Post n.21
L’apparecchio, molto sinteticamente, è costituito da un contenitore di
vetro, con aperture superiore e inferiore e posto ad una certa altezza, dove
viene introdotta la soluzione. All'interno del contenitore è posto un elettrodo
collegato ad un multimetro. La soluzione viene fatta scorrere attraverso un
diaframma composto da granuli di quarzo Levo o da granuli di quarzo Destro,
dove si generano i micro condensatori ed infine raccolta in un secondo
contenitore. Quest’ultimo è posto più in basso del primo e contiene al suo
interno un elettrodo collegato al multimetro. Lo scorrimento trascina con se
delle cariche dai micro condensatori, generando un differenza di potenziale tra
i due contenitori che viene misurata dal multimetro. Si rileva innanzitutto la
differenza di potenziale della soluzione di riferimento. Successivamente si
rileva la differenza di potenziale della soluzione di riferimento alla quale è
stato aggiunto un aminoacido L o un aminoacido D
Come abbiamo già evidenziato nel precedente articolo, i micro condensatori
contengono una fila di circa 10 molecole di acqua.
Lo
scopo di queste misure era di verificare quanto sostiene Giuseppe Bianchi, Elettrochimica 1963, pag.470,
ossia che: «Hanno tendenza ad essere espulse dal doppio strato le specie a
minore costante dielettrica per essere sostituite da specie a costante
dielettrica più elevata». Nel nostro caso, le molecole di acqua verranno
sostituite da molecole di amminoacido. Inoltre, come sottolinea ancora l’autore
citato, questo è un fenomeno «[…] cui corrisponde una diminuzione dell’energia
del sistema».
La
diminuzione di energia si esplica in un aumento dell’agitazione termica delle
molecole di acqua espulse dal doppio strato, cioè in un aumento di Entropia.
Contemporaneamente le molecole di amminoacido risulteranno accumulate e
ordinate all'interno del doppio strato elettrico. Caos dall'ordine, un processo
spontaneo come la formazione dei cristalli di sale già accennata.
La
sostituzione delle molecole di acqua con molecole di amminoacido, porta quindi
ad una diminuzione dell’energia del sistema. Tale diminuzione si manifesta
attraverso una diminuzione del potenziale elettrocinetico e quindi del
potenziale di flusso. In sintesi, se le soluzioni contenente l’aminoacido
presentano una differenza di potenziale inferiore a quella della soluzione di
riferimento, vuol dire che gli amminoacidi sono stati risucchiati e accumulati all'interno dei micro condensatori e sottratti alla soluzione.
Prima
di passare ai dati sperimentali è necessario specificare quanto segue:
A)
Gli aminoacidi delle proteine di tutti gli organismi viventi sono 20,
presentano tutti la stessa composizione, tranne che per il residuo R.
Per
esempio:
Per
la Glicina al posto di R bisogna mettere H.
Per
la valina al posto di R bisogna aggiungere un gruppo CH3.
E
quindi logico che, come illustra l’immagine di alcuni amminoacidi, al cambiare
di R cambiano, necessariamente, sia le dimensioni che la polarità della
molecola dell’amminoacido.
Per ritornare alla metafora della vite ad elica, questo significa che per ogni
amminoacido al variare di R l’elica, della nostra ipotetica vite, cambia
diametro e passo; in conclusione, venti amminoacidi, venti viti diverse.
B) Il Quarzo cristallino, nel breve periodo, è insolubile in acqua. Ma il
prolungato contatto del quarzo con H2O, dà origine ad una lenta
reazione chimica superficiale con formazione di gruppi silanolici e al dipolo ‑Sid+‑Od‑
viene sostituito il
dipolo –Od‑‑Hd+
abbassandone il potenziale.
La formazione dei gruppi silanolici ridefinisce il campo elettrico della superficie dando origine, nel doppio strato elettrico, a nuovi campi elettrici e linee di forza elicoidali con ampiezze diverse e nuove distanze tra le spire.
Cioè il nostro ipotetico foro di vite ha cambiato diametro e passo.
Quest'ultimo fatto, come mostra il grafico, si manifesta attraverso una diminuzione del potenziale di flusso in funzione del tempo.
Tale diminuzione di potenziale non si manifesta in modo continuo, ma in modo discreto. In particolare, se si utilizza l'apparecchio o lo si lascia in stand-by nella soluzione per un certo tempo, il potenziale si abbassa con salti di circa 0,20mV.
Questo significa che sulla superficie dei granuli di quarzo un certo numero di legami Si-O-Si, si trovano alla stessa energia, reagiscono contemporaneamente con acqua e danno origine a gruppi di silanoli.
Il potenziale di flusso del
diaframma capillare di quarzo a contatto con la soluzione di riferimento, varia
da un massimo di 10,10 mV a 7,50 mV. Al disotto di quest’ultimo valore i
potenziali non sono stabili. I potenziali di flusso sono quindi compresi dentro
un intervallo di circa 2,60mV. Ci
occuperemo più avanti del significato e delle conseguenze di tale intervallo.
L’apparecchio per la misura dei potenziali di flusso collegato ad
un multimetro digitale Schlumberger. Sono stati misurati i potenziali di flusso
di soluzioni dei seguenti amminoacidi rispetto alla soluzione di riferimento.
Val L 10-3M Valina
Ala L, Ala-D 10-3M Alanina
Phe L, Phe-D 0, 5×10-3M Fenilalanina
Leu L, Leu D 10-3M Leucina
Met L 0,7×10-3M Metionina
Ileu L 10-3M Isoleucina
Trp L 0,8×10-3M Triptofano
Pro L 2×10-3M Prolina
Gli amminoacidi sono stati
solubilizzati nella soluzione di riferimento.
(Ulteriori informazioni in:”
Chimica prebiotica e origine della vita”)
Dal grafico si evince che
soluzioni di amminoacidi L, su diaframma capillare di quarzo cristallino L,
rispetto alla soluzione di riferimento, danno un abbassamento del potenziale di
flusso soltanto a ben determinati potenziali. Tale abbassamento è di 0,30 mV ± 0,05 mV per
tutti gli amminoacidi utilizzati. Ciò significa che soltanto a questi potenziali
specifici, i corrispondenti amminoacidi vengono risucchiati e accumulati
all’interno dei micro condensatori e sottratti alla soluzione.
Per esempio:
Il potenziale di flusso della
soluzione di riferimento è 9,70 mV; a questo potenziale una soluzione di Ala L
dà 9,40 mV.
Il potenziale di flusso della
soluzione di riferimento è 9,50 mV; a questo potenziale una soluzione di Phe L
dà 9,20 mV.
Il potenziale di flusso della
soluzione di riferimento è 8,70 mV, a questo potenziale una soluzione di Trp L
dà 8,40 mV.
A potenziali diversi da questi,
la soluzione amminoacidica dà lo stesso potenziale di flusso della soluzione di
riferimento, questo significa che gli amminoacidi rimangono in soluzione, per
esempio:
Se la soluzione di riferimento dà
un potenziale di 8,70 mV e al posto di Trp L viene utilizzata Ala L il
potenziale di flusso segna 8,70 mV.
Se allo stesso potenziale, per
esempio 9,70 mV per Ala L, viene utilizzata una soluzione di Ala della forma D,
non si osserva nessuna variazione di potenziale rispetto alla soluzione di
riferimento.
Il contrario si osserva quando viene
utilizzato un diaframma di quarzo D.
Come si evince dal grafico,
soluzioni di amminoacidi D, su diaframma capillare di quarzo cristallino D,
rispetto alla soluzione di riferimento, danno un abbassamento del potenziale di
flusso soltanto a ben determinati potenziali. Tale abbassamento è di 0,30 mV ±0,05 per tutti
gli amminoacidi utilizzati. Ciò significa che a questi potenziali i
corrispondenti amminoacidi D, dalla soluzione vengono risucchiati all’interno
dei micro condensatori, per esempio:
Il potenziale di flusso della
soluzione di riferimento è 9,70 mV; a questo potenziale una soluzione di Ala D
dà 9,40 mV. Se viene utilizzata una soluzione di Ala della forma L, non si
osserva nessuna variazione di potenziale rispetto alla soluzione di
riferimento.
Un simile comportamento deve
essere la logica conseguenza di quanto detto nella parte teorica.
Il quarzo cristallino, nel doppio
strato elettrico, genera delle linee di forza elicoidali assimilabili al foro
di una vite. Nell’amminoacido ai quattro atomi o gruppi atomici diversi, legati
all’atomo di carbonio a struttura tetraedrica, sono associati quattro dipoli a
struttura elicoidale. Per tale ragione l’amminoacido è paragonabile ad una vite.
Seguendo ancora la nostra metafora, se la vite trova il suo giusto foro allora
l’amminoacido si accumula nel doppio strato elettrico; si ha quindi una
diminuzione dell’energia del sistema e di conseguenza si osserva un
abbassamento del potenziale. Se il foro non è quello giusto, allora: o la vite
entra ed esce subito perché il foro è più ampio, o non entra affatto, perché il
foro è eccessivamente stretto, il potenziale rimane costante, l’amminoacido non
si accumula sulla superficie. Se la vite ha un verso contrario, come nel caso
della forma D, essa non può entrare ed anche in questo caso il potenziale
rimane costante, l’amminoacido rimane in soluzione. Quindi, soltanto ad un potenziale
specifico l’amminoacido viene accumulato nel doppio strato elettrico e
sottratto alla soluzione.
La metafora del foro e della vite deve
essere intesa nel senso che Erwin Schrödinger, uno dei padri della meccanica
quantistica, dà nel suo saggio “Che cosa è la vita”,1944: «Alla luce delle
conoscenze attuali, il meccanismo dell’ereditarietà è strettamente legato, anzi
fondato sulla teorie dei quanti. […]. La grande rivelazione della teoria dei
quanti è consistita nello scoprire, nel libro della natura, dei caratteri di
discontinuità in un contesto in cui qualsiasi cosa diversa dalla continuità
sembrava assurda […]. Sulla base di fatti che non possiamo discutere in questa
sede, dobbiamo ammettere che un piccolo sistema possa, per ragioni di principio
inerenti alla sua stessa natura, possedere solo certe quantità discrete di
energia, che prendono il nome di livelli energetici propri del sistema. […]. Il
risultato è che, se un certo numero di nuclei atomici, con tutta le loro
guardia del corpo vengono a trovarsi uniti a formare un “sistema”, essi non
possono per la loro natura assumere una qualunque arbitraria configurazione,
fra tutte quelle che si possono immaginare. La loro natura permette loro di
scegliere solo entro una molto numerosa ma pur discreta serie di “stati”. Generalmente
noi chiamiamo questi stati con il termine “livelli” o “livelli energetici”,
perché il valore dell’energia è una delle loro più importanti caratteristiche. […].
Tra la serie discreta di stati di un certo insieme di atomi ci può essere (ma
non è detto che vi sia) un livello più basso di tutti gli altri, in cui i
nuclei sono strettamente ravvicinati. In tale stato gli atomi costituiscono una
molecola».
Quindi ogni molecola ha un suo
contenuto energetico definito, discreto, cioè una struttura quantomeccanica. Ma
se l’energia è discreta, poiché i legami tra gli atomi sono di natura
elettromagnetica anche il campo elettromagnetico associato alla molecola deve
essere discreto. E per gli amminoacidi, il campo elettrico associato alla
molecola deve presentare anche un orientamento D o L. Riprenderemo più avanti questi concetti.
Per concludere, sembra che un agente fisico, il quarzo, in epoca prebiotica, può collegare deduttivamente la separazione degli amminoacidi Destro dai Levo coi principi fondamentali dell teoria fisica. È possibile quindi ipotizzare che questi doppi strati elettrici abbiano funzionato da filtro elettrochimico, selezionando ed accumulando sulla superficie del quarzo, e quindi sulla terraferma, gli amminoacidi.
Non dobbiamo però dimenticare che il
quarzo cristallino, che si trova oggi in natura, è 50% Destro e 50% Levo e tale
doveva essere la situazione anche in epoca prebiotica. D’altra parte ormai
sappiamo che, in epoca prebiotica, gli amminoacidi erano 50% D e 50% L. Allora,
se il quarzo Levo ha accumulato l’amminoacido Levo altrettanto avrà fatto il
quarzo Destro accumulando l’amminoacido Destro. In queste condizioni si
sarebbero formati polipeptidi L e polipeptidi D e successivamente una vita D e
una vita L.
Ma la vita D non esiste, in riferimento
agli amminoacidi esiste solo una vita L.
In conclusione, i risultati sopra
esposti non possono essere presi come definitivi ma come strumento di lavoro
per ulteriori indagini.
E allora rimane la domanda: come si è salvato
il Levo e che fine ha fatto il Destro?
Giovanni Occhipinti
Prossimo articolo: Origine delle proteine (parte quarta). Metà Maggio
