Autoconservazione e processi energetici
Un principio fisico universale vuole che tutte le strutture organizzate siano incalzate dalla disorganizzazione; la grandezza fisica che misura questo grado di disordine progressivo è l'entropia.
Gli organismi viventi rappresentano le strutture più complesse e organizzate che si conoscano. Per lottare contro gli effetti dell'entropia, che conducono alla morte, la cellula ha un bisogno continuo di energia fresca, che è assunta sotto forma di alimenti. L'energia chimica in essi contenuta proviene, direttamente o indirettamente, dal Sole e, quindi, gli alimenti possono essere considerati come energia solare in conserva.
Senza il Sole, la vita sulla Terra sarebbe impossibile. Ma in che modo ci giunge quest'energia? Il Sole irradia continuamente nello spazio circostante delle radiazioni elettromagnetiche (ultravioletti, luce visibile, infrarossi, ecc.) che viaggiano sotto forma di "pacchetti energetici" detti fotoni. Il processo di cattura e utilizzazione dell'energia contenuta nei fotoni prevede due tappe: la fotosintesi clorofilliana e la respirazione cellulare. La prima di queste due tappe avviene nei cloroplasti delle cellule vegetali. In questi organuli è presente una specie di "mulino solare" le cui pale sono date dalle molecole di una sostanza verde: la clorofilla. Per comprendere come questo mulino sia in grado di girare e produrre energia bisogna spostarsi a livello atomico.
Tutti gli atomi delle sostanze sono formati da un nucleo centrale attorno al quale girano delle particelle cariche negativamente dette elettroni. Gli elettroni gravitano attorno ai nuclei ad una distanza ben definita, corrispondente ad un determinato livello di energia. Se gli elettroni di un atomo sono colpiti da un raggio luminoso (e quindi energetico) sono in grado di svincolarsi maggiormente dall'attrazione del nucleo e di allontanarsi, portandosi su un orbita più lontana, e quindi più energetica (livello dell'elettrone eccitato). Si tratta, tuttavia, di un livello instabile e, dopo poco tempo, questi elettroni ricadono al livello energetico di partenza, restituendo, sotto forma di un altro fotone, l'energia che avevano ricevuto.
Nella fotosintesi clorofilliana, queste cadute sono canalizzate all'interno di strutture adeguate (sistemi di trasportatori di elettroni) che consentono di recuperare l'energia liberata dagli elettroni in ricaduta e di utilizzarla in un processo di sintesi di sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche. Gli elettroni degli atomi che formano le molecole di clorofilla sono facilmente eccitabili alla luce del Sole. Questo fa sì che in ogni molecola si producono, per ogni istante, migliaia e migliaia di salti elettronici. La debole corrente elettrica prodotta da queste migliaia di cadute elettroniche, che possono essere paragonate al flusso di un torrente che fa girare le turbine di una centrale idroelettrica o al soffio del vento che muove le pale del mulino, viene utilizzata sia per costruire il cibo che per ricaricare parte delle riserve energetiche della cellula. In particolare, nel corso della fotosintesi, la cellula vegetale utilizza 6 molecole di anidride carbonica più 6 molecole di acqua, più energia solare, per sintetizzare uno zucchero a 6 atomi di carbonio, il glucosio. Come prodotto di "rifiuto" si liberano nell'aria 6 molecole di ossigeno (nel caso della fotosintesi aerobia). In sintesi:
Al contrario delle piante, gli organismi eterotrofi sono costretti a procurarsi le sostanze nutritive in forma già confezionata alimentandosi di piante o, come consumatori secondari, di altri animali vegetariani. In questo modo sono in grado di assicurarsi le sostanze zuccherine energetiche di cui hanno bisogno per i loro processi cellulari. Gli zuccheri ingeriti vengono trattati in modo da riestrarre "l'energia solare" che vi era stata imprigionata al momento della sintesi. Questa energia viene utilizzata per produrre molecole energetiche di ATP, l'unico combustibile utilizzabile dagli esseri viventi. Questo processo è noto come respirazione cellulare (da non confondere con la respirazione polmonare) ed avviene nei mitocondri, cui arrivano, trasportati dal sangue, sia gli zuccheri contenuti negli alimenti che ingeriamo, che l'ossigeno, assunto dai polmoni.
Il processo può essere distinto in due tappe:
- inizialmente il glucosio viene frantumato, in assenza di ossigeno, in due frammenti a tre atomi di carbonio; questa reazione, analoga alla fermentazione, è detta glicolisi (letteralmente rottura del glucosio) e permette di ottenere, già in questa fase, una piccola quantità di energia;
- successivamente, questi due frammenti
a tre atomi di carbonio vengono inseriti in una specie di macina chimica, il
cosiddetto ciclo di Krebs, che li tritura fino a trasformarli in composti
elementari. Questa seconda tappa avviene in presenza di ossigeno e consente
di bruciare la sostanza in modo da estrarre fino all'ultima "goccia" di
energia chimica contenuta. Come sostanze di rifiuto si hanno anidride carbonica ed
acqua:
È evidente che i prodotti finali della respirazione rappresentano i prodotti iniziali della fotosintesi. In molti organismi che vivono in assenza di ossigeno (anaerobi) il processo di respirazione cellulare si ferma alla prima tappa, cioè alla glicolisi. È questo il caso dei batteri fermentatori, tra i quali ricordiamo i batteri responsabili della fermentazione dell'alcol. In termini di resa energetica, la glicolisi è meno efficiente della respirazione cellulare completa, in quanto essa dà come prodotti finali due frammenti di zucchero a tre atomi di carbonio ancora ricchi di energia. In termini di rendimento energetico la respirazione cellulare consente di produrre una quantità di energia 18 volte superiore a quella ottenibile dalla semplice fermentazione.
Si è già accennato al fatto che questa energia, per essere utilizzata, deve essere immagazzinata in una molecola particolare, l'ATP o adenosintrifosfato. Si tratta di una molecola "riciclabile" che, quando è carica, è in grado di cedere rapidamente l'energia in essa contenuta trasformandosi in ADP o adenosindifosfato. L'energia liberata nel corso della respirazione cellulare viene utilizzata, appunto per "ricaricare" l'ADP ritrasformandolo in ATP.
Utilizzando ATP, la cellula può svolgere tutte le sue funzioni vitali comportandosi come una vera e propria industria chimica. Un industria, però, molto particolare. Infatti la cellula deve autocostruirsi le strutture (proteine strutturali), gli operai (enzimi) e le materie prime (molecole organiche) di cui ha bisogno. Per fare questo, deve essere anche in grado di curare la manutenzione del proprio apparato e di controllare i propri cicli di produzione. Tutte queste attività sono sotto il controllo degli acidi nucleici: DNA ed RNA. Grazie a questo controllo e alle sue capacità di gestione, la cellula può autoregolare l'insieme delle sue attività chimiche e funzionali (metabolismo). In che modo?
Per rispondere a queste domande è indispensabile analizzare il differente funzionamento di una macchina automatica a comando rigido e di una macchina a comando flessibile, un "servomeccanismo", cioè un meccanismo in grado di modificare da solo il suo comportamento in funzione delle informazioni che riceve dall'ambiente circostante Un sistema di semafori è un classico esempio di macchine a comando rigido. Esse si modificano secondo una serie di eventi prestabiliti (ad esempio la sequenza e la durata dei colori). La sequenza delle operazioni si svolge secondo cicli identici. Un servomeccanismo lavora in modo diverso. Prendiamo ad esempio una capsula spaziale che debba effettuare un appuntamento orbitale con una stazione planetaria. Una volta in orbita la capsula si muove per mezzo di piccoli getti prodotti da ugelli orientati. La distanza che la separa dal suo obiettivo viene valutata per mezzo di radar. I dati vengono trasmessi ad un computer che valuta automaticamente lo scarto esistente tra la distanza e la direzione reale e la distanza e la direzione desiderata. Gli aggiustamenti vengono ottenuti azionando i getti. In pratica la capsula è in grado di dirigersi da sola sull'obiettivo e di procedere per errori e aggiustamenti successivi. Essa è, cioè, in grado di modificare il suo comportamento in funzione dell'informazione che riceve: non lavora secondo un ciclo prestabilito. Questi sistemi possiedono dunque una certa autonomia nel compiere il loro lavoro e l'impressione di intelligenza che ci lasciano è dovuto ad una loro proprietà fondamentale: la retroazione o feed-back.
In genere, le macchine compiono il loro lavoro secondo sequenze logiche in cui la causa precede gli effetti e non li segue mai. È il caso del semaforo, in cui la programmazione della centralina (causa) stabilisce gli intervalli di colore (effetto). Nelle macchine servoassistite, al contrario, gli effetti sono collegati alle loro cause e possono precederle determinandole. La navicella aziona i getti orientati (causa) e si muove (effetto).Tuttavia lo spostamento, quindi l'effetto, viene analizzato in modo da stabilire se sia necessario o meno azionare di nuovo i getti. Quindi, in questo caso, l'effetto precede e regola la causa. Questo legame tra effetto e causa si chiama retroazione. È evidente che ciò che circola in un sistema retroattivo è un'informazione, un segnale suscettibile di scatenare un'azione. Questa informazione può correre lungo un filo elettrico, un tubo, un'onda radar, ma può essere trasportata altrettanto bene da una molecola.
In una cellula la regolazione delle reazioni biochimiche è sotto controllo enzimatico. L'insieme di queste reazioni, in definitiva l'attività complessiva della cellula, rappresenta il metabolismo cellulare (causa). I prodotti dell'attività metabolica vengono detti metaboliti (effetti). Quando la concentrazione di una determinata sostanza (di un determinato metabolita) raggiunge, nella cellula, il giusto livello di concentrazione, le catene di montaggio devono poter essere bloccate. In altri termini la produzione deve essere arrestata quando l'offerta supera la domanda o avviata di nuovo nel caso opposto. Questo può avvenire sia agendo sugli enzimi che regolano il processo, sia sul tratto di DNA che fornisce le informazioni necessarie a quel tipo di produzione. Questo sistema cellulare autoregolante è strutturato secondo le stesse leggi della retroazione. In questo modo la cellula adatta in permanenza la sua produzione ai suoi bisogni; in definitiva la cellula rappresenta un complesso sistema servoassistito in cui tutto retroagisce su tutto, in modo tale che la cellula possa dirigersi da sola.