Quando ero piccolo rimasi affascinato dalla capacità che hanno i camaleonti nel cambiare velocemente il colore della propria pelle. All’epoca mi era stato spiegato che questa caratteristica fosse legata alla necessità di mimetizzazione (il cosiddetto mimetismo criptico) per evitare gli attacchi di eventuali predatori. Come possibile spiegazione chimica mi era stata proposta la presenza di particolari cellule, indicate come cromotofori , contenenti dei pigmenti tipo melanina in grado di modulare la lunghezza d’onda della luce assorbita in funzione dei cambiamenti strutturali cui essi potevano essere sottoposti.
Nel tempo la cosa mi è passata di mente. Certo i camaleonti con la loro caratteristica erano sempre presenti nella mia memoria, ma come qualcosa di collaterale di cui si decide di approfondire la conoscenza quando se ne ha il tempo non essendo, l’erpetologia, l’oggetto principale delle mie ricerche.
Ma ecco il punto di svolta. Mi capita sotto gli occhi, durante una delle mie tante sessioni di ricerca bibliografica, un lavoro dal titolo: “Photonic crystals cause active colour change in chameleons”. Gli autori sono di un centro di ricerca Svizzero ed il lavoro è del 2015. Mi sono detto: “oilà, vuoi vedere che hanno compreso perché i camaleonti usano il cambiamento di colore come strategia di mimetizzazione?”. La mia sorpresa è stata enorme quando ho letto il lavoro che potete trovare in originale qui.
Provo a spiegare la mia sorpresa legata sia al fascino che la chimica fisica esercita sempre su di me che al fatto che ho dovuto abbandonare le mie vecchie convinzioni in merito al motivo per cui i camaleonti cambiano colore.
Infatti, il lavoro pubblicato su Nature Communications di cui ho messo il link sopra, ha evidenziato che la strategia adottata dai camaleonti non è tesa ad ingannare i predatori. Il cambiamento di colore viene messo in atto quando questi rettili sono eccitati, ovvero si trovano ad affrontare situazioni nuove ed inusuali come un combattimento, un corteggiamento, una patologia oppure un semplice cambio di ambiente. Quindi sfatiamo la leggenda metropolitana tanto in auge quando io ero piccolo: il cambiamento di colore non è una mimetismo criptico.
Ma quali sono i meccanismi alla base del cambiamento di colore dei camaleonti?
È qui che entra in gioco la chimica-fisica.
I ricercatori svizzeri hanno evidenziato che la pelle dei camaleonti è fatta da due strati sovrapposti. Lo strato superficiale contiene dei cristalli di guanina (Figura 1)
Figura 1. Struttura della guanina, base azotata presente anche nel DNA (Fonte)
delle dimensioni di circa 127 nm ed organizzati a formare dei reticoli triangolari (Figura 2).
Figura 2. Reticoli di cristalli di guanina (Fonte)
I cristalli di guanina hanno un proprio indice di rifrazione, ovvero sono in grado di deviare la traiettoria delle onde luminose di un certo angolo (Figura 3).
Le onde luminose rifratte dai vari cristalli di guanina interferiscono tra loro generando i colori tipici dei camaleonti in assenza di stress.
Quando sottoposti a stress, i camaleonti riescono a modificare le distanze tra i vari cristalli di guanina modificando l’interferenza tra le varie onde rifratte e, di conseguenza, il colore della pelle.
In altre parole, la variazione delle distanze tra i cristalli di guanina è associata ad una variazione dell’indice di rifrazione della superficie della pelle dei camaleonti e, quindi, dei cambiamenti reversibili di colorazione.
Variazioni dell’indice di rifrazione possono portare ad un aumento della temperatura corporea dei camaleonti. Lo strato cutaneo sottostante, che non contiene cristalli di guanina, serve per la termoregolazione corporea conseguente alle variazioni anzidette.
Volete una spiegazione un po’ più dettagliata e scenografica di quella che ho proposto molto semplicisticamente? Potete guardare il video sottostante (in Inglese) elaborato dagli autori del lavoro di cui suggerisco la lettura.
Conoscete Stradivari? Beh, chi non conosce il famoso liutaio i cui strumenti sono entrati nella leggenda? Fino a qualche tempo fa si diceva che Stradivari avesse un segreto ben custodito che gli consentiva di ottenere strumenti musicali dalle caratteristiche eccezionali. Certamente la scelta di materiali di ottima qualità gioca un ruolo importantissimo nella definizione del suono di uno strumento, Ma come mai ancora oggi tali strumenti conservano intatte le loro caratteristiche rendendoli ineguagliabili e preziosissimi?
All’inizio di quest’anno è apparso su PNAS (rivista molto prestigiosa in ambito scientifico) un articolo in cui gli autori spiegavano che la conservazione della qualità degli strumenti di Stradivari era legata ai processi messi in atto dal liutaio in fase di costruzione e di rifinitura di ognuno di essi. Potete trovare qui il lavoro su PNAS e qui una breve sintesi dello stesso in italiano.
Devo aggiungere con tanto orgoglio per tutta una serie di questioni che vanno al di là della semplice appartenenza istituzionale, che è stato recentemente pubblicato su Journal of Polymer Science, Part A: Polymer Chemistry un lavoro a primo nome di un mio carissimo amico, Alberto Spinella, in cui, per la prima volta, vengono delucidati i meccanismi alla base delle resine che Stradivari ha usato per assicurare la conservazione dei suoi famosissimi strumenti musicali. Il lavoro originale lo potete trovare a questo link. Purtroppo non esiste una sintesi in Italiano perché le riviste di divulgazione scientifica generaliste italiane non sembrano interessate a lavori pubblicati su riviste meno impattate di Nature, PNAS o Science. È un vero peccato perché si trovano lavori innovativi anche su riviste meno quotate di quelle citate ma col difetto di essere un po’ troppo tecnici per quelle summenzionate.
Ma veniamo ai dettagli.
Alberto è un ottimo NMR-ista. Come me si occupa, cioè, di risonanza magnetica nucleare. Io applico la tecnica ai comparti ambientali, Alberto la applica ai materiali.
Con la collaborazione di colleghi dell’universitã di Pavia, ha messo a punto una serie di esperimenti grazie ai quali ha potuto stabilire la composizione esatta delle vernici usate da Stradivari costituite da olio di semi di lino e colofonia. Quest’ultima è una resina che si ottiene dalla distillazione delle trementine ed il cui componente principale è l’acido abietico (Figura 1).
Figura 1. Acido abietico, principale costituente della colofonia
Quando colofonia ed olio di semi di lino vengono mescolati in rapporti differenti e riscaldati ad una temperatura di 270 °C si realizza una reazione di esterificazione simile a quella descritta nella Figura 2.
Figura 2. Reazione di esterificazione tra un componente dell’olio di semi di lino e l’acido abietico, componente della colofonia
Tra tutte le possibili miscele, quella 25 : 75 (colofonia : olio di semi di lino) è la più simile alla vernice usata da Stradivari. Perché proprio quel rapporto e non un altro? Perché quel rapporto rappresenta il rapporto stechiometrico 1 : 1 tra i reagenti riportati in Figura 2 ed è quello che assicura la massima protezione dall’invecchiamento dei legni usati per la fabbricazione degli strumenti del liutaio Cremonese.
Quando si dice la chimica al servizio della musica. Interessante, vero?
Ho appena finito di leggere il libro del Prof. Burioni dal titolo “La congiura dei Somari. Perché la scienza non può essere democratica”, in cui l’autore spiega, semmai ce ne fosse bisogno, cosa vuol dire la locuzione “la scienza non è democratica”.
In breve, come sanno tutti coloro che a vario titolo si occupano di scienza, questa non è democratica nel senso che chiunque si svegli la mattina ha diritto di parola e può dire ciò che vuole su qualunque argomento; la scienza è democratica perché chiunque lo desideri può approfondire un particolare aspetto della realtà che ci circonda e dare il suo personale contributo nella spiegazione dei fatti che ha deciso di osservare. In altre parole, la scienza non si basa sulle opinioni di nessuno – sia scienziati che gente che fa altro nella propria vita – ma sui fatti. Si osserva un fenomeno, si ipotizza un modello interpretativo, si conducono esperimenti per validare o falsificare quel modello; nel primo caso il modello funziona e diventa teoria, nel secondo il modello non funziona e bisogna riformularlo; a questo punto gli esperimenti devono essere ripetuti. Come si capisce da questa breve disamina, la modellizzazione dei fatti sperimentali è alla base di quella che viene indicata come verità scientifica. La verità scientifica non ha una valenza assoluta ma è relativa alle condizioni entro le quali le ipotesi sono state formulate.
Ottimismo scientifico
Da quanto appena descritto nasce l’ottimismo scientifico in base al quale una nuova idea o una nuova osservazione mai fatta prima possono condurre ad una nuova verità scientifica che può inglobare quella precedente oppure semplicemente sostituirla: è accaduto per il modello geocentrico dell’universo sostituito da quello eliocentrico, sebbene entrambi avessero pari dignità in termini di formulazione matematica, per la teoria del flogisto sostituita dalle leggi di Lavoisier, per la fisica di Newton inglobata nella meccanica quantistica e così via di seguito.
L’ottimismo scientifico viene male interpretato da chi non conosce la scienza. Infatti, spesso si nasconde la propria ignoranza affermando che le proprie idee siano valide perché si è sicuri che in un futuro non si sa bene quanto lontano, ci sarà qualcuno che proverà la validità delle affermazioni formulate. Il più delle volte ci si riferisce alla vita romanzata di Galilei o di Einstein attraverso un confronto piuttosto spinto: “come quei due grandi scienziati sono stati avversati dall’establishment dei loro tempi, così vengo avversato io perché le mie idee sono innovative e contrarie alle opinioni comuni. Tuttavia, ci sarà in futuro chi mi darà ragione come è accaduto a Galilei ed Einstein”. Chi fa questi pensieri, che io definisco osceni, non si rende conto che quei due hanno avuto ragione non perché avessero espresso delle opinioni generiche basate sul nulla, ma perché avevano generato un impianto fisico che si è dimostrato valido alla prova del tempo. Hanno fatto esperimenti, hanno controllato e ricontrollato i loro dati, e le loro teorie hanno subito l’attacco del mondo scientifico che ha tentato di falsificarle. Non è stato possibile trovare incrinature nel loro impianto teorico. La conseguenza è che esse sono state accettate. Ma solo fino a prova contraria. Se c’è qualcuno che pensa che le teorie di Galilei ed Einstein siano verità assolute, farebbe meglio a ricredersi. Non è così. E non è così per tutte le teorie scientifiche che oggi studiamo sui libri. Sono sicuro che in qualche laboratorio in giro per il mondo c’è qualcuno che sta tentando di falsificare – in senso popperiano – uno qualsiasi dei modelli attualmente accettati nella letteratura scientifica. Tuttavia, i tentativi di falsificazione sono condotti non sulla base di teorie astruse venute in mente durante notti di plenilunio dopo aver mangiato pesante ed ecceduto in libagioni, bensì sulla base di disegni sperimentali sempre più innovativi che servono per comprendere fino a dove ci possiamo spingere con le teorie al momento accreditate.
Sui somari
Il Prof. Burioni va oltre le spiegazioni appena riassunte. Egli, infatti, da ottimo docente quale è, definisce il termine “somaro” che è attualmente desueto, ma era molto di moda quando persone della mia età, che grosso modo è la stessa di Burioni, andavano alle elementari. Un “somaro” nella accezione dell’autore – che poi è l’accezione di quando eravamo piccoli noi – è colui che, pur non avendo studiato, pensa di poter dare un contributo ad argomenti di cui non conosce nulla, alla pari di chi di quegli argomenti ha fatto non solo il proprio oggetto di studi, ma anche la propria ragione di vita.
Alla luce di quanto scritto, tutti siamo dei somari. Prendendo spunto da quanto scrive il Prof. Burioni, io chimico sono un somaro se pretendo di discutere alla pari col mio elettricista, col mio meccanico o finanche con un altro chimico che si occupi di un settore completamente differente dal mio. Ma questo è chiaro. Ho passato la mia vita a studiare chimica; certo ho studiato anche la fisica ed, in particolare, l’elettromagnetismo per cui so cos’è una corrente alternata ed una corrente continua, ma da qui a poter mettere le mani sull’impianto elettrico di casa mia ce ne passa: ho bisogno di un elettricista esperto che sappia cosa fare. Potreste dirmi: ma se hai studiato chimica, come mai non puoi confrontarti con un chimico che lavora in un campo che non è il tuo? Appunto! Io passo la mia vita a studiare la dinamica molecolare dell’acqua e dei nutrienti nei vari comparti ambientali; come potrei anche solo pensare di discutere alla pari con un chimico che si occupa di dinamica di nutrienti nel corpo umano? Come potrei discutere alla pari con un chimico che si occupa di chimica computazionale o di chimica di sintesi? Solo chi non conosce le varie sfumature dei vari rami della chimica può pensare che un chimico abbia familiarità con lo scibile chimico. Se mi addentrassi con le mie conoscenze attuali in una discussione con un esperto sulla chimica computazionale, verrei riconosciuto subito per quello che sono in quell’ambito: un somaro. Ma non ho motivo di offendermi. Sono consapevole di non conoscere tutto, per cui cerco di discutere alla pari solo con chi ha la mia stessa formazione. In tutti gli altri casi o ascolto ed imparo oppure sono io che do lezioni. Certo sono in grado di seguire una discussione in un qualunque ambito chimico, ma non sono in grado di dare un contributo significativo se non nel mio ristretto ambito professionale.
Sulla base di quanto ho finora scritto, non capisco perché apostrofare gli antivaccinisti col termine “asini” abbia scatenato in rete tutta una serie di invettive da parte di chi, volendo applicare le modalità del pensiero debole, ritiene che l’approccio di Burioni non serva per convincere le persone. Qui non si tratta di convincere nessuno. Qui si tratta di dire le cose come stanno: la mamma informata che non vaccina i figli perché ritiene che gli adiuvanti siano tossici o che il sistema immunitario degli infanti sia perfetto o che l’igiene protegga dai virus, altro non é che una somara perché rientra nella tipologia di persone che non solo parla di cose che non sa, pretendendo di dare consigli come se fosse un medico, ma nemmeno si informa correttamente perché cerca solo le informazioni che avallano le sue personalissime opinioni.
Sugli stupidi
Ed ora vengo al punto. Quanto riportato dal Prof. Burioni non è cosa nuova nel panorama culturale italiano. Molto prima di lui, uno storico Italiano, specializzato in storia economica, definisce con il termine “stupido” quello che è il “somaro” di Burioni. Si tratta di Carlo M. Cipolla la cui biografia si può leggere qui. In realtà, lo “stupido” del Prof. Cipolla ha una accezione più ampia del “somaro” di Burioni. Infatti, mentre il “somaro” è colui che non ha studiato ma, soggetto all’ effetto Dunning-Kruger, ritiene di sapere tutto di un qualsiasi ramo dello scibile umano intervenendo così a sproposito in ogni discussione, lo “stupido” è colui che ha un comportamento grazie al quale arreca un danno sia a se stesso che alla società di cui fa parte.
Ma andiamo con ordine.
Nel suo “Le leggi fondamentali della stupidità umana”, Carlo Cipolla descrive quattro tipologie umane che, in modo analitico, egli dispone nei quattro quadranti di un sistema di assi cartesiani (Figura 1).
Figura 1. Distribuzione delle varie tipologie umane. L’asse x riporta il vantaggio crescente (da sinistra a destra) per il singolo soggetto, mentre l’asse y mostra il vantaggio crescente (dal basso verso l’alto) per un insieme di persone o la società (Fonte)
La disposizione delle quattro tipologie umane segue un andamento ben preciso in funzione del vantaggio crescente che l’individuo dà a se stesso ed alla comunità di individui a cui appartiene. In questo modo, è possibile distinguere individui intelligenti che, col loro comportamento, riescono ad ottenere vantaggi per se stessi e per gli altri (quadrante I del sistema di assi cartesiani in Figura 1); se, invece, gli individui ottengono solo vantaggi per se stessi, ma non per la società, allora si identificano come banditi (quadrante II del sistema di assi cartesiani in Figura 1); quando gli individui oltre ad essere dannosi per se stessi fanno anche danno alla società, vengono catalogati come stupidi (quadrante III del sistema di assi cartesiani in Figura 1); quando un individuo arreca danno a se stesso, ma nel contenpo un vantaggio alla società, può essere catalogato come uno sprovveduto (quadrante IV del sistema di assi cartesiani in Figura 1). Oggi lo sprovveduto verrebbe identificato col termine “sfigato”; ma come si diceva una volta “o tempora, o mores”. Cipolla ha pubblicato le sue leggi fondamentali all’inizio degli anni ’70 del ventesimo secolo, quando ancora non era in uso il termine “sfigato”.
Non esiste un modo oggettivo per poter catalogare ognuno di noi in uno qualsiasi dei quattro quadranti considerati in Figura 1. Lo si può fare solo caso per caso andando a valutare le conseguenze delle nostre azioni su noi stessi e sulla società. Come regola generale possiamo dire che gli intelligenti tendono ad agire in modo tale da non apportare danni a nessuno. Può, tuttavia, capitare che in un determinato momento della propria esistenza, una persona intelligente possa commettere degli errori così da diventare o uno sprovveduto o un bandito. La probabilità che una persona intelligente ha di essere catalogata tra gli stupidi in un qualsiasi momento della propria vita è piuttosto bassa, se non addirittura nulla. Infatti, riprendendo l’attenta analisi del Prof. Cipolla si può dire che “la grande maggioranza delle persone stupide sono fondamentalmente e fermamente stupide — in altre parole essi insistono con perseveranza nel causare danni o perdite ad altre persone senza ottenere alcun guadagno per sé, sia esso positivo o negativo. Ci sono tuttavia persone che, con le loro inverosimili azioni, non solo causano danni ad altre persone, ma anche a se stesse. Queste sono un genere di super-stupidi che, in base al nostro sistema di computo, appariranno in qualche punto dell’area S alla sinistra dell’asse delle Y (si tratta del quadrante III di Figura 1, NdA)”.
I somari, Gli stupidi e la scienza
Perché ho fatto questa lunga premessa citando sia il libro del Prof- Burioni che l’opera del Prof. Cipolla? Semplicemente perché, sebbene il primo si riferisca ai somari nel contesto scientifico ed il secondo agli stupidi in un contesto economico (il Prof. Cipolla, ricordo, era uno storico dell’economia), non riesco a non catalogare tra gli stupidi tutti quelli che il Prof. Burioni cataloga tra i somari; sono quelli che si professano anti-vaccinisti o seguaci dell’omeopatia; allo stesso modo non riesco a non catalogare tra i banditi tutti coloro che propagandano il credo antivaccinista e quello omeopatico.
Provo a spiegarmi meglio.
Quante volte abbiamo letto che qualcuno è morto per gli effetti di una malattia che avrebbe potuto evitare attraverso la vaccinazione? Quante volte abbiamo letto di morti causate dalla cattiva pratica medica che ha impedito l’uso di cure efficaci per applicare l’omeopatia? Vogliamo parlare del bimbo morto per le conseguenze di un’otite curata con l’omeopatia (qui)? Vogliamo discutere delle vittime della difterite (qui) o di quelle del morbillo (qui)?
Quando dei genitori decidono di non vaccinare il proprio figlio sulla base di paure infondate nonostante tutte le rassicurazioni dei medici, fanno un danno a se stessi (perché la possibile perdita di un figlio è certamente un danno per se stessi), un danno al proprio figlio (che da adulto non vaccinato potrà essere soggetto a malattie mortali come è capitato recentemente in Sicilia, qui) ed un danno alla società (perché consentono la riduzione dell’immunità di gregge, qui, con il conseguente ritorno di malattie oggi ritenute impropriamente scomparse o poco importanti). In altre parole, l’atteggiamento no-vaxx o quello di chi segue le medicine alternative è un atteggiamento che nel linguaggio moderno potrebbe venir catalogato come atteggiamento lose-lose-lose, ovvero tutti ci perdono: dai genitori, ai figli, alla società. Non è detto che i genitori che rifiutano le vaccinazioni o utilizzano medicina alternativa per i propri cari siano somari nell’accezione usata dal Prof. Burioni. Se un somaro è colui che non conosce la materia di cui parla, non può essere il caso di quei genitori che hanno perso il figlio come riportato nella notizia a questo link. Non può essere considerato somaro neanche l’operatore sanitario che, seguendo la filosofia antivaccinista, non somministra i vaccini procurando un danno sia a se stesso che agli altri (la notizia è qui). In questi casi specifici va applicata la teoria della stupidità elaborata dal Prof. Cipolla, con la conclusione che ognuno di noi può trarre autonomamente.
E i banditi?
Alla luce della definizione data in modo analitico dal prof. Cipolla, i banditi sono quelli che per procurare un vantaggio per se stessi, fanno un danno agli altri. Esempi di banditi secondo questa accezione? Indubbiamente Wakefield che, per procurare a se stesso dei guadagni, ha fatto grossi danni alla società dal momento che, grazie a lui, oggi spopola la falsa correlazione vaccini-autismo alla base del movimento antivaccinale. La storia di Wakefield è qui. In generale, tutti coloro che hanno tanto da guadagnare dalla pseudo scienza (per esempio con la vendita di libri, con le comparsate ai convegni, con fondi di qualsiasi tipo) e dall’aumento del numero di seguaci, sono da considerarsi banditi.
Conclusioni
Cosa ho voluto evidenziare con questo articolo neanche tanto breve? Che i personaggi che si muovono nell’ambito della pseudo scienza non sempre possono essere catalogati come somari. Io li distinguo in due tipologie: stupidi e banditi. I primi sono quelli che, anche se in buona fede, perserverano nelle loro false convinzioni provocando danni a se stessi, alle loro famiglie ed alla società che li circonda; vanno tenuti sotto controllo in modo tale da difendere sia la società che loro stessi dal loro comportamento. I secondi sono quelli che, pur avendo gli strumenti adatti per poter discriminare verità scientifiche da falsi miti, non lo fanno o scientemente – ed allora sono banditi intelligenti che vanno perseguiti per evitare danni alla società – o inconsapevolmente – ed allora sono banditi stupidi da perseguire come i primi perché oltre alla società fanno danni anche a se stessi.
Vi siete mai chiesti perché uno specchio restituisce la nostra immagine riflessa? Si tratta di una tipica propietà dei metalli che noi indichiamo col termine di “lucentezza”.
La tavola periodica
La tavola periodica è, ormai, nota a tutti. Tuttavia, una cosa è sapere che esiste una “tabella” in cui sono riportate le proprietà fondamentali di tutti gli elementi chimici noti, altra è conoscere i dettagli di queste proprietà tra cui va certamente annoverata la lucentezza dei metalli.
Avete sicuramente maneggiato i fogli di alluminio come quello mostrato in Figura 1A. Si usano, per esempio, per conservare gli alimenti (Figura 1B), cucinare (Figura 1C) o applicare la tintura per capelli (Figura 1D).
Figura 1. Foglio di alluminio (A) e suoi usi. Conservazione degli alimenti (B); cottura (C); applicazione della tintura per capelli (D)
Come potete vedere si tratta di un materiale caratterizzato da una certa lucentezza, ovvero dalla capacità di riflettere la luce. Come l’alluminio, anche gli altri metalli della tavola periodica (tutti quelli colorati in verde nella Figura 2) hanno la medesima caratteristica.
Figura 2. Tavola periodica con, in verde, indicazione degli elementi metallici (Fonte)
A cosa è dovuta la lucentezza?
Per poterlo spiegare dobbiamo innanzitutto comprendere come è fatto un atomo.
Struttura dell’atomo
È ben noto che un atomo è costituito da un nucleo, contenente protoni e neutroni, e da elettroni. Questi ultimi si muovono attorno al nucleo formando una nuvola generalmente indicata come “nuvola elettronica” (Figura 3).
Figura 3. Schema di atomo. Gli elettroni, che si muovono attorno al nucleo, formano una una nuvola elettronica (Fonte)
La nuvola elettronica è piuttosto complessa. Gli elettroni non possono semplicemente “ammucchiarsi” e stare tutti assieme. A coppie di due, essi si devono disporre a distanze differenti dal nucleo e devono occupare degli spazi la cui forma geometrica è variabile. La Figura 4 mostra proprio la forma di questi spazi occupati dagli elettroni e che chiamiamo “orbitali”.
Figura 4. Forma degli orbitali atomici s, p, d, f (Fonte)
Gli orbitali di valenza
Quando combiniamo più atomi assieme per formare un sistema multiatomico complesso, in realtà stiamo combinando le varie nuvole elettroniche ognuna fatta dall’insieme di orbitali descritti in Figura 4. In genere, per comodità, quando si descrive l’interazione tra atomi in un sistema multiatomico, si trascura il contributo alla interazione da parte degli elettroni che sono più vicini al nucleo, ovvero degli elettroni che occupano la parte più interna della complessa nuvola elettronica summenzionata. Il motivo per cui viene trascurato questo contributo è intuitivo. Immaginate ogni orbitale come se (*) fosse un palloncino. La nuvola elettronica può essere pensata come se fosse un inviluppo di palloncini la cui rigidità diminuisce man mano che aumentano le sue dimensioni, ovvero man mano che gli elettroni si allontanano dal nucleo. Il palloncino che ospita gli elettroni più lontani dal nucleo (chiamato anche orbitale di valenza) è quello più facilmente deformabile (il termine tecnico è “polarizzabile”). La deformabilità dei palloncini più esterni consente la loro migliore interazione per la formazione del legame chimico.
I legami nei metalli
Quando si raggruppa un insieme di atomi di un qualsiasi metallo della tavola periodica (come nel caso del foglio di alluminio di Figura 1), si può pensare che si formi un sistema come quello descritto in Figura 5.
Figura 5. Schema di legame metallico
In altre parole, si può pensare che gli orbitali di valenza dei singoli atomi perdano la loro identità e si combinino (grazie alla loro elevata capacità di “deformarsi”) in modo da formare un unico “contenitore” in cui si muovono tutti gli elettroni di valenza. Questo vuol dire che gli elettroni dei palloncini più esterni non appartengono più ad un singolo specifico atomo, ma diventano elettroni dell’insieme di atomi. Immaginiamo, quindi, che i nuclei (in Figura 5 indicati con pallini gialli) siano immersi in un mare di elettroni (in Figura 5 indicati con pallini azzurri).
A questo punto mi si potrebbe dire che con questa descrizione io stia violando i principi più elementari della meccanica quantistica. Infatti, poco sopra ho scritto che gli elettroni non possono ammucchiarsi, ma devono occupare, a coppie, spazi dalle forme ben precise e disporsi ad una distanza ben definita dal nucleo. Al contrario ora io sto scrivendo che si è formato un “mare elettronico” in cui tutti gli elettroni sembrano essere tutti assieme appassionatamente. Volendo essere un po’ più precisi, possiamo dire che quando le nuvole elettroniche di valenza si combinano per formare il “mare elettronico”, si realizzano, in realtà, bande energetiche differenti molto vicine tra di loro in cui gli elettroni possono “entrare” ed “uscire” mediante acquisizione o rilascio di una minima quantità di energia.
La lucentezza dei metalli
Quando una radiazione elettromagnetica (ovvero un raggio di luce) colpisce la superficie di una lamina metallica, gli elettroni si muovono da una banda energetica all’altra passando da uno stato fondamentale ad uno eccitato. Nel momento in cui gli elettroni tornano allo stato fondamentale, emettono dei fotoni alla stessa lunghezza d’onda della luce incidente con la conseguenza che viene restituito il riflesso dell’immagine che ha emesso la radiazione luminosa.
Maurits Cornelis Escher, Mano con sfera riflettente (Fonte)
Note ed approfondimenti
(*) la locuzione “come se” viene spesso usata dai chimici per fare delle analogie tra il mondo chimico e quello quotidiano. In altre parole, nel delucidare i modelli chimici e chimico-fisici, il “come se” viene usato per generare immagini mentali che, pur non essendo corrette, consentono la comprensione qualitativa dell’argomento di cui si discute. Gli orbitali NON sono palloncini, ma li immaginiamo come tali per comodità; un elemento chimico, una molecola NON sono sferici, ma le descriviamo come tali perché conosciamo tutto di una sfera ed è più semplice definirne il comportamento sotto l’aspetto qualitativo. Quando però dobbiamo applicare la matematica per la descrizione quantitativa del modello, non possiamo più usare le immagini mentali che abbiamo generato col “come se” e dobbiamo fare delle astrazioni che, per i non addetti ai lavori, risultano poco chiare o del tutto incomprensibili. Per comprendere le astrazioni dobbiamo passare dalla divulgazione scientifica al tecnicismo scientifico che può essere appreso solo attraverso uno studio specifico e settoriale.
Chi frequenta questo blog o la mia pagina facebook sa che la mia attività di ricerca degli ultimi anni, oltre ad essere centrata sullo sviluppo della risonanza magnetica nucleare a ciclo di campo in ambito ambientale, è imperniata sulla valutazione della chimica fisica del biochar, un carbone ottenuto per degradazione termica in assenza o scarsità di ossigeno (ovvero pirolisi) di biomassa animale e vegetale. Faccio anche parte della European Biochar Certificate (EBC), una organizzazione internazionale che promuove l’uso del biochar in agricoltura e si interessa della standardizzazione delle metodiche analitiche per la valutazione delle caratteristiche chimico fisiche di tale materiale. Lo scopo ultimo è quello di suggerire una agricoltura sostenibile mediante l’uso, il riciclo e la trasformazione delle biomasse di scarto delle attività antropiche.
Alla luce di quanto appena scritto, sono felicissimo del fatto che la stampa scientifica divulgativa stia facendo da cassa di risonanza per un lavoro apparso su Nature Communications a firma di venti persone, tra cui il sottoscritto, in cui cominciano ad essere chiariti i meccanismi molecolari attraverso cui il carbone applicato ai suoli consente l’incremento della fertilità. Qui, qui, qui la notizia apparsa su alcune testate di divulgazione scientifica, mentre qui trovate il link al lavoro originale pubblicato su Nature Communications.
Biochar sì, biochar no?
Sebbene sia noto che l’uso del carbone in agricoltura consenta un aumento della produzione agricola (per esempio qui e qui), ci sono ricerche che ne demonizzano l’uso invocando la sua tossicità legata ad una presunta capacità di rilasciare idrocarburi policiclici aromatici e diossine o alla sua inerzia chimica che non consentirebbe il miglioramento della fertilità dei suoli (un libro in cui c’è una visione ecologista abbastanza spinta sull’uso del biochar è questo). In realtà, come si può leggere nella review qui, la probabilità che il carbone ha di cedere all’ambiente idrocarburi policiclici aromatici e diossine è praticamente nulla a fronte di un miglioramento delle proprietà idrauliche (qui), della struttura (qui) ed, in generale, della fertilità (qui) dei suoli.
Come funziona il biochar? In che modo promuove la fertilità di un suolo?
Nel 2013, il gruppo di ricerca di cui sono responsabile ha pubblicato un lavoro in cui è stata analizzata la dinamica dell’acqua sulla superficie di un biochar (qui). Perchè tra i tanti liquidi proprio l’acqua? Semplice. Perché l’acqua è direttamente coinvolta nei processi di nutrizione vegetale e, di conseguenza, è il mezzo attraverso cui il biochar nei suoli consente la veicolazione dei nutrienti alle piante. I risultati di questo lavoro hanno evidenziato che acqua e biochar interagiscono tra loro attraverso due tipologie di legame: da un lato legami a idrogeno non convenzionali tra il piano dei sistemi aromatici del carbone e le molecole di acqua, dall’altro legami di coordinazione tra le componenti metalliche delle impurezze inorganiche e le coppie solitarie dell’acqua (Figura 1).
Figura 1. Interazioni tra biochar e acqua
La presenza di queste interazioni, associate a quelle che l’acqua forma con i soluti in essa disciolti, ha consentito di ipotizzare che la capacità che il carbone ha di assorbire e poi rilasciare gradualmente nutrienti come il nitrato sono dovute proprio alla mediazione delle molecole di acqua. Queste, mediante il loro caotico movimento, consentono ai nutrienti di penetrare nei pori della superficie del biochar; una volta lì, il nutriente solvatato rimane “agganciato” alla superficie grazie alle interazioni anzidette (Figura 2).
Figura 2. Interazioni tra nutrienti (pallini verdi e viola) e biochar mediate da molecole di acqua
Se il biochar è invecchiato, la sua capacità assorbente migliora perché la chimica della superficie del biochar cambia nel tempo. Infatti, il numero di gruppi funzionali idrofilici (per esempio quelli contenenti ossigeno che si inserisce sulla superficie del biochar per effetto dell’ossidazione con l’atmosfera) aumenta con l’invecchiamento (Figura 3. Qui il lavoro in cui sono descritti tutti i dettagli sperimentali che hanno portato alle conclusioni brevemente descritte).
Figura 3. Interazioni tra nutrienti e biochar invecchiato
Un miglioramento delle capacità assorbitive/desorbitive del biochar si ottiene attraverso la funzionalizzazione della sua superficie mediante l’inserimento di un film organico usando un processo chimico che prende il nome di co-compostaggio. In parole povere, il carbone viene inserito assieme a biomassa vegetale fresca in un compostatore (ovvero un sistema che consente l’ottenimento del compost); una volta avviato il processo di degradazione ossidativa della miscela biochar-biomassa, si ottiene un carbone la cui superficie risulta più idrofilica di quella del carbone non co-compostato; la maggiore idrofilicità superficiale permette a questo materiale di intrappolare meglio i nutrienti e di funzionare meglio del carbone tal quale come ammendante dei suoli (qui il lavoro in cui si discute delle migliori caratteristiche qualitative del biochar co-compostato).
Perché è importante la comprensione dei meccanismi di funzionamento del carbone?
Delucidare le modalità con cui qualcosa funziona consente di indirizzare in modo opportuno la sintesi di nuove tipologie di materiali.
Nel caso specifico, si pongono le basi per la progettazione di nuovi ammendanti che permettono pratiche agricole sostenibili.
Ed eccoci di nuovo qui a parlare di effetto placebo. Ne avevo già discusso qui quando avevo evidenziato l’assenza di effetto terapeutico dell’omeopatia attribuendo al solo effetto psicologico l’eventuale successo di preparati che di farmacologico non hanno assolutamente nulla.
Naturalmente ogni volta che si parla male dell’omeopatia c’è la sollevazione popolare perchè a nessuno piace ammettere di cadere preda di ciarlatani e stregoni; oggetto della sollevazione è sempre lo stesso argomento “su di me funziona”; argomento questo che ha un senso logico solo per chi non capisce nulla di scienza oppure per chi, pur avendo studiato a qualsiasi livello una qualche materia scientifica, non ha “digerito” molto bene le materie che ha studiato.
In realtà l’effetto placebo è tenuto in debito conto dalla comunità scientifica, tanto è vero che ci sono numerosissimi studi che cercano di spiegarne l’importanza nel coadiuvare l’azione di farmaci di ogni tipo.
Perché ho deciso di tornare alla carica con l’effetto placebo? Semplicemente perché mi è caduta sotto gli occhi una notizia in merito ad uno studio condotto da un team di ricercatori svizzeri sull’importanza dell’effetto placebo nella sensazione del dolore (qui).
Di solito si riporta che perchè un placebo possa avere un qualche effetto è necessario che l’individuo sia cosciente ed in stato di veglia; in più si ritiene che il soggetto debba essere sottoposto ad inganno, ovvero non deve sapere che sta assumendo il placebo.
La novità dello studio dei ricercatori svizzeri è che sembra non sia necessario l’inganno perché un rimedio placebo possa avere effetto. Infatti, questi studiosi hanno sottoposto un gruppo di volontari a shock termico, ovvero hanno analizzato la loro resistenza e tolleranza alle alte temperature con e senza l’aiuto di un farmaco antiustioni. In particolare, in una delle prove è stato chiaramente esplicitato che il farmaco era un semplice placebo.
Ebbene, a quanto pare, la tolleranza alle ustioni sembra sia stata superiore alle aspettative anche quando i soggetti sapevano di assumere un formulato senza alcuna valenza farmacologica. La domanda a questo punto è: quali sono i meccanismi alla base del fenomeno osservato?
Dal momento che quello appena descritto è il primo studio del genere, è necessario attendere ulteriori sviluppi per confermarne la validità e per approfondire i meccanismi che aumentano la tolleranza al dolore anche in condizioni in cui si è consci di star assumendo un sistema placebo.
Qualche giorno fa è stato annunciato il premio Nobel per la chimica. Ne ho parlato qui. Si tratta del contributo al miglioramento della microscopia crio-elettronica, una tecnica molto utile in campo biochimico.
Come ogni anno, il mondo scientifico si stringe intorno ai vincitori di questo ambito riconoscimento e fioccano informazioni ed iniziative in merito alla biografia dei vincitori o all’importanza della loro scoperta.
Una delle iniziative più interessanti, a mio avviso, è quella di avere la possibilità di leggere i lavori che hanno consentito l’attribuzione del Nobel in originale. Come docente universitario, ricevo costantemente lettere di ogni tipo da case editrici di ogni tipo. La sorpresa stamattina è stata quella di trovare una lettera dalla Elsevier, una delle case editrici più importanti in ambito scientifico.
È, quindi, con enorme piacere che ricevo e condivido, la lettera della Elsevier con il link ai lavori più significativi dei tre vincitori del premio Nobel per la Chimica 2017. Eccola nella versione online: link
Cliccando su “read more” si apre una pagina da cui si possono leggere/scaricare i lavori suddetti gratuitamente.
Quante volte ho letto che un certo lavoro non è attendibile perché pubblicato su una rivista poco importante o su una rivista che viene considerata predatoria?
Certo. E’ importante che i risultati del proprio lavoro vengano accettati da una rivista che sia significativa per la comunità scientifica di riferimento. E’, altresì, importante che i risultati di una ricerca vengano pubblicati il più velocemente possibile perché la competizione tra gruppi di ricerca è talmente elevata che basta un niente per perdere la primogenitura su una determinata scoperta scientifica. E’ per questo che nascono archivi come arXiv che consentono di archiviare i risultati di una ricerca prima ancora che essi vengano pubblicati. Il limite di questi archivi è che il lavoro lì depositato non necessariamente può vedere la luce. Può accadere che rimanga lettera morta e che, di conseguenza, di esso rimanga traccia solo su quel data base. Non tutto quanto presente negli archivi digitali che attestano della primogenitura di un dato modello, è da prendere in considerazione perché non tutto quanto ha passato il vaglio della comunità scientifica di riferimento.
“Passare il vaglio della comunità scientifica di riferimento” non significa che un dato modello viene accettato perché rispecchia il modo di pensare in auge in quel momento; questa locuzione vuol dire che quando un lavoro arriva nelle mani di referenti/revisori anonimi, questi verificano la congruità delle ipotesi formulate con il disegno sperimentale e la congruità dei risultati ottenuti con le conclusioni che sono state tratte. Non è possibile per i referenti/revisori riprodurre esattamente gli stessi esperimenti di cui leggono, perché questi ultimi richiedono finanziamenti ad hoc e strumentazioni che non tutti i laboratori possono avere a disposizione. Inoltre, riprodurre gli esperimenti significa per i referenti/revisori cambiare lavoro, ovvero dedicarsi ad altro e non alla ricerca che hanno deciso di portare avanti.
Prendete me, per esempio. Solo per il 2017 (ed Ottobre è appena iniziato) ho fatto da referente/revisore per 15 lavori ed almeno altrettanti ho rifiutato di giudicare per mancanza di tempo. Se volessi mettermi a fare tutti gli esperimenti dei lavori che ho giudicato, non avrei tempo per portare avanti le mie ricerche e la mia didattica. Quello che faccio è, quindi, cercare di capire quanto ho appena scritto: verifico la congruità delle ipotesi formulate con il disegno sperimentale e la congruità dei risultati ottenuti con le conclusioni che sono state tratte
Ma veniamo al punto.
Più volte ho evidenziato che non il contenitore (la rivista), bensì il contenuto (ovvero i risultati della ricerca) è importante perché un modello scientifico possa essere considerato valido (per esempio qui).
La storia della scienza è piena di esempi di contenuti dall’importanza notevole, in termini di progressione delle conoscenze, ma pubblicati in contenitori poco noti; ma è anche piena di esempi di contenuti di nessuna o scarsa importanza presenti in contenitori molto prestigiosi.
Volete qualche esempio?
Cosa dire del lavoro di Benveniste sulla memoria dell’acqua pubblicato su Nature e sconfessato dagli stessi editor ad un approfondimento successivo? Ne ho parlato qui. E del lavoro di Wakefield in merito all’inesistente correlazione vaccino-autismo vogliamo parlare? E’ stato pubblicato, e poi ritirato, dalla prestigiosissima rivista The Lancet. Ne ho discusso qui.
Recentemente mi è capitato di leggere un breve articolo su www.sciencealert.com in cui è stata ripercorsa la storia di otto lavori che descrivono scoperte scientifiche che sono valse il premio Nobel agli autori.
Sapevate, per esempio, che Nature, nel 1933, ha rifiutato il lavoro di Enrico Fermi in merito alle interazioni deboli poi pubblicato nel 1934 su una rivista molto meno prestigiosa dal nome “Zeitschrift für Physik” oggi scomparsa? L’articolo in questione è qui (in tedesco).
Anche la scoperta di un meccanismo importantissimo in ambito biochimico ed alla base della vita, non è stato pubblicato da Nature perché in quel momento la rivista era fin troppo satura di lavori da pubblicare ed avrebbe dovuto posporre la pubblicazione di tale scoperta a tempi migliori (Figura 1). Mi riferisco al lavoro fondamentale di Hans Adolf Krebs che nel 1953 ha ricevuto l’ambito riconoscimento per aver scoperto il ciclo dell’acido citrico.
Figura 1. La lettera con cui l’editor di Nature chiede a Krebs se è disponibile a ritardare la pubblicazione del suo lavoro (Fonte)
Il lavoro fu poi inviato ad una rivista meno prestigiosa (Enzymologia) che lo pubblicò nel 1937 (qui). Se volete leggere il lavoro originale, lo potete scaricare da qui.
Chi mi conosce sa che nella mia attività di ricerca mi interesso delle applicazioni in campo ambientale delle tecniche di risonanza magnetica nucleare. Tra i miei idoli c’è sicuramente Richard Ernst che nel 1991 ha vinto il premio Nobel per il suo contributo allo sviluppo della tecnica NMR. Ernst ha applicato la trasformata di Fourier ai decadimenti che descrivono il comportamento ad oscillatore smorzato della magnetizzazione nucleare, generata dall’applicazione di campi magnetici aventi certe intensità, stimolata da radiazioni elettromagnetiche aventi lunghezza d’onda nel campo delle radiofrequenze. Lo so ho parlato difficile. In altre parole, Ermst ha capito che poteva trasformare qualcosa di incomprensibile come quanto indicato in Figura 2:
Figura 2. Decadimento della magnetizzazione nucleare
in qualcosa di più facilmente leggibile come lo spettro di Figura 3:
Figura 3. Spettro NMR in fase solida dell’alcol coniferilico (precursore delle sostanze umiche). Ogni segnale dello spettro è attribuito in modo univoco ad ogni singolo atomo di carbonio
Il lavoro che descrive la scoperta di Ernst fu rifiutato dal Journal of Chemical Physics e fu pubblicato sul meno prestigioso Review of Scientific Instruments. Il lavoro di Ernst è qui. Invece, a questo link trovate la lezione che Ernst ha fatto all’Accademia delle Scienze quando ha ricevuto il premio.
Conclusioni
La storia della scienza ci insegna che non dobbiamo tener conto del prestigio di un giornale. Ciò che importa è il valore del contenuto di un rapporto scientifico. Un lavoro è ottimo sia che venga pubblicato su una rivista altamente impattata, sia che venga pubblicato su una rivista sconosciuta. Un lavoro è sciocchezza sia che venga pubblicato su Nature o che venga accettato per la pubblicazione sulla rivista del vicinato. Gli addetti ai lavori, coloro che guardano ai contenuti piuttosto che alla copertina, lo sanno ed è per questo che leggono di tutto. La grande idea, quella che può essere alla base della rivoluzione scientifica, si può nascondere anche tra le righe di un lavoro pubblicato su una rivista sconosciuta.
Ci siamo. Un anno esatto è passato da quando il 4 Ottobre 2016 il premio Nobel per la chimica è stato assegnato a Sauvage, Stoddart e Feringa per la sintesi delle macchine molecolari (qui).
Quest’anno è toccato a Jacques Dubochet, Joachim Frank, Richard Henderson per aver messo a punto la microscopia crio-elettronica per l’analisi di sistemi biologici.
Difficile, vero? Cerchiamo di capire di cosa si tratta.
Più o meno tutti hanno sentito parlare di microscopia. E’ una tecnica in base alla quale un oggetto posto su un vetrino viene illuminato; la luce intercettata dall’oggetto viene indirizzata verso una lente di ingrandimento che chiamiamo “obiettivo”; la luce proveniente dall’obiettivo viene convogliata verso l’oculare dal quale osserviamo l’immagine dell’oggetto ingrandita (Figura 1).
Figura 1. Principio di funzionamento del microscopio (Fonte)
Quello appena citato è il meccanismo semplificato del funzionamento di un microscopio ottico. Lo strumento è dotato anche di tutta una serie di accessori che servono per correggere le aberrazioni ottiche che fanno vedere cose che, nella realtà, non esistono. Il limite della tecnica appena citata è la risoluzione che, in genere, è di circa 0.2 μm, ovvero oggetti di dimensioni inferiori a quelle appena indicate non sono osservati in modo nitido.
Per poter osservare nitidamente oggetti di dimensioni inferiori a 0.2 μm, sono state messe a punto tante altre forme di microscopia tra cui quella elettronica la fa da padrona.
Nella microscopia elettronica un fascio di elettroni viene “sparato” verso un oggetto (o campione); all’uscita dal campione il fascio di elettroni, dopo essere passato in un campo elettrico ed in un campo magnetico che ne modificano la traiettoria, viene convogliato verso un oculare dal quale viene indirizzato verso una lastra fotografica oppure uno schermo fluorescente che vengono utilizzati per generare l’immagine dell’oggetto in esame.
Anche questa appena data è una spiegazione semplificata, ma il mio scopo non è quello di fare una lezione di analisi strumentale, bensì di evidenziare che mentre nella microscopia ottica si raggiungono al massimo un centinaio di ingrandimenti (con risoluzione di 0.2 μm ovvero di 200 nm, come già evidenziato), con la microscopia elettronica si può arrivare a 150000-200000 ingrandimenti con una risoluzione che è intorno al milionesimo di millimetro ovvero dell’ordine di circa 1-10 nm. Considerando che la lunghezza di un legame covalente C-C è poco più di 0.1 nm, si capisce che con la microscopia elettronica siamo in grado di “osservare” molecole a un livello quasi atomico (Figura 2).
Figura 2. Immagine al microscopio elettronico della struttura di una nanoparticella di grafene. L’immagine originale è in b/n. I colori vengono aggiunti in fase di elaborazione per rendere l’immagine più attraente (Fonte)
Qual è la novità apportata da Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson nel mondo della microscopia elettronica per aver meritato il premio Nobel 2017?
Bisogna sapere che uno dei problemi principali della microscopia elettronica è la preparazione del campione. Quest’ultimo deve essere attraversato dal fascio di elettroni. Per questo motivo lo spessore del campione deve essere di pochi nanometri. Preparare un campione del genere per l’analisi al microscopio elettronico richiede molta abilità ed una specifica preparazione sia tecnica che scientifica.
Fintantoché si tratta di campioni come la nanoparticella di grafite mostrata in Figura 2, le difficoltà sono serie ma si possono superare. Immaginate di voler, invece, analizzare un tessuto umano come, che so, un pezzo di pelle. Se staccate la pelle, otterrete un campione ancora troppo spesso per poter essere attraversato dal fascio di elettroni. Dovete prendere questo tessuto e farne una fettina sottile di pochissimi nanometri. Potete facilmente immaginare che operare su un sistema del genere implica danneggiarlo. Insomma la preparazione del campione, anche se fatta con la massima attenzione possibile, può portare ad un sistema che non ha più nulla a che vedere col campione di partenza.
Negli anni Ottanta del XX secolo, il team di Dubochet prima su Nature poi su Quarterly Reviews of Biophysics, descrive una innovazione tecnica in base alla quale il sistema biologico da affettare prima di essere sottoposto all’indagine al microscopio elettronico, viene congelato rapidamente. Il rapido congelamento evita la formazione di tutta una serie di artefatti che possono influenzare la qualità dell’immagine ottenuta al microscopio. In altre parole, viene “inventato” un modo per ottenere immagini (ovvero fotografie) dei sistemi biologici sempre più nitide al livello nanometrico. E’ come se avessero inventato una macchina fotografica con un numero di pixel di gran lunga superiore al massimo tecnologico finora disponibile. Grazie a questa invenzione, oggi è possibile studiare anche la dinamica delle proteine nella conformazione nativa, ovvero nella disposizione spaziale che esse hanno negli organismi viventi. Fino ad ora le uniche tecniche disponibili erano i raggi X e la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). I limiti di queste tecniche sono legati alla necessità di strutture cristalline (raggi X) che non sempre sono facilmente ottenibili oltre a non corrispondere alla conformazione nativa, ed alla necessità di usare solventi diversi dall’acqua (NMR) nei quali non necessariamente la struttura proteica deve assomigliare a quella nativa.
Quante volte abbiamo letto o sentito parlare di “idrocarburi policiclici aromatici”? Talvolta la locuzione viene indicata con gli acronimi PAH (da Polyciclic Aromatic Hydrocarbons) oppure IPA (da Idrocarburi Policiclici Aromatici). Si tratta di una classe di composti chimici che si ottiene per pirolisi (ovvero decomposizione termica in assenza o scarsità di ossigeno) di sostanza organica. Tanto per capirci: il fumo di sigaretta contiene gli IPA. Le sigarette, infatti, sono fatte da sostanza organica (la carta, il tabacco, i filtri) che quando sottoposta alle alte temperature prima subisce il processo di combustione con formazione di ceneri, anidride carbonica ed acqua, poi, man mano che il comburente (ovvero l’ossigeno) si allontana, subisce pirolisi con formazione di IPA.
In questa breve nota voglio puntare l’attenzione sulle caratteristiche strutturali degli idrocarburi policiclici aromatici e la loro tossicità.
1. Le premesse: significato di isomeria, formula chimica e struttura
1.1. Isomeria
“Isomeria” è una proprietà in base alla quale due o più composti chimici, pur avendo la stessa formula bruta, hanno differente struttura e, per questo, differenti proprietà chimico-fisiche.
1.2. Formula bruta, formula empirica e formula molecolare
La locuzione “formula bruta” si può riferire o alla formula empirica con la quale si descrive semplicemente il rapporto tra i diversi atomi che partecipano alla formazione di un composto chimico, oppure alla formula molecolare, in cui si indicano esattamente quanti atomi formano il composto in esame.
L’esempio più semplice per distinguere tra formula empirica e formula molecolare è quello dell’acqua ossigenata. La formula empirica dell’acqua ossigenata è HO, grazie alla quale si evidenzia che questo composto è fatto da idrogeno ed ossigeno nel rapporto 1:1; la formula molecolare dell’acqua ossigenata è H2O2 nella quale si evidenzia che due atomi di ossigeno sono combinati con due atomi di ossigeno.
1.3. La struttura chimica
La struttura di un composto chimico descrive il modo con cui i diversi atomi che lo compongono si dispongono nello spazio. La Figura 1 mostra, come esempi, le diverse tipologie di formule di struttura dell’acqua ossigenata.
In alto a sinistra c’è la formula molecolare dell’acqua ossigenata; in basso a sinistra c’è la formula di struttura “ball-and-stick” della stessa molecola (gli atomi in bianco sono l’idrogeno; gli atomi in rosso, l’ossigeno); in alto a destra la struttura dell’acqua ossigenata è rappresentata con il modello “space-filling“, ovvero ogni atomo è rappresentato da una sfera con il codice colore avente lo stesso significato già illustrato; in basso a destra l’acqua ossigenata è rappresentata con un modello a linee e lettere in cui le prime indicano i legami tra gli atomi rappresentati col proprio simbolo chimico.
2. Le caratteristiche degli IPA
2.1. Struttura chimica e proprietà chimico fisiche degli IPA
La Figura 2 mostra la struttura di due idrocarburi policiclici aromatici molto comuni. Si tratta di antracene e fenantrene. Entrambi hanno formula molecolare C14H10 ma formula di struttura differente. Si tratta quindi di isomeri. Per effetto della differente disposizione spaziale degli atomi di carbonio ed idrogeno, i due idrocarburi hanno proprietà chimico fisiche differenti.
Figura 2. Strutture di antracene e fenantrene
Per esempio, la temperatura di fusione alla pressione atmosferica (ovvero la temperatura alla quale la fase solida di un composto chimico è in equilibrio con la sua fase liquida) di antracene e fenantrene è:
In altre parole, mentre l’antracene diventa un liquido alla temperatura di 216°C, il fenantrene diventa liquido ad una temperatura molto più bassa (94°C). Questa differenza si spiega perché le molecole di antracene e fenantrene interagiscono rispettivamente con altre molecole di antracene e fenantrene attraverso interazioni deboli chiamate interazioni di Van der Waals. La struttura “non-ripiegata” dell’antracene consente un impaccamento migliore (e, quindi, interazioni più forti) rispetto a quella “ripiegata” del fenantrene. La conseguenza è che occorre una temperatura più alta (più energia termica) per liquefare l’antracene rispetto al fenantrene.
La differente disposizione spaziale degli atomi di carbonio ed idrogeno è responsabile anche della differente solubilità in acqua di antracene e fenantrene. Infatti, l’antracene ha solubilità pari a 3.7×10-4 mol/L, mentre il fenantrene pari a 7.2×10-3 mol/L. In altre parole, il fenantrene è circa 20 volte più solubile in acqua rispetto all’antracene. Dal momento che”il simile scioglie il simile“, si potrebbe argomentare che il fenantrene è più simile all’acqua rispetto all’antracene. Questa maggiore similarità è dovuta al fatto che la geometria “ripiegata” del fenantrene conferisce a quest’ultimo una maggiore polarità rispetto all’antracene col risultato di una migliore solubilità in acqua.
2.2. Struttura chimica e carcinogenicità degli IPA
All’aumentare del numero di anelli aromatici condensati (ovvero all’aumentare della complessità strutturale degli IPA) aumenta anche la carcinogenicità di questi composti ( a pagina 35 del documento a questo link, si riporta la carcinogenicità dei diversi IPA).
Più elevato è il peso molecolare degli IPA, più diminuisce la loro aromaticità e maggiore risulta la loro reattività. In particolare, gli IPA tendono a dare reazioni di epossidazione (ovvero reagiscono con l’ossigeno per formare sistemi triciclici altamente reattivi) che poi modificano la struttura a doppia elica del DNA portando a problemi nei processi di replicazione e conseguente insorgenza di tumori.
La Figura 3 mostra la reazione di epossidazione del benzo[a]pireneche produce prima un sistema eposiddico nelle posizioni 7, 8 (reazione in alto in Figura 3), seguita poi da apertura di anello (reazione centrale in Figura 3) ed ulteriore epossidazione (reazione in basso in Figura 3).
Figura 3. Reazione di epossidazione del benzo[a]pirene Il diolo epossidico (ovvero la molecola in basso a destra di Figura 3) è il diretto responsabile delle alterazioni strutturali del DNA. Infatti, esso può reagire con il gruppo amminico di una base nucleotidica con formazione di un legame covalente stabile che altera la doppia elica e, impedendo la corretta replicazione del DNA, porta al comportamento “impazzito” delle cellule (Figura 4).
Figura 4. Alterazione della struttura a doppia elica del DNA per effetto della reazione con il derivato diolo epossidico del benzo[a]pirene
3. Conclusioni
Questa breve disanima sugli idrocarburi policiclici aromatici è una sintesi di una delle mie lezioni di chimica del suolo. Gli incendi boschivi sono causa di immissione in atmosfera di questi contaminanti, esattamente come l’uso delle sigarette, o la cottura spinta dei prodotti alimentari (per esempio la carne o la pizza). Quando in atmosfera, questi composti (non solo quelli descritti in questa breve nota ma un insieme complesso di essi come per esempio quelli mostrati nell’immagine di copertina) possono finire nei nostri polmoni ed innescare i processi carcinogenici descritti. Certo non tutti gli individui sono soggetti a tumore. L’insorgenza dei tumori dipende non solo dalle condizioni ambientali, ma anche dalla predisposizione genetica. Questo vuol dire che “mia nonna ha sempre fumato 3 pacchetti di sigarette al giorno ed è arrivata a 90 anni” non ha alcun significato scientifico. Vuol dire solo che giocando alla roulette russa, “la nonna” è stata fortunata ed è sfuggita alla morte solo per una serie di circostanze fortuite tra cui la sua predisposizione genetica. Altri possono non essere ugualmente fortunati e subire insorgenza di tumori anche solo per aver inspirato il fumo passivo della nonna o le polveri sottili (contenenti IPA) normalmente presenti nell’atmosfera delle grandi città e dovute al traffico automobilistico.
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