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"Nota breve sulla Termodinamica dei Sistemi Complessi Viventi e un contributo alla lettura di due libri inerenti l’argomento" - PARTE TERZA - Paolo Pasquinelli -
Il presente articolo è già stato oggetto di pubblicazione preliminare nel "The Lab's Quarterly/Il Trimestrale del Laboratorio" 2009/n.2 ISSN 2035-5548 del Laboratorio di Ricerca Sociale presso il Dipartimento di Scienze Politiche e Sociali dell'Università di Pisa. Autorizzazione a replica del 16/02/2010. Riveduto e corretto il 19 Feb.2010.
Recensione 2 - “The Thermodynamic Machinery of Life” Ed.: Springer. 2006
Michal Kurzynski
Più che un libro questo volume rappresenta un trattato di Termodinamica classica della vita. Infatti, l'autore considera tutti gli organismi viventi come sistemi termodinamici aperti.
Egli rappresenta le strutture biologiche prodotte da reazioni enzimatiche e da segnali di trasduzione come il più importante modo di vedere lo sviluppo, l'evoluzione delle cellule e degli organismi in sistemi complessi in uno stato di non-equilibrio.
È mia intenzione commentare soltanto alcune parti del libro che considero interessanti per il loro approccio classico.
In ragione talvolta di qualche differente punto di vista su specifici argomenti (che ho di recente trattato in articoli scientifici) considero questo libro fondamentale per comparare, confrontare o correggere la mia opinione circa questa materia.
Allo stesso tempo, sia gli studenti più attenti sia gli specialisti della materia possono cogliere l'opportunità di studiarlo interamente al fine di completare la loro conoscenza della Termodinamica applicata alla Biologia.
Entrando nel merito del suo contenuto, come biologo devo dire che non amo la visione deterministica dei processi, specialmente quando si considerano gli organismi viventi.
I cambiamenti ambientali, le informazioni, la qualità dei flussi di energia e le biodiversità giocano un ruolo fondamentale nel BILANCIO ENERGETICO (così io credo da diverso tempo).
In effetti, Kurzynski chiaramente cita poi esempi di altri eminenti scienziati che tentano di dare interpretazioni dei meccanismi della vita, anche se egli mostra di preferire chi abbia una visione chimica della vita. In ogni modo Kurzynski pone anche uno sguardo a Ilya Prigogine e perciò scrive a pag. 3:
- The third physicist and Theoretician Ilya Prigogine. A cofounder of the contemporary Thermodynamics of open systems, claimed that the openness of biological organisms was the main property allowing a resistance to the inexorable destructive effect of the second law of thermodynamics (Prigogine and Stengers, 1984; 1997).
Although his concept of the analogy between living organisms and dissipative structures (Nicolis and Prigogine. 1977; Prigogine 1980) cannot be treated as universal, the idea that biological processes are non linear and proceed in far from thermodynamic equilibrium conditions has gained increasing approval.
Ponendo poi attenzione al Capitolo 2.3 e al suo sottotitolo:
"Irreversibility of macroscopic processes"
Possiamo notare quegli aspetti del determinismo dei processi irreversibili nelle funzioni matematiche che iniziano dall'equazione di Cantor e Shimmel (1980), citata dallo stesso Kurkynski nella successiva Capitolo 2.7 a pag. 12 e sotto riportata:
Dove E rappresenta l'enzima libero, R la specie del reagente, M lo stato intermedio del complesso enzima-substrato e P i prodotti.
La costante K nella sua forme positiva e negativa rappresenta il rapporto inverso di reazione. Lo sviluppo successivo di questa facile equazione conduce alla conclusione nel rispetto delle due leggi della conservazione.
Kurzynski prima aveva scritto come questa considerazione finale derivasse da esperienze condotte in vitro in un reattore chimico.
In questo modo, tutto ciò che Kurzynski ha formulato è esatto e niente può essere messo in discussione.
Tuttavia io ritengo che esistano notevoli differenze tra le reazioni ottenute in un reattore (in vitro) se si confrontano con le condizioni di ciò che avviene in vivo.
Questi risultati spesso non corrispondono.
Perciò i tentativi di dare uniformità ai due modi di sperimentare (in vitro e in vivo) presentano più di una difficoltà a causa del rigidismo che la Termodinamica classica mostra nell'accettare la variabilità della vita.
Procedendo oltre nella lettura del libro, noto un'eccellente formulazione del Postulato e l’enumerazione delle leggi della Termodinamica così come rappresentate da Kondepudy e Prigogine (1998), dallo zero al terzo Postulato, che i due autori mostrano con interessanti modificazioni.
Più intrigante, dal mio punto di vista, è il Capitolo 4.: "Origins and Evolution of Life" dove Kurzynski affronta la questione della FOTOSINTESI considerandola una rivoluzione energetica vitale. Infatti, a Pag. 76 titola:
"The Photosynthetic Revolution"
Poi scrive:
"The Earth is energetically an open system and a substantial flux of solar radiation has reached it since the moment of its creation. Coupled with the rotational motion of the planet, this flux has powered the machinery of oceanic and atmospheric motions.
The primary energy sources for the newly emerged life on Earth were nucleoside triphosphates and small organic molecules such as monosaccharides that soon turned out to be exhaustible.
Life became energetically independent only when it learned how to harness the practically inexhaustible solar energy, or more precisely, the fraction of it that reaches the surfaces of the oceans".
Io credo che Kurzynsky abbia usato il concetto "when the Life learned how" per considerare l'evoluzione simile a una Conoscenza e uno Sviluppo in itinere di un grande programma per l'uso dei bisogni dovuti ai flussi d'informazione ricevuti dalla Terra e relazionati all'energia dell'Universo (non è forse cosi?).
A questo punto la vita potrebbe assumere un misterioso ruolo di un "preordinato meccanismo" non esclusivamente regolato da leggi.
È dunque mia opinione che si renda necessario usare il modo di leggere la vita mediante la Termodinamica e le sue leggi, in maniera diversa dal classico punto di vista, specialmente quando si tratta di microsistemi.
In seguito l'autore descrive la FOTOSINTESI nella maniera classica senza aggiungere alcuna novità a quanto già conosciuto, tuttavia si esprime in maniera chiara nei percorsi e nelle strutture enzimatiche come, ad esempio, nella seguente figura 4.5, dove inserisce nel testo lo schema della pompa protonica nei solfo-batteri purpurei.
Possiamo notare (Fig.4.5.) come l'energia di un solo fotone possa decomporre una MOLECOLA d’IDROGENO SOLFORATO H2S (che può anche rappresentare una riserva addizionale di energia) per attivare il flusso di elettroni nel "centro di reazione" che produce 4 H+.
Questo esempio di meccanismo enzimatico consente di suggerire il concetto già più volte da me espresso:
"La qualità della vita quale parametro valutabile e aggiuntivo nel BILANCIO ENERGETICO".
Sul metodo alternativo di usare l'energia solare dai batteri verdi e dalle alghe unicellulari possiamo leggere utili considerazioni di come un elettrone foto eccitato sia trasferito dalla clorofilla in una proteina, la Ferredoxina, solubile in acqua.
Ancora una volta si conferma il ruolo essenziale dell'acqua nella FOTOSINTESI dei microsistemi.
Soprattutto è interessante conoscere la differenza tra le due vie metaboliche: ciclica nei solfobatteri purpurei (Fig. 4.5.) e non-ciclica nei solfobatteri verdi (Fig. 4.6.).
Una combinazione dei due sistemi di utilizzazione dell'energia solare, a una specifica lunghezza d'onda, è presentata in un terzo esempio (Fig. 4.7.): quello dei cianobatteri (specie di batteri fotosimbiontica associata nei Licheni, (uno degli argomenti dei miei studi).
In effetti, i cianobatteri, cui appartiene la Specie Nostoc, così come l’alga verde Trebouxia o l'altra verde-arancio Trentepohlia permettono, attraverso la fotosintesi, di contribuire allo sviluppo e al mantenimento della simbiosi lichenica (associazione tra un fungo e un’alga).
La funzione di questi organismi è di contribuire alla vitalità di un ECOSISTEMA e cessa (come simbiosi) quando uno dei due, per motivi stressogeni, viene meno.
Kurzynski descrive molto bene la sequenza di questi tre percorsi enzimatici.
Considero tali percorsi come schemi fondamentali per comprendere non soltanto il ruolo delle reazioni enzimatiche ma anche la capacità dei microrganismi di adattarsi a differenti condizioni della vita in funzione della grande massa d’informazioni ricevute dall'ambiente.
Dopo la lettura di questo capitolo inviterei gli studenti interessati e i professori a continuare nell'analisi del libro che contiene parti complete di aspetti multidisciplinari seppur complicate da formule matematiche molto avanzate.
Quindi, proseguendo oltre:
Un'importante questione circa lo stato transizionale in un sistema vivente dinamico la possiamo trovare alla conclusione del libro, dove un'esplosione di formule statistico-matematiche è riportata.
Mi piacerebbe spendere più tempo, in associazione con un insegnante di matematica, per capire meglio tutti gli steps intermedi contenuti nelle dinamiche intramolecolari che comportano sviluppi di transizioni stocastiche relazionate al tempo (Fig. B.4.)
Il grafico di Fig. B.4. rappresenta, in maniera semplice, la complicata conclusione delle teorie sulle reazioni biochimiche.
È utile ricordare che il titolo che Kurzynski usa a pag. 296 "Stochastic Theory of Reaction Rates" costituisce il preliminare per introdurre l'argomento sulla teoria stocastica.
Un titolo di questa teoria viene anche da altri autori così enunciato: - "Transition state Theory" (Stryer et al. 2002), (Atkins, 1998).
Lo stesso Kurzynski insieme a (Chelminiack 2003) e, ancor prima, un altro autore (Widom 1971) studiarono e svilupparono i processi che evolvono verso le dinamiche stocastiche nelle proteine macromolecolari.
Possiamo perciò direttamente leggere di seguito cosa Kurzynski scrive a tal proposito:
È mia opinione che siamo alla presenza di un raro caso di equilibrio reversibile tipico delle reazioni enzimatiche attraverso il passaggio di un complesso attivato.
Il tempo di transizione è estremamente breve e dipende dall'ottimizzazione della specifica temperatura di reazione.
Una curiosità c’è data nel considerare il termine "limbo", usato da Kurzynski, che mi sembra obsoleto e abolito dalla letteratura contemporanea, così molto più opportunamente vorrei suggerire la dizione di "stato intermedio".
In ogni modo la complessità delle reazioni reversibili, riportata sopra (Fig. B.4.) può condurre a considerare non speculari le due specie di reazioni chimiche, in ragione dei due differenti numeri di input-output (4 vs 5) e dei differenti scambi di energie dentro le due regioni.
Se questa mia ultima osservazione è giusta e non fossimo alla presenza di un errore grafico, avrei dei dubbi che questo reversibile equilibrio sia applicabile alle molecole isomeriche.
A conclusione di queste mie note di lettura e commenti, spero di aver fornito le basi per meglio comprendere e sviluppare gli studi sulla Termodinamica dei sistemi viventi, utili per completare la conoscenza dell'evoluzione sul pianeta Terra.
In virtù di una scelta di trasparenza scientifica mi pregio di riportare un’email che il Prof. Kurzynski mi ha spedito dopo aver letto la bozza inviatagli di quest’ articolo:
15 Nov.2009
Dear Dr. Pasquinelli,
It was a great pleasure for me to read your comments on my book. Let me make a few notes:
[…]
- I start with the analysis of a simple kinetic scheme (2.7) but, of course, I do not consider it as representing the actual situation in vivo.
Further on, in Section 9.3, I analyse a more realistic scheme shown in Fig. 9.8.d with the assumption of a partial equilibration between enzyme conformational substates rejected.
I also point in several places to an internal organization of cytozol, which can be considered as a solution of statistically independent enzymes only in the first and very rough approximation.
- The term "limbo" (I have associations with Dante Alighieri) is commonly used in the theory of stochastistic processes.
There are a lot of interesting questions concerning philosophical and methodological aspects of the theory of evolution and I hope to discuss them with you in the future.
With the best wishes, Michal Kurzynski
In tal email mi permetto di rilevare che:
- A proposito delle situazioni sperimentali "in vitro-in vivo" Kurzynski meglio chiarisce il suo concetto. Possiamo inoltre leggere che scrive - "Con molta grande approssimazione" - a proposito della sua assunzione circa il parziale equilibrio enzimatico nell'organizzazione interna del Cytozol.
Tuttavia lo schema che egli mostra in Fig. 9.8. (sotto riportata) mi consente di mitigare la mia critica circa gli steps intermedi perché, in effetti, sono rappresentati con più di uno stato.
Ringraziamenti
Desidero ringraziare l'editore Springer e il Prof. Michal Kurzynski per il permesso accordatomi nel riprodurre parti del testo, dei grafici e per aver consentito di commentare il libro.
Paolo Pasquinelli, biologo
Laboratorio di Ricerca Sociale, Dipartimento di Scienze Politiche e Sociali. Università di Pisa, Italia.