Il Chimico Svedese J.J. Berzelius (1835) fu
il primo a formulare nella scienza il concetto di
“catalisi”osservando che alcune reazioni chimiche sembravano
procedere più velocemente in presenza di un’altra sostanza, che
rimaneva inalterata, e suggerì che tale sostanza esercitasse quella
che egli definì una "forza catalitica", sottolineando che tale
attrazione era cosa diversa dall’affinità poiche’ determinava una
influenza (Einfluss ) capace provocare una variazione delle
affinita ‘chimiche ordinarie tra atomi e molecole. Berzelius scrisse
infatti :"...E' provato che parecchi corpi semplici e composti
solubili ed insolubili hanno la proprietà di esercitare su un altro
corpo un'azione molto differente all'affinità chimica. Per mezzo di
questa azione, essi producono in questi corpi decomposizione dei
loro elementi ai quali restano estranei". Ancora non era
chiaro se la catalisi fosse dovuta ad effetti di natura elettrica,
ovvero nel caso di fenomeni auto-catalitici alla formazione di
composti chimici intermedi, dotati di vita breve capaci di
influenzare l’ andamento della reazione. In seguito si riconobbe che
anche nelle reazioni biochimiche la catalisi era determinante,
infatti nello studio dei processi di digestione il botanico Theodor
Schwann (1836) portò un contributo essenziale agli studi sulla
catalisi, con la estrazione dal succo gastrico di un principio
digestivo che chiamò “pepsina”, verificando che piccole quantità di
pepsina erano in grado di agire su grandi quantità di albumina;
quindi affermò che l'azione del nuovo principio doveva essere di
natura catalitica. Sappiamo ormai che reagenti di una qualsiasi
trasformazione chimica o biochimica per trasformarsi in prodotti
debbono essere catalizzati . Infatti i reagenti per divenire
prodotti debbono superare una barriera energetica, pertanto
similmente all’ attrito meccanico, la catalisi permette di superare
la cosiddetta “energia di attivazione “, cosi da far uscire
la reazione dalle condizioni di stabilita’ energetica della
aggregazione molecolare dei reagenti. Pertanto l’ avvento di una
reazione viene comunque a dipendere dall’ azione catalizzante
necessaria al superamento della energia di attivazione. Quindi la
velocita’ di reazione sarà tanto più lenta in proporzione a quanto
risulta maggiore l’energia di attivazione richiesta della
trasformazione dei reagenti in prodotti. Di conseguenza a tali
considerazioni la prima interpretazione della catalisi e’ stata
acquisita in termini cinetici. Per abbassare l’energia di
attivazione possono essere utilizzati dei catalizzatori, che
accelerano o decelerano la reattivita’ in virtù di una complessa
azione, ancora da definire, che si risolve rispettivamente nell’
abbassamento od innalzamento della barriera di attivazione
richiesta dallo sviluppo della trasformazione. A seguito di tale
interpretazione scientifica i catalizzatori sono delle sostanze che
possono essere aggiunte nel reattore( ma che si possono anche
formare quali intermedi di reazione nei casi di auto-catalisi), le
quali oltre a dare inizio alla reattività del sistema ne influenzano
la dinamica di sviluppo accelerandola o ritardandola. Nel caso che
piu’ reazioni siano contemporaneamente coinvolte la catalisi chimica
puo’ mostrare una elevata selettività agendo sulle differenze dei
tempi di reazione di ciascuna linea di sviluppo della
trasformazione complessiva, cosi che la catalisi riesce anche a
privilegiare la produttivita’ di un tipo di reazione rispetto ad
un'altro in modo versatile e di importante rilievo quantitativo. In
generale quindi superato lo stato di attivazione iniziale, il
catalizzatore prosegue la sua azione come un sistema di regolazione
dei flussi di energia e materia, e pertanto, per analogia, possiamo
dire che si comporta come un “semaforo” stradale che, se ben
tarato nei tempi di cambiamento dei segnali luminosi, regola il
flusso delle dei mezzi che circolano ad un incrocio. Dicesi “tempo
di catalisi” (τ), il tempo segnato dalla permanenza della miscela
reagente nelle condizioni di sviluppo delle reazione; (τ) e’
proporzionale al rapporto tra il flusso dei reagenti che si
trasformano in prodotti in funzione della azione del catalizzatore.
In biologia il fenomeno catalitico e’ noto come catalisi enzimatica
ed esso assume una importanza decisiva nelle reazioni biochimiche .
R. Willstätter Premio Nobel per la Chimica (1915) per i suoi studi
sugli enzimi scrisse (1929) : "La vita non e’ altro che l'ordinata
cooperazione di processi enzimatici" . Infatti ogni enzima catalizza
specifici processi biochimici disponendo normalmente di diversi
tipi di siti attivi catalitici. Pertanto una reazione biochimica può
essere realizzata stabilizzando i modo puntuale i processi di
trasformazione, con estrema versatilita’ e plasticita’, cosi da
favorire ovvero inibire lo sviluppo dei processi biologici che
fanno seguito al sistema di informazione genetica e dal suo
trasferimento nelle varie funzioni vitali della cellula. La catalisi
enzimatica procede normalmente attraverso la formazione di complessi
tra l'enzima e i reagenti. L'enzima (E) si combina con lo specifico
reagente detto substrato (S), per formare un complesso
“enzima-substrato”, che si scinde in prodotto P ed enzima libero,
cosi che (E) risulta nuovamente disponibile per reagire con un’
altra molecola substrato. Tutto questo e ben noto , ma ancora non
risulta evidente come si effettui il sistema di riconoscimento che
rende altamente specifica l’ azione catalizzante di un enzima e
neppure come l’ azione catalitica si uniformi al complesso sistema
di informazione dell’ insieme del metabolismo cellulare che nel suo
complesso da vita ad un organismo vivente. Pertanto il problema
della interpretazione della catalisi estesa al campo della azione
enzimatica si impatta con la problematica di come si possa
comprendere il funzionamento sistema metabolico che da vita ad una
cellula mediante le reazioni bio-catalitiche che si attuano durante
i processi nutrizionali. Purtroppo, anche in questo caso, una
impostazione di indole meccanica della scienza, porta ancora a
ricondurre queste problematiche ancora da capire, in termini assai
riduttivi di bilancio energetico. Il Premio Nobel Erwin
Schrödinger in un suo libro dal titolo “Cosa e’ la Vita”
disse testualmente "Per un organismo adulto il contenuto
energetico é pressoché stazionario così come il contenuto materiale.
Poiché certamente ogni caloria é equivalente ad ogni altra qualsiasi
caloria, non si riesce a vedere a cosa serva un semplice scambio.
Qual'é quindi il prezioso elemento che é contenuto nel nostro cibo
che ci preserva dalla morte?". La vita é essenzialmente funzione
di un “lavoro di informazione” necessario per la continua
ricomposizione del metabolismo cellulare, che con la morte in
qualche modo viene repentinamente a cessare . Pertanto per
comprendere piu’ a fondo la attivita’ di tipo informazionale della
catalisi nell’ambito delle trasformazioni di sistemi aperti a
scambi di energia e materia ( come ad es. e’ la nutrizione
cellulare) e’ necessario ritornare alla osservazione dell’andamento
delle reazioni chimiche piu’ semplici. A tal fine nell’ intento di
simulare il ciclo di Krebs (di per se troppo complesso per una
osservazione diretta datosi l’ elevato numero di reazioni
concomitanti individuate fin da 1937 quali elementi chiave del
metabolismo biologico dal premio Nobel (1953) Hans Adolf Krebs) ,
due scienziati Russi
Belousow e Zhabotinsky , misero a punto tutta una serie di
reazioni chimiche tramite le quali misero in evidenza il fenomeno
dell’ auto-catalisi nelle cosi’ dette “Reazioni Oscillanti”
Il premio Nobel per la Chimica Ilya Prigogine (1973) , si interesso’
attivamente a tali fenomeni oscillanti, trattandoli in termini di “strutture
dissipative” di entropia , ( e cioe’ di disordine ),
statisticamente tendenti ad invertire la dinamica del caos in nuovo
ordine ad entropia negativa ( negentropia), finalizzati alla ricerca
di un nuovo equilibrio dei prodotti della reazione .Inoltre in varie
letture di filosofia della scienza sul tema, “Order out of Chaos
“ Prigogine e Isabelle Stengers (1984), ammisero la limitatezza
della interpretazione statistica comprendendo che la strutture
dissipative necessariamente dovevano obbedire ad un semplice sistema
di comunicazione di informazione che regolando il tempo della
catalisi , permetteva soluzioni dinamiche coerenti con lo sviluppo
dell’ intero sistema di reazione. Tale ammissione e’ necessaria
perche’ altrimenti pensando ad interazioni del tutto casuali tra
molecole, l’ ordine statistico non potrebbe superare una ampiezza
maggiore di 10-8 cm, mentre con tutta evidenza un sistema
di reazione auto-organizzato necessita di percepire una
informazione tale che permetta di sviluppare attivita catalitica
coerente con lo stato complessivo del sistema per favorirne la
puntualità del risultato finale. Infine Prigogine con i suoi lavori
e riflessioni, sottolineo’ come le strutture dissipative di
trasformazione auto-catalitica da lui studiate dipendano
criticamente da fattori ambientali esterni tra cui gli effetti
gravitazionali ed elettromagnetici . Indipendentemente da cio’ e
dalla complessita’ di tali problematiche , sempre al fine di
analizzarne alcune reazioni piu semplici per capire il principio di
attuazione del sistema catalitico , abbiamo preso in osservazione un
tipo di reazioni oscillanti, dette “Anelli di Liesegang”,
note sperimentalmente fin dal 1886 e facilmente riproducibili.
Queste reazioni periodiche oscillanti di precipitazione esibiscono
una struttura detta a strisce di Zebra “(Zebra
Stripes) “ ( vedi foto allegata) . Passando a sistemi
catalitici piu’ complessi osserviamo ancora che tale fenomeno di
periodicita’ nel tempo dello sviluppo di una reazione chimica o
biochimica e assai generale e per rendersene conto basta tagliare un
tronco di un albero per vederne la struttura ad anelli che e’ un
indice della eta’ stessa dell’ albero. Pertanto da tali osservazioni
non risulta difficile comprendere che la azione catalizzante tende
ad svolgere una azione di regolazione delle attivita’ di sviluppo
temporale delle reazioni chimiche; infatti nelle reazioni oscillanti
e precipitazioni periodiche si nota che, tenendo costanti le
variabili termodinamiche Pressione e Temperatura e concentrazioni
iniziali , la reazione si sviluppa e si conclude puntualmente un
“tempo di catalisi” (τ ) assai preciso, tale che la reazione
stessa viene anche detta Reazione dell’ Orologio. (Clock
Reactions) . Per ottenere tale risultato che implica una
coerenza collettiva del sistema catalitico della reazione , e dato
che il catalizzatore rappresenta sempre una piccola porzione
rispetto alla quantita’ dei reagenti che si trasformano in prodotti
e’ necessario ammettere che la catalisi esprima un potere di
regolazione che supera la distanza di contatto tra le molecole.
Pertanto l’ unica possibilita’, ammissibile nell’ ambito delle
conoscenze scientifiche attualmente note, risulta quella di
ammettere che il catalizzatore possa agire come un circuito
elettromagnetico oscillante , e cioe’ come una antenna risonante
capace di trasmettere informazioni . A seguito di tale lecita
ammissione la vecchia analogia che ha assimilato la azione
catalizzatrice ad un sistema di “chiave serratura” , ha una
maggiore ragion d’essere sostituita dalla analogia precedentemente
assunta come trasmissione di segnali di un “semaforo” capace
di ordinare selettivamente il tempo delle trasformazioni molecolari
in una reazione chimica. Molte evidenze di quanto sopra detto sono
state messe a punto nel settore di indagine della “Biofisica”,
e in particolare nel campo degli studi sulla catalisi enzimatica
che determina l’ apoptosi (morte cellulare programmata). La
catalisi pertanto va vista come controllo programmato del tempo di
reazione tramite codificazione di segnali e non solo come attivatore
od inibitore casuale della velocita di reazione; in tal misura un
campo assai vasto di indagine che include la comprensione dei “bioritmi”
come condizione fondamentale della non casualità delle
relazioni di informazione nello sviluppo di una reazione di
trasformazione chimica, cosi come della espressione piu’ complessa
della vitalita’ delle reazioni biologiche dei sistemi viventi. A
proposito della importanza della “temporalizzazione catalitica”
che indica la capacita di riconoscimento dei tempo nello sviluppo
delle trasformazioni, ci sembra utile riportate come ad iniziare
dagli studi sullo sviluppo evolutivo degli ovociti , si e’ iniziato
a comprendere come la diversita’ delle specie viventi non dipenda
unicamente dalle differenze di codificazione genetica, ma in
notevole misura della regolazione catalitica dello sviluppo della
informazione biologica. Un interessante esempio a tal proposito
emerge da un recente ricerca embriologica riportato su Scientific
American (Vol.292/N-4/APRIL-2005pp.80-81 ;da cui e estratta la
figura delle diverse razze di zebra). Leggendo tale articolo si
comprende che tre diverse specie di Zebra differiscono per la
struttura delle strisce del loro pellame e che la differenziazione
e’ influenzata dal tempo in cui la commutazione catalitica dei geni
(Gene’s Switching), inizia a livello della ontogenesi
embrionale, generando riconoscibilmente lo sviluppo differenziato
dei caratteri filogenetici delle tre razze di Zebra. Tale risultato
da riflettere su come la temporalizzazione della attivita catalitica
permetta anche di raccordare il rapporto tra ontogenesi e
filogenesi, di organismi appartenenti alla stessa specie ma a razze
differenziate.
UNO SGUARDO al
FUTURO : certamente il campo di applicazione della catalisi
chimica e bio-chimica e assai vasto e quindi sara’ necessario un
ampio lavoro di indagine conoscitiva e di ricerca scientifica per
metter a punto un sistema di comprensione piu’ ampia del fenomeno
catalitico che potra’ indubbiamente portare ad una piu completa
revisione cognitiva della scienza meccanica storicamente fondata
esclusivamente sulle interazioni tra energia e materia, anziche’
sulle interazioni tra energia (E) ,materia (M) ed informazione (I) ;
tale cambiamento mentale (Mind-Shift) sara’ utile proprio al fine
di includere l’ effetto catalitico basato sulla regolazione dei
tempo della informazione. Per indirizzare tale comprensione e
ridisegnare la concezione della catalisi vista in termini di
regolatore degli “orologi bio-chimici” abbiamo iniziato a concepire
la dimensione del nuovo paradigma “E.M.I” , ritenendo che le
relazioni tra energia materia ed informazione potessero essere
comprese entro un quadro cognitivo piu’ ampio capace di interpretare
la traduzione di segnali in termini di relazioni di comunicazione
chimica sostanzialmente basate su la ipotesi formulata da Louis
Victor De Broglie nella sua tesi di dottorato del 1923, dove
asseri’ che tutte le particelle materiali, oltre che come massa si
comportano anche come onde. Pertanto le informazioni possono essere
guidate da riconoscibili fenomeni di interferenza di Energia e
Materia che definiscono le trasformazioni di misura del tempo in
relazioni spaziali, cosi’ che le tracce del tempo divengo capaci di
essere riconosciute in modo da rendere il caos emergente in ogni
trasformazione controllato ed armonizzato dal un sistema catalitico
agente a distanza. Questa tematica verra’ affrontata nelle prossime
riunioni di confronto sulle strategie scientifiche del “Open
Network for New Science” (in sigla ON-NS), le quali vengono
periodicamente organizzate dal EGOCREANET /LRE della Università di
Firenze , nell’ ambito delle manifestazioni per la Settimana Europea
della Scienza.
