coefficiente di trasformazione interna (S) indica la quantità di calore dispersa in una trasformazione; la dispersione di calore è quella che rende irreversibile il processo. In seguito a tale ragionamento Clausius nel 1865 definì la Entropia come rapporto tra quantità di calore e temperatura.

Fu poi l’altro fisico tedesco Ludwig Boltzmann a correlare la Entropia alla probabilità (P) del moto delle molecole gassose, che determina calore per attrito, con una formulazione da cui si definisce che S= k Log P.

Infine per capire più a fondo come la "neg-entropia" corrisponda ad "informazione", quest’ultima intesa nel senso di qualcosa che precede la forma, è necessario far riferimento al lavoro di Leon Brillouin (2), il quale partendo dal secondo principio della termodinamica, dimostrò che l’entropia, misurando la probabilità di evoluzione di un sistema verso un sistema omogeneo ad S massima, equivale ad una misura della carenza di informazione. Infatti l’informazione è frutto della possibile analisi di differenze in quanto un sistema in equilibro omogeneo è del tutto privo di informazione; l’entropia per Brillouin diviene quindi una misura di quanta informazione è andata perduta in una trasformazione e viceversa la "negentropia" assume il significato di misura del contenuto di informazione in una trasformazione.

Quanto sopra detto è ancora più facilmente comprensibile facendo riferimento ad un semplice esempio: quando si trasforma l’uva in vino, è necessario iniziare con lo schiacciare l’uva ed in tale fase si perde informazione in quanto viene distrutta la forma del grappolo d’uva, un tale processo che necessita di apporto energetico, viene indicato dalla crescita di entropia (ovvero di disordine); viceversa quando una nuova forma molecolare viene sintetizzata, (che per semplicità chiamiamo "vino") , in tale fase si registra la crescita di negantropia ovvero di un nuovo ordine molecolare sufficientemente stabile nel tempo.

Facendo riferimento ai precedenti concetti pertanto la alimentazione è quindi definibile come un complesso processo di relazioni tra energia, materia ed informazione (o se si preferisce di crescita negentropica), che attiva la vita di organismo; quest’ultimo può quindi essere considerato come una rete di comunicazioni programmate (es da: DNA, RNA, molecole-carrier ...ecc ...) che vengono catalizzate da sistemi di informazione (es. neurotrasmettitori, ormoni, enzimi.. ecc), che si esprimono nella codifica e decodifica di interazioni tra materia ed energia; questo sistema va considerato in termini di un sistema di informazione, che nell’insieme caratterizza le attività cataboliche e anaboliche del metabolismo di un organismo vivente.

La comunicazione chimica si esprime ad es. tramite la messa a comune di alcuni elettroni, ovvero la interazione di cariche elettriche, oppure la polarizzazione e depolarizzazione di molecole dipolari ecc.. ecc.; tale insieme di comunicazioni chimiche può essere organizzata in modo che la informazione trasmessa possa selezionare e dare forma a strutture molecolari prestabilite dalla codificazione genetica.

Ragionando in tal guisa possiamo dire che nei sistemi di auto-organizzazione delle reazioni biologiche, il metabolismo chimico si attua utilizzando di tutta una serie di reazioni cicliche accoppiate che necessitano energia dall’esterno, per agire sulla degradazione (reazioni cataboliche) degli alimenti, le quali generano anche la driving force (energia trainante) del processo metabolico. Le reazioni del catabolismo sono quindi eso-energetiche (+E) e con crescita di entropia(+ S); esse vengono accoppiate con reazioni di sintesi (anaboliche), quali ad es. la sintesi endo-energetica dell’adenosin-trifosfato (ATP), che funziona da accumulatore di energia (-E = circa 7 Kcal Mole spendibili in successive azioni di sintesi; ricordiamo che sono necessarie più di 8 K/cal Mole per la reazione inversa ADP + P à ATP ). La energia accumulata da ATP successivamente viene spesa la dove vi sia un lavoro necessario per ottenere una nuova organizzazione molecolare, e cioè l’ATP decomponendosi ciclicamente in adenosindifospato (ADP) ed acido fosforico (P) attiva un lavoro di informazione ovvero di crescita negentropica (-S).

Nella fase catabolica tramite processi di idrolisi, coadiuvati da enzimi e coenzimi, che hanno funzione catalitica specifica, ogni sostanza ingerita (glucidi, lipidi e proteine ecc..), viene degradata nei componenti fondamentali; i glucidi in anidride Carbonica (CO2) ed alcool etilico, i lipidi generalmente vengono idrolizzati a glicerina ed acidi grassi quali ad es. l’acido lattico; mentre la demolizione per idrolisi delle proteine conduce alla separazione degli amminoacidi dalla formula generale del tipo (NH2-(CH)n-COOH); tali costituenti proteici possono venire: A) ossidati per produrre calore generando ammoniaca (NH3) e CO2, molecole semplici che vengono espulse dall’organismo; la prima trasformata in urea (2NH3 + CO2 à urea) con le urine e la seconda trasformata in acido Carbonico (H2CO3 à H20 + CO2) ed allontanata dalla respirazione; B) oppure gli amminoacidi servono per le successive sintesi di proteine secondo un processo controllato dalla informazione genetica specifica di ciascun individuo. Dato che nostro sistema metabolico non è capace di sintetizzare cinque tipi dei 21 amminoacidi, i cinque amminoacidi essenziali dobbiamo assumerli dalla alimentazione.

In generale l’insieme dei prodotti idrolizzati ed elaborati dalla catalisi enzimatica confluisce in un sistema complesso di reazioni detto Ciclo di Krebs dal nome del biochimico tedesco Hans A. Krebs che nel 1937 ne pubblicò una dettagliata formulazione che mise in luce il concatenamento ciclico di una grande serie di reazioni, regolata da enzimi e coenzimi, che con meccanismi di ossidazione e idrogenazione dei prodotti di reazione portano ad un controllo graduale della elevata quantità di energia liberata in tale processo. Il ciclo di Krebs può quindi essere visto con una immagine, come una piazza centrale in cui convergono molte vie metaboliche il cui traffico è regolato da enzimi e coenzimi (quali semafori e vigili del traffico cittadino ), che indirizzano il materiale disaggregato da fonti alimentari verso la ricostruzione di prodotti molecolari ottenibili per sintesi anabolica di cui le cellule hanno bisogno; tutto ciò avviene quindi con modalità in gran parte indipendenti dalla dieta utilizzata, dato che qualsiasi cosa mangiamo, viene ridotta nei suoi componenti essenziali i quali sono in numero limitato. Da tali considerazioni si comprende meglio come il lavoro di informazione, ovvero il processo di regolazione negentropico, sia il problema da individuare e studiare per comprendere la vita e con essa il problema della salute.

Ricordiamo come alcuni enzimi detti "deidrogenasi" lavorino regolando i processi di ossidoriduzione, cosi ad es. il coenzima trasportatore di idrogeno NADH, nel ciclo di Krebs determina la produzione di tre molecole di ATP, mentre la attività di un altro importante nucleotide FADH2, ne produce solo due; la scelta dell’uno o dell’altro enzima è selezionata da un sistema complesso di informazione ormonale generata dalle ghiandole endocrine, ed inoltre da un sistema di comunicazione intra ed intercellulare, non ancora ben compreso dalla scienza, che può ad es. decidere di utilizzare gli amminoacidi solo per fornire calore, ovvero può scegliere di attivare della sintesi di nuove proteine azionando il processo controllato dal sistema di informazione genetica (DNA-RNA-RNA-Transfer ....) (3)

Possiamo considerare a questo punto il fatto che nella cellula vivente, le molecole che si formano certamente non nascono in modo casuale da semplici reazioni chimiche, ma piuttosto vengono prodotte da vie biosintetiche preordinate ed altamente specifiche in cui ciascun passo viene catalizzato da un adeguato enzima che agisce sulla selezione di sostanze tra loro affini (come ad es. gli zuccheri destro o levo giri), in un sistema di riconoscimento molecolare e di trasferimento di informazione generale nel quale agiscono anche funzioni cerebrali. Tutto ciò attualmente non rappresenta un sistema riproducibile in laboratorio e neppure risulta facilmente comprensibile dalla scienza contemporanea.

È infatti difficile comprendere ad es. come il sistema vivente adulto persegua una regola di "omeostasi" per cui l’individuo tende a rimanere se stesso durante il cambiamento metabolico là dove ben poche molecole perdurano senza modificazioni per tempi che durano più di un’ora, in quanto vengono degradate e risinteizzate in modo ordinato continuamente anche all’interno delle ossa. Per comprendere meglio questo stato dinamico ben poco spontaneo, ma frutto di un lavoro di informazione che permette una trasformazione continuamente ordinata, bisogna invero iniziare a riflettere a fondo sui concetti scientifici che utilizzano per capire le relazioni tra alimentazione vita e salute.

Quando ad esempio parliamo del lavoro di informazione nel contesto biologico, il concetto di lavoro è evidentemente ben diverso da quello descritto dalla fisica meccanica, come forza per spostamento di un oggetto che rimane inalterato nel tempo. C’è pure del lavoro meccanico nel sistema biologico, ma esso costituisce una parte concettualmente trascurabile nella comprensione della vita, proprio in quanto abbiamo visto che non siamo in presenza di alcuna condizione statica di equilibrio, ma in una situazione di organizzazione dinamica nella quale più del lavoro meccanico è decisivo l’apporto del lavoro di informazione.

L’informazione infatti non può essere estratta da un sistema in equilibrio, la dove essa è una costante; di conseguenza la informazione di un sistema in equilibrio costa poco in termini energetici così che la meccanica può trascurarne la entità. Diverso è il caso dei sistemi viventi dove ad esempio sappiamo che basta ben poca materia od energia per bloccare il sistema di informazione che produce la vita.

Infatti ad es. possiamo ricordare come siano sufficienti pochi milligrammi di curaro (o ancora minori quantità di gas nervini) per bloccare i meccanismi di trasmissione neuronale di informazione, ed oggi iniziamo a capire che, con una pillola per dimagrire, si può agire sul rallentamento dei processi di idrogenasi/deidronenasi enzimatica ed operare sulla inibizione della produzione di ATP, da cui dipendono le energie di attivazione dei processi anabolici, pur mangiando molto; allora diviene evidente quanto sia riduttivo limitare lo studio della nutrizione ad un calcolo energetico di calorie immesse e consumate dall’individuo, cosa che può servire solo a dare una informazione parziale sul fattore peso dell’individuo, ma ben poco sul significato scientifico della vita.

Già sappiamo come piccole quantità di vitamine e di elementi inorganici siano essenziali per la salute proprio in quanto tali elementi di basso valore energetico vanno ad interagire con il sistema di lavoro di informazione di un organismo vivente.

Pertanto per affrontare il problema della vita i chimici ed i biochimici, durante questo secolo che sta per finire, hanno analizzato e scoperto molti particolari sia sulla evoluzione chimica che sui meccanismi di reazione dei sistemi biologici complessi; quello che ancora manca è proprio una comprensione dei principi che agiscono nel campo dello sviluppo delle trasformazioni molecolari viste in termini di auto-organizzazione dei sitemi di informazione biologica; quanto sopra indubbiamente necessita una profonda riconcettualizzazione della scienza.

In questo impegno di approfondimento concettuale delle scienze della vita, vari ricercatori biochimici tra cui il russo Alexander Ivanovic Oparin (1938) ed in seguito l’americano Standey Miller (1953), ed altri, hanno iniziato a sperimentare la attività di scariche elettriche su un "brodo primordiale" composto di molecole semplici come metano, ammoniaca, acqua, e sale riuscendo ad ottenere amminoacidi semplici; poi dai primi "coacervati molecolari" di chimica pre-biotica ottenuti in tal guisa, mediante ulteriori trattamenti ed aggiunte di molecole ossigenate, hanno osservato una incipiente evoluzione chimica, che ha condotto ad ottenere in vitro la produzione di alcune proteine, e persino alcune sequenze del RNA, senza però attivare in alcun caso sistemi paragonabili a qualcosa di simile ad un sistema vivente. (4)

Altri chimici hanno tentato di individuare situazioni similari al metabolismo. ricercando di simulare il ciclo di Krebs (a cui afferiscono migliaia di reazioni) ad un livello di organizzazione catalitica inferiore, in modo da capire i principi che regolano tale attività di auto-organizzazione delle trasformazioni chimiche. Tra essi iniziò lo studio delle "Reazioni Chimiche Oscillanti" il chimico russo Zhabotinskii (1953) ed in seguito i suoi studenti Belousow ed Prigogine (quest’ultimo per tali studi ottenne il premio Nobel per la chimica nel 1977) (5), proprio in quanto riuscì ad definire alcuni criteri interpretativi innovativi per la comprensione dei sistemi chimici che presentano condizioni di auto-organizzazione dinamica simili a quelle del metabolismo.

Concludendo queste sintetiche considerazioni sullo studio dei processi metabolici della alimentazione, allo scopo di dare un contributo alla innovazione educativa, il nostro Laboratorio ha realizzato in collaborazione con il centro didattico TV della Università di Firenze l’Audiovisivo in cassetta VHS dal Titolo "Le Reazioni Chimiche Oscillanti" (6)

Inoltre comprendendo, in seguito a le indicazioni di Ilya Prigogine, che l’effetto fondamentale della attività di un sistema vivente è quello di produrre informazione, abbiamo messo in evidenza la necessita di costruire un nuovo paradigma della scienza, che sappia prendere in considerazione il concetto di "informazione" quale parametro generale mancante per dare sviluppo alla capacità di interpretazione del lavoro di informazione in campo biologico.

Pertanto sapendo dal principio di conservazione della energia, che non è possibile ricavare da un sistema più lavoro di quanto se ne sia speso in esso, datasi la impossibilità sperimentale di attuare il moto perpetuo, abbiamo iniziato ad introdurre la variabile informazione come una forma di energia mancante nella considerazione delle possibili trasformazioni di Energia. Il risultato della nostra riflessione è semplice ma essenziale poiché è facile ricavare che la crescita di informazione in un sistema dinamico di codificazione e decodificazione di interazioni tra energia e materia, avviene a spese di una sostanziale economia che procede verso la dematerializzazione di processi a forte dissipazione di energia. Abbiamo chiamato questo risultato "principio di fertilità evolutiva".(7)

La revisione delle conoscenze scientifiche, associata allo sviluppo odierno delle biotecnologie, acquista un carattere decisivo per lo sviluppo delle scienza e della cultura contemporanea, pertanto ritengo proficuo suggerire alcune indicazioni di "cognitive brokering in Internet" (8) sul tema della Alimentazione, che potranno risultare utili per un più completo sviluppo della "editoria elettronica scolastica" su questo importante argomento; come Laboratorio di Ricerca Educativa della Università di Firenze vogliamo infatti incentivare in collaborazione con le scuole, una ampia riflessione nel Worl Wide Web su temi importanti che riguardano il rinnovamento cognitivo della scienza.

 BIBLIOGRAFIA

(1) Erwin Schodinger "Che cos’è la vita", Sansoni Firenze 1988
(2) Leon Brillouin, "Science & InformationTheory", Ac.Press. NY 1956
(3) Mario Marzona " Le basi Chimiche della vita", SEI -To- 1988
(4) Stephes F. Mason "Chemical Evolution", Claredon P. Oxford (1991)
(5) vedi e-biblio in:
http://magna.com.au/~prfbrown/chaos_02.htm
http://magna.com.au/~prfbrown/ilyatime.htm
http://order.ph.utexas.edu/people/prigogine/index.html
http://order.ph.utexas.edu/endofcertainty/
(6) Audiovisivo VHS- "LE REAZIONI CHIMICHE OSCILLANTI", di P. Manzelli et Al.;
Catalogo Centro Didattico Televisivo Università di Firenze (1991); l’audiovisivo può essere richiesto in copia per motivi didattici telefonando al 055/4376381
(7) P. Manzelli " CREATIVITY AND SCIENCE " , Australian Chemistry Resource Book, ACIC Bathurst, 12, 128-30, (1992), anche ACTA VETERINARIA, Univ. de Extremadura, 7, 15-16, (1993) Vedi anche in Internet: La Ricerca Educativa: a cura di Paolo Manzelli http://www.edscuola.com/, l’articolo dal titolo: "Science and Creativity" oppure in spagnolo "Creativitad y Ciencia".
(8) Cognitive Brokering
Alimentazione:
http://www.comune.ferrara.it/itis/mastella/trans.htm
Vitamine:
http://www.comune.ferrara.it/itis/mastella/vitamine.htm
Glossario:
http://www.areacom.it/html/area/homepage/yogurt/glossa.htm
Didattica nel Web:
http://antlab.fci.unibo.it/cbo/c2/c2.htm
http://www.sameint.it/all/alimenta/al_nos/alimenti/alimenti.htm
http://www.sameint.it/all/alimenta/al_nos/larn/fabbiso.htm
Alimentazione e sport:
http://www.sameint.it/all/alimenta/al_sport/idxsport.htm
Curricolo:
http://www.bdp.it/~vree0001/EUROPA2.htm