| Il ruolo dell'acqua nei sistemi biologici
© di Claudio
Cardella e Fulvio Di Pascale, Marzo 1978 “corpora non agunt nisi soluta”
 Introduzione
A tutt’oggi non è stata ancora formulata una teoria
che renda conto di tutte le proprietà biologiche, fisiche,
chimiche e strutturali dell’acqua; che essa sia la base
della vita é cosa nota, meno semplice é invece spiegarne i
motivi. Non staremo ad elencare le teorie proposte sulle
proprietà e sulla struttura di questo “scandalo fisico”
che si contrae durante il processo di fusione e che presenta
caratteristiche anomale rispetto a tutte le altre sostanze
liquide. Vale invece la pena di ricordare [2,3] che tutte le
proprietà dell’acqua subiscono grandi variazioni
nell’intorno dei 35 - 40°C e che “una variazione delle
proprietà associative dell’acqua può essere di grande
importanza per i processi biologici, essendo la regione di
temperatura corrispondente alla trasformazione quella
propria degli organismi a sangue caldo”. (Magat) Lo stabilire che l’acqua possiede proprietà
eccezionali in relazione a quelle degli altri liquidi, non
risolve il problema dell’acqua ma, anzi, approfondendone
lo studio é risultato che essa, accanto a proprietà
facilmente definibili, ne presenta altre più elusive
rispetto ad una determinazione sperimentale e difficilmente
prevedibili scientificamente. E’ noto, ad esempio, che l’acqua bevuta alla
sorgente è più efficace, dal punto di vista medicamentoso,
della stessa acqua imbottigliata e che l’esistenza di
piccole tracce di radioattività non basta a giustificarne
la differenza di proprietà. Un cuore di rana, immerso in
una soluzione acquosa di digitale a concentrazioni
omeopatiche, ha continuato a reagire anche quando la
concentrazione in peso del principio attivo é scesa sotto i
[4]. Tali fatti sperimentali, apparentemente senza
collegamento tra loro, a noi sembrano invece essere due
manifestazioni dello stesso principio: l’acqua possiede
una memoria la quale persiste fintanto che l’acqua stessa
rimane biologicamente attiva e, d’altro canto, l’acqua
é biologicamente attiva finché possiede una memoria. I - Per chiarire queste affermazioni occorre
innanzitutto fare alcune considerazioni in merito alla
struttura molecolare dell’ . La teoria di Lennard-Jones e Pople [5] afferma che
nell’acqua esiste una struttura reticolare estesa a tutta
la massa liquida la quale si può considerare, in un certo
senso, costituire una grossa unica molecola. Strutture
tridimensionali di tale reticolo quasi-cristallino sono
state proposte a più riprese da diversi ricercatori
[6,12,13] sulla base dello studio delle caratteristiche del
legame idrogeno; in fig.1 é rappresentata quella riportata
da Pauling [14]. Ad essa saranno riferite le successive
considerazioni. La struttura dell’acqua secondo L. Pauling: i
legami-idrogeno sono indicati col tratteggio fitto. Ogni molecola di acqua, secondo questa teoria, tende a
formare quattro legami idrogeno in direzioni tetraedriche;
l’elasticità di tale legame, capace di estendersi e
piegarsi senza rompersi e di assorbire quindi grandi quantità
di energia e di entropia, rende conto di diverse proprietà
anomale dell’acqua come la sua grande capacità termica e
l’alto valore della costante dielettrica [7,8] e
garantisce parimenti i requisiti di mobilità molecolare
tipica dei liquidi. L’esistenza di una struttura
quasi-cristallina implica la presenza di una energia di
reticolo, cioè dell’energia minima sufficiente ad
annullare le interazioni reticolari. Prove sperimentali [9]
inducono a credere che il reticolo dell’ inizia fondere,
cioé a rompersi per effetto termico, intorno ai 35-40°C.
Viceversa, alle basse temperature i legami tra molecole
adiacenti si irrigidiscono, vincolando così le molecole nel
loro moto e si forma il ghiaccio. La proposta di una
struttura reticolare continua dell’acqua, pur lasciando
insoluti molti problemi [10], é quella morfologicamente più
soddisfacente per i sistemi biologici, anche in
considerazione del fatto che in condizioni fisiologiche le
molecole di acqua esistono come H-O-H ed é raro che si
ritrovino dissociate in ed [11]. Ioni e molecole in soluzione acquosa ed in
concentrazioni adeguate, interrompono la struttura
dell’acqua dando luogo ad entità strutturali simili al
ghiaccio dette “iceberg”, le quali vengono legate alla
rimanente struttura che non partecipa al fenomeno, secondo
modalità non ancora interamente conosciute. L’esistenza
di una struttura così delicata e sensibile, induce a
pensare che esistano anche azioni adeguate capaci di
modificare la struttura stessa in un numero di modi
praticamente infinito, di conseguenza si può assumere che
l’acqua risenta di influenze estremamente delicate e che
possa adattarsi alle più diverse circostanze con una varietà
di possibilità non raggiunta da alcun altro liquido.
Potrebbe essere questa enorme versatilità a rendere
possibile l’esistenza della vita; “forse é per mezzo
dell’acqua e dei sistemi acquosi che le forze esterne
possono reagire con gli organismi viventi”.[1]. Questa
ipotesi di Piccardi sorgeva da basi sperimentali che può
essere utile ricordare: egli notò, nel corso dei suoi
esperimenti, che radiazioni elettromagnetiche e fluttuazioni
di campo venivano rivelate contemporaneamente da colloidi
sia organici che biologici in mezzi acquosi [15]. Entrambi i
tipi di colloidi erano in stati lontani dall’equilibrio
termodinamico: i primi perché in evoluzione chimica, i
secondi perché in evoluzione biologica (un colloide vivo
non può mai raggiungere l’equilibrio termodinamico, poiché,
in tal caso sarebbe incapace di trasformarsi e di evolvere,
quindi di ospitare fenomeni vitali). Ora, mentre un’azione
di contatto non interessa in nessun caso l’intera massa di
un corpo, le radiazioni elettromagnetiche e le variazioni di
campo sono azioni globali e colpiscono l’intero corpo od
organismo ad esse sottoposto; quegli elementi che in
relazione alla loro geometria, alle loro dimensioni ed alle
loro relazioni energetiche, reagiscono a radiazioni di
frequenza adeguate, sono elementi strutturali. Non vi può
essere infatti risonanza senza una precisa distribuzione
energetica spaziale e, quindi, non vi può essere risonanza
senza struttura. Queste schematiche considerazioni stanno ad indicare che
la parte sensibile alle radiazioni della materia vivente é
il suo substrato non biologico e che tale substrato deve
essere dotato di struttura: l’acqua ed i colloidi dispersi
in mezzi acquosi lo costituiscono. II - Rimane da vedere in qual modo il substrato acquoso
di cui parlava Piccardi reagisca ad azioni esterne e come
successivamente comunichi al sistema biologico queste
azioni. Al proposito conviene fare alcune considerazioni in
merito ai cambiamenti chimico-fisici che le radiazioni
elettromagnetiche sono in grado di indurre nell’acqua. E’ stabilito sperimentalmente che tali cambiamenti
sono sostanzialmente di tre tipi: eccitazione, produzione di
elettroni secondari e produzione di ioni (radiolisi) [16].
Le ragioni energetiche in cui avvengono sono definiti oltre
che dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente
anche dalla natura molecolare del mezzo [17], tuttavia si
deve osservare che la maggior parte dei risultati
sperimentali non contempla l’esistenza di una struttura
reticolare, infatti i dati riferiti alla fase liquida sono
quasi sempre desunti dall’estrapolazione di dati ottenuti
mediante la sperimentazione condotta in fase liquida o di
vapore. Si è comunque appurato che lo stato eccitato e
sovreccitato delle molecole d’acqua consiste in un
cambiamento di posizione e di moto degli elettroni e dunque
degli atomi, ed al tempo stesso che lo stato eccitato
precede sempre la ionizzazione [18]. A tale riguardo si
rileva in letteratura la presenza di osservazioni
sperimentali suscettibili di essere interpretate solo alla
luce dell’esistenza di uno stato di eccitazione molecolare
dell’acqua [Sworsky, 19]. E’ interessante notare inoltre
che la soglia di ionizzazione, ovvero la massima lunghezza
d’onda in grado di provocare ancora la radiolisi
dell’acqua liquida è dell’ordine di 2000 Å,
corrispondente ad una energia di circa 6.4 eV [20]. Già da
queste sommarie osservazioni si deduce la possibilità del
trasferimento dell’energia radiante alla struttura
reticolare mediante lo spostamento degli atomi, ossia
mediante la deformazione ed in particolare l’allungamento
dei legami molecolari; detto trasferimento sarà poi tanto
più rapido ed efficace quanto maggiore è il numero di
gradi di libertà del sistema meccanico, cioè in ragione
della mobilità della struttura reticolare del mezzo
acquoso. Quanto precede costituirà la base per le successive
considerazioni; si ritiene opportuno, pertanto, evidenziarne
sinteticamente i punti salienti: 1) l’acqua liquida è dotata di una struttura
reticolare quasi-cristallina tridimensionale (rappresentata
in fig. 1);
2) tale struttura esiste a temperature inferiori a 40°C;
3) nei sistemi biologici l’acqua sussiste in forma non
dissociata;
4) il suo reticolo quasi-cristallino è in grado di
interagire con radiazioni elettromagnetiche la cui lunghezza
d’onda è compresa nella zona dello spettro corrispondente
all’ultravioletto. Questa affermazione è peraltro da
intendersi con valore restrittivo, poiché esistono
indicazioni sperimentali [Piccardi 21, Capelle-Boute 22] che
sembrano indicare la possibilità di “attivare”
l’acqua liquida anche mediante radiazioni con lunghezze
d’onda lunghe e lunghissime. III - Le lunghezze d’onda comprese nel campo 1800 -
3000 Å cadono nella regione dello spettro indicata come
ultravioletto corto ed è noto che l’atmosfera terrestre
è pressoché completamente opaca a questo campo di
radiazioni a causa dell’azione filtrante esercitata dal
sottilissimo strato di ozono esistente ad alta quota
attraverso la reazione [23]: si può affermare di conseguenza che la superficie
terrestre non riceva dl sole radiazioni di lunghezza
d’onda inferiore a circa 3000 Å. Ciò sembra dunque
contraddire quanto si è fin qui faticosamente tentato di
dimostrare. Come potrebbe infatti l’acqua costituire il
substrato sensibile non biologico della materia vivente se
l’azione necessaria a modificarlo è costituita dalle
radiazioni ultraviolette corte e queste, a loro volta, sono
pressoché totalmente assenti al livello della superficie
terrestre? A nostro avviso la risposta va ricercata indagando nella
funzione fotosintetica la quale, come si dirà più oltre
non è appannaggio esclusivo del mondo vegetale. E’
fondamentale, a questo punto, richiamare la celebre
esperienza con cui Berthelot riprodusse in laboratorio la
fase iniziale della fotosintesi clorofilliana semplicemente
irradiando con raggi ultra-violetti una miscela di acido
carbonico ed acqua, ottenendo in tal modo la sintesi
dell’aldeide formica, primo prodotto della vita organica
da cui è possibile giungere al glucosio: è la medesima
operazione attuata dalla clorofilla. Se invece la stessa
miscela di acido carbonico ed acqua viene esposta al sole
oppure ad alte temperature, non si ottiene l’aldeide
for-mica; ciò indica, secondo noi, che l’azione
catalizzante svolta dalla cloro-filla non si realizza
solamente con modalità chimiche, ma soprattutto per via
fisica, ovvero che essa ha l’ufficio di trasformare le
lunghezze d’onda delle radiazioni solari visibili in
lunghezze d’onda più corte ed energeti-che e
specificamente ultraviolette. Mentre il complesso meccanismo
di questo fenomeno sarà l’oggetto di una prossima
memoria, ci si limita per adesso a notare che tramite la
fotosintesi si ha la produzione di radia-zioni ultraviolette
corte al livello della superficie terrestre. Gli studi di A. Gurwitch e della sua scuola [24] hanno
dimostrato, al di là dell’incertezza sperimentale, il
potere radiante della materia vivente in stati lontani
dall’equilibrio biochimico. In altre parole, durante la
proteolisi vengono liberate radiazioni le cui lunghezze
d’onda sono molteplici e verosimilmente tante quante sono
le composizioni intime e strutturali delle albumine che la
subiscono [25], ma tali lunghezze d’onda sono comunque
comprese nel campo 1900 - 2700 Å. Ci si chiede adesso quale sia il destino di dette
radiazioni ultraviolette corte una volta che siano state
prodotte durante il processo di fotosintesi, donde traggano
la possibilità di emettere radiazioni ultraviolette
organismi, ad esempio animali, che apparentemente non sono
dotati di funzione fotosintetica e da ultimo, quale ragione
di essere abbia l’energia radiante di origine animale. Da quanto detto in precedenza, sembra ragionevole
dedurre che tale energia radiante venga veicolata agli
organismi superiori tramite gli alimenti; ciò d’altro
canto implicherebbe che attraverso la fotosintesi
clorofilliana venga prodotta più energia radiante di quella
necessaria al solo progresso delle funzioni biochimiche
della pianta e che tale eccesso possa essere raccolto e
conservato. L’acqua biologica, in virtù della propria
struttura e delle correlative proprietà di detta struttura,
è in grado di assolvere questo ruolo “attivandosi”, cioè
fissando quel sovrappiù di energia radiante prodotto nel
corso della fotosintesi sul proprio reticolo
quasi-cristallino. In tal modo l’acqua stessa viene ad
assumere la morfologia dell’organismo che la contiene, nel
senso che il modo e la misura in cui essa viene
“attivata” dipendono strettamente dalle caratteristiche
e dall’efficienza della funzione fotosintetica proprie
dell’organismo. Si potrebbe obbiettare a questo proposito
che il tempo di vita medio attribuito da studi sperimentali
alle molecole di acqua “attiva” è estremamente breve
[26], ma al riguardo si deve ricordare che tali esperienze
[27] erano condotte in acqua allo stato gassoso ed in
condizioni di equilibrio termodinamico. Di conseguenza,
riguardo al tempo di vita medio della specie eccitata,
quegli esperimenti potrebbero solamente confermare quanto
noi abbiamo in precedenza accennato, cioè che l’acqua
rimane attiva per tutto il tempo che il sistema di cui essa
fa parte è lontano dall’equilibrio termodinamico; ciò
equivale a dire, nel caso di un sistema biologico, fin
quando l’organismo è vivo. Il messaggio energetico così
incastonato nella struttura dell’acqua, può allora essere
trasmesso ad altri organismi i quali, a loro volta, saranno
in grado di riceverlo tramite il supporto acquoso di cui
sono morfologicamente dotati. Nel caso di animali, tale
processo avrà luogo nel corso della fase anabolica, durante
le reazioni di destrutturazione degli alimenti.
Presumibilmente il ciclo dell’energia radiante si compie,
negli animali superiori, con modalità più complesse, ma
simili a quelle della fotosintesi clorofilliana. In questo
caso, il ruolo svolto dalla clorofilla è assunto da altri
catalizzatori biologici presenti nell’organismo; essi
saranno i ricetttori primari della radiazione liberata nella
rottura del reticolo dell’acqua morfologicamente associata
agli alimenti, i regolatori della “temperatura
ultravioletta” necessaria allo svolgimento delle svariate
reazioni cellulari e saranno infine i produttori di quel
sovrappiù di energia radiante ultravioletta che verrà
fissata, come sopra accennato, nella struttura del mezzo
acquoso di cui l’organismo animale è dotato (riguardo ai
catalizzatori biologici si veda la nota in appendice). Rimane da spiegare la ragion d’essere del sovrappiù
di energia radiante prodotto dai catalizzatori biologici e
la funzione dell’acqua morfologicamente attiva
nell’economia del sistema biologico. Considereremo
separatamente le implicazioni relative ai due modi di
interazione acqua-radiazione: la produzione di elettroni e
l’acqua eccitata. Il passaggio di radiazioni altamente energetiche
nell’acqua può dar luogo, come abbiamo sommariamente
visto, alla produzione di elettroni secondari e, fin quando
il sistema è lontano dall’equilibrio termodinamico, ad un
campo elettrico negativo. L’esistenza ed il mantenimento
di tale campo è di primaria importanza nel vivente, essendo
alla base di un delicato equilibrio colloidale estremamente
sensibile alle variazioni di alcalinità. Poiché infatti le
cariche elettriche degli atomi sono fatalmente portate ad
equilibrarsi in modo da stabilire uno stato di neutralità
che in un complesso vivente significa la morte elettrica,
deve necessariamente sussistere in permanenza un campo
elettrico negativo capace di mantenere e causare tutti gli
scambi propri della vita cellulare. Escluso il fatto che il
mantenimento di tale riserva alcalina sia dovuto
esclusivamente ad un determinante chimico, si è indotti a
credere che sia retto da fenomeni di natura fisica e
specificamente radiante. L’acqua, soprattutto in morfologia biologica,
costituisce un sistema altamente instabile a causa del fatto
che negli animali a sangue caldo essa viene costantemente
mantenuta ad una temperatura critica, cioè prossima a
quella ove il suo reticolo strutturale comincia a fondere;
si può quindi logicamente supporre che tale struttura sia
molto sensibile ad interazioni energetiche. Si è visto
quali possano essere tali azioni. Vediamo adesso quale
significato possono assumere. Si è stabilito che l’immagazzinamento, la
trasmissione e la ricezione di messaggi informazionali nelle
cellule e negli organismi ha natura moleco-lare ed inoltre,
che un’informazione valida, cioè in grado di produrre
ef-fetti rilevanti, è realizzabile, e quindi esiste, solo
in condizioni di non-equilibrio ed anzi, in biologia è
proprio la distanza dall’equilibrio il pa-rametro atto a
definire la qualità dell’informazione [29]. In altre
parole, il sorgere di un’informazione valida è
condizionato dall’esistenza di stati instabili del
sistema. Per quanto precedentemente detto, l’acqua ci
ap-pare il substrato ottimale della informazione biologica:
catalizzatori bio-logici sono in grado di modificarne
durevolmente la struttura ed altri catalizzatori biologici
sono in grado di ricevere il messaggio stampato su detta
struttura ed operare conseguentemente le opportune reazioni
bio-chimiche. In tal senso ci sembra quindi che sia da
interpretare l’affer-mazione di Volk’nstein: il senso
fisico del codice genetico è determinato dalle
caratteristiche della struttura e dalle proprietà
dell’acqua. Le considerazioni svolte, lungi dall’aver trattato in
maniera esauriente l’argomento, sono inoltre carenti di
una teoria fisica di supporto, il cui sviluppo è lasciato
al futuro a causa della vastità della materia e
dell’ignoranza nel campo della fisica delle deboli
energie. Si è voluta qui indicare una metodologia di
indagine in una struttura sequenziale di idee. IV - Nota in appendice Per la funzione fisica dei catalizzatori biologici si è
assunta la teoria di G. Protti [28]. Rimandando il lettore,
per una migliore comprensione dell’argomento all’opera
citata, se ne delineano alcuni aspetti essenziali. I catalizzatori biologici sono sostanza fluorescenti a
struttura molecolare complessa; quando tali sostanze sono
colpite da una radiazione elettromagnetica adeguata, in seno
ad esse si determinano non soltanto degli spostamenti
orbitari degli elettroni, ma contemporaneamente si verifica
un urto delle molecole componenti la sostanza fluorescente.
Urtandosi tra loro, queste molecole comunicano agli
elettroni altri impulsi, per cui essi vengono ad assorbire
una maggior energia che viene riemessa dalla sostanza
fluorescente assieme a quella assorbita; ne risulta una
radiazione di frequenza maggiore di quella che l’ha
provocata. V - Bibliografia 1. Piccardi, G., The Chemical Basis of Medical
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