I meccanismi alla base dell’esistenza degli organismi viventi

Le discussioni e le interpretazioni generatesi sulla diffusione e sui meccanismi di azione dei Coronavirus hanno messo a confronto opinioni che, spesso, hanno una base scientifica debole per la nostra incapacità di comprendere la genesi e la complessità della vita, la sua evoluzione e, in particolare, i meccanismi molecolari che soprassiedono alla vita e ai viventi. I viventi sono sistemi che hanno simultaneamente tre caratteristiche: si autosostengono; si riproducono; mutano e si evolvono attraverso interazioni con l’ambiente. Il premio Nobel francese J. Monod, nel suo libro “Il caso e la necessità” afferma: “Ogni essere vivente, frutto di una combinazione unica di informazioni genetiche, costituisce l’ultimo anello di una catena di avvenimenti unici evolutivi lunga oltre quattro miliardi di anni”.

I viventi posseggono caratteristiche che non si riscontrano nella materia inorganica e le loro unità fondamentali, le cellule, hanno una struttura altamente ordinata ed estremamente complessa e sono composte da molecole di cui ognuna esplica una ben definita e specifica funzione. Al contrario, la materia inorganica è costituita da una miscela casuale di composti semplici: una roccia è composta di vari minerali di cui non si individuano, attualmente, le singole funzioni, relazioni e azioni. La complessità molecolare e l’ordine delle strutture degli organismi viventi e la casualità della materia inorganica hanno profonde implicazioni. Poiché i processi spontanei vanno verso il disordine, la domanda che scaturisce è ovvia: in che maniera gli organismi viventi possono creare il loro complesso ordine in un mondo che tende al disordine? Chi paga per il loro alto grado di ordine? Quali sono le regole e le forze che permettono la vita e governano e guidano i suoi complessi risultati strutturali, biologici ed evolutivi?

Tutti gli organismi della biosfera derivano la loro energia dal sole: le cellule fotosintetiche delle piante intrappolano l’energia radiante della luce solare per convertire l’anidride carbonica e l’acqua in composti ricchi di energia, quali amido e cellulosa, rilasciando ossigeno nell’atmosfera. Gli organismi non fotosintetici ottengono l’energia di cui hanno bisogno per vivere ossidando questi composti ricchi di energia a spese dell’ossigeno atmosferico, generando prodotti di scarto che sono riciclati nell’ambiente. Basti pensare ai funghi filamentosi che degradano la lignina o ai batteri del rumine che scompondono e riciclano erbe e piante non legnose. L’energia dal sole alimenta così il motore di tanti altri organismi. Le cellule sono, dunque, motori chimici che usano l’energia chimica per produrre il lavoro necessario per crescere, trasportare sostanze nutrienti, duplicarsi e per compiere tutte quelle funzioni che sono indispensabili alla vita.

In queste funzioni hanno un ruolo fondamentale gli enzimi, catalizzatori capaci di aumentare enormemente la velocità di una reazione chimica alle condizioni compatibili con la vita. Gli enzimi sono organizzati in sequenze, dette vie metaboliche: alcune degradano le sostanze nutrienti a semplici prodotti finali (un processo definito catabolismo) rendendo così disponibile energia per altri processi, mentre altre producono molecole complesse da piccoli precursori consumando questa energia (processo definito anabolismo). La più importante proprietà delle cellule è quella di auto-replicarsi fedelmente per molte generazioni. L’informazione genetica è conservata in una molecola organica, il Dna, in forma lineare ed è convertita in una informazione tridimensionale nelle proteine che sono le vere esecutrici delle attività vitali, essendo alla base della struttura e della funzionalità delle cellule. Questi due regni chimici interagiscono tra di loro grazie a un canale di comunicazione altamente specifico e raffinato, il codice genetico, mediante vari Rna, chiamati messaggeri. Ogni forma di vita dipende dall’accordo cui sono pervenute queste classi di molecole molto diverse.

Gli organismi possono essere unicellulari o pluricellulari. I batteri, i più piccoli unicellulari, sono chiamati microrganismi per la loro struttura e grandezza. Un esempio tipico è “Escherichia coli” (E. coli), un abitante comune del nostro tratto intestinale, che si presenta come un bastoncello lungo circa 2 millesimi di millimetro (2 μm) e largo circa 0.8 millesimi di millimetro, con una massa di circa 1 picogrammo, la millesima parte di un miliardesimo di grammo! Una singola cellula di E. coli contiene migliaia di acidi nucleici diversi oltre al Dna, dove è contenuta l’informazione, oltre a migliaia di proteine, di cui alcune hanno un ruolo strutturale e altre, gli enzimi (oltre 3.000), che provvedono al metabolismo cellulare.

Orbene, questi tipi di macromolecole biologiche non agiscono in soluzioni diluite, ma sono impacchettate nelle piccole cellule con una concentrazione di parecchi grammi per litro, condizioni non ottenibili in laboratorio. Questo affollamento è importante perché crea un ambiente cellulare in cui le molecole della vita sono prodotte e assumono le strutture e le proprietà che permettono alle cellule di nutrirsi e riprodursi, acquisendo la straordinaria capacità di generare entità funzionali che portano all’ organismo intero. L’acqua, che costituisce circa il 70% della cellula, assume delle strutture che determinano un ambiente particolare, in cui le reazioni chimiche avvengono con una velocità e specificità straordinaria che rispecchia un ordine e una organizzazione che non si riescono ad immaginare. Basti pensare che se fornissimo ad un singolo batterio E. coli tutti gli alimenti necessari, e poi acqua, ossigeno e lo liberassimo dai rifiuti che produce, potrebbe mangiare l’intero pianeta terra in due giorni, generando un nuovo pianeta terra in peso fatto tutto da altri batteri copie dell’originale! Senza le regole della vita la cellula muore e si disgrega nei componenti che rientrano nel ciclo vitale, indicando che la grande complessità è e può essere governata dalle leggi fondamentali della fisica e della chimica. Spesso si confonde la complessità con il disordine in quanto non si riescono a individuare e comprendere le regole che governano processi complessi. L’importanza di tali studi è stata riconosciuta anche recentemente con l’attribuzione del premio Nobel a Giorgio Parisi per il suo pluridecennale impegno al sostegno della ricerca di base e le sue ricerche e scoperte nel campo dell’interazione tra disordine e fluttuazioni nei sistemi fisici da scala atomica a scala planetaria.

Negli organismi pluricellulari, le cellule sono mediamente più grandi perché si sono differenziate, specializzate per specifiche funzioni e associate per dar luogo a strutture più complesse. L’informazione genetica contenuta nel Dna è utilizzata in maniera differenziale nelle diverse cellule, attraverso una accurata regolazione dell’espressione genica: esistono le cellule della pelle, del cuore, dei polmoni, del fegato, del cervello e così via con differenti caratteristiche e ruoli. Le degenerazioni di questi meccanismi di controllo nelle cellule eucariotiche portano a malattie molto gravi, come il cancro. Venendo meno le regolazioni dei meccanismi di espressione del Dna e la conseguente incapacità delle cellule di svolgere il ruolo cui erano destinate, esse crescono senza controllo causando la morte della cellula stessa e successivamente dell’organismo. [segue]