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Chiralità preferenziale

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La chiralità dell'universo

Dalla scala degli atomi a quella umana la natura è chirale, ossia mostra preferenza o per la destra o per la sinistra; di questa asimmetria, che sembra universale, si cercano di comprendere le correlazioni causa-effetto.

di: Roger A. Hegstrom e Dilip K. Kondepudi

 

Nel 1848 Luis Pasteur
esaminando al microscopio un sale dell'acido tartarico, osservò che esso formava due tipi di cristallo, ciascuno dei quali era l'immagine speculare dell'altro. Egli li separò, li sciolse entrambi in acqua e osservò le due soluzioni illuminandole con un fascio di luce polarizzata. Con sua grande sorpresa, una soluzione faceva ruotare la luce polarizzata in senso orario, l'altra in senso antiorario. Questa notevole scoperta, fatta all'età di 25 anni, portò Pasteur a mettere a punto una teoria sulla struttura molecolare. A quell'epoca si sapeva poco sulla struttura della materia a scala così piccola. Pasteur postulò che le due forme distinte dei cristalli dello stesso sale e la loro proprietà di far ruotare la luce in modo diverso fossero dovute al fatto che le molecole che formavano i cristalli fossero di due tipi, uno <<Destrorso>> e l'altro <<sinistrorso>>. Le ricerche condotte da Pasteur in questa direzione favorirono un'altra sua importante scoperta avvenuta nel 1857. Un giorno lo scienziato notò la formazione di muffe in una capsula contenente una soluzione otticamente inattiva, che cioè non faceva ruotare la luce. Invece di limitarsi, come si fa di solito, a gettare via la soluzione contaminata, Pasteur la esaminò attraverso un fascio di luce polarizzata e osservò che essa aveva acquisito proprietà ottiche. Sulla base della sua teoria molecolare, Pasteur concluse che la soluzione originaria era otticamente inattiva in quanto conteneva un ugual numero di molecole Destrorse e i sinistrorse. Le muffe avevano reagito chimicamente con un solo tipo di molecole, lasciando in soluzione un numero più alto di molecole dell'altro tipo. Era stato questo squilibrio a rendere la soluzione otticamente attiva. Questa esperienza fece comprendere a Pasteur che la chimica degli organismi viventi è chirale. Egli arrivò a vedere nella chiralità una delle più chiare le differenze tra la materia vivente e quella inanimata, una differenza insita profondamente nella natura e che va - come giunse a proclamare - ben al di là della chimica della vita. <<la vita quale ci si manifesta - scrisse Pasteur - è funzione dell'asimmetria dell'universo e delle conseguenze di questo fatto>>. Successivamente, davanti all'Accademia francese delle scienze, formulò la grande ipotesi: <<l'univers est dissymetrique>>. L'affermazione di Pasteur si rivelò veritiera in una misura che nessuno, forse nemmeno chi l'aveva formulata, aveva immaginato. La scienza moderna ha rivelato che la simmetria speculare è spesso assente in natura: l'universo è asimmetrico a tutti i livelli da quello subatomico a quello macroscopico. Molte domande sulle cause di tale asimmetria rimangono senza risposta, ma negli ultimi decenni si sono fatti progressi nella comprensione dei motivi per i quali la chiralità a un determinato livello può dare origine ad una chiralità a un altro livello. Prima di esporre ciò che sappiamo e ciò che non sappiamo sulla chiralità, passeremo in rassegna la simmetria degli oggetti che incontriamo nella vita di tutti i giorni.

Asimmetriachirale                                                                                                (clicca sulla gif per le info) Asimmetria chirale Quasi tutti gli oggetti che si trovano in natura non coincidono con la propria immagine speculare e si dice pertanto che posseggono chiralità. Per distinguere le due forme, essi vengono spesso chiamati Destrorsi o sinistrorsi. Nel caso di alcune comuni entità chirali  - per esempio le mani o le viti - il significato di destrorso o sinistrorso è chiaro, ma per cose quali un albero con molti rami o un oggetto di forma irregolare la distinzione è alquanto arbitraria. Quando forme molto semplici, come sfere o triangoli, vengono riflesse da uno specchio, l'immagine risultante è indistinguibile dall'oggetto originario. Gli oggetti identici alle loro immagini speculari si dicono achirali. Non solo gli oggetti ma anche processi come le reazioni chimiche possono presentare chiralità. Per esempio, certe interazioni atomiche e nucleari mostrano una preferenza per la sinistra o per la destra. Se tutti i processi fossero chiralmente simmetrici, nel mondo reale osserveremmo un ugual numero di sistemi (immagini speculari l'uno dell'altro) che mostrano preferenze opposte. Il fatto che non si così indica che alcuni processi naturali sono asimmetrici. Benché un oggetto chirale e la sua immagine speculare siano ovviamente differenti, non esiste a priori alcun motivo perché uno debba essere superiore all'altro. Tuttavia, il mondo reale evidenzia solitamente una preferenza per un tipo di chiralità sull'altro. Ciò è particolarmente vero nel caso degli organismi viventi. Per esempio, pur non essendovi alcun apparente vantaggio intrinseco dell'uso della mano destra piuttosto che della sinistra, poche persone sono ambidestre. Perché allora si usa preferibilmente una mano rispetto all'altra? Si possono proporre molte spiegazioni, ma probabilmente nessuno conosce ancora quella vera. Dal momento che di solito gli esseri umani non sono ambidestri, la successiva domanda è: perché usano in prevalenza quella destra? La predominanza della mano destra sulla sinistra è universale e indipendente dalla razza e dalla cultura. Se la maggior parte della gente fosse mancina non vi sarebbe alcun svantaggio evidente. Il fatto che le persone usino in prevalenza la destra sembra essere solo un caso. Ci si potrebbe anche chiedere come mai non nascano in numero uguale persone che adoperano preferibilmente da destra o la sinistra. Anche in questo caso non esiste una risposta sicura, anche se è plausibile dedurre che la preferenza per l'uso della destra sia un carattere ereditario: una volta divenuta dominante per un qualsiasi motivo, questa chiralità si è conservata di generazione in generazione. Vi sono anche esempi meno appariscenti di asimmetria chirale negli organismi. Le spirali elicoidali delle conchiglie dei molluschi marini possono essere destrorse o sinistrorse, ma in entrambi gli emisferi prevalgono le conchiglie destrorse. Tra questi animali destrorsi, gli individui sinistrorsi esistono soltanto in conseguenza di mutazioni, che si verificano con una frequenza compresa tra un caso su cento e uno su un milione, a seconda della specie. Questa <<regola della destra>> non è però universale: certe specie - per esempio la buccina luminescente delle coste atlantiche - sono prevalentemente sinistrorse.

Nei rari casi gli individui di una specie sono in ugual numero Destrorsi e sinistrorsi; ne è un esempio della chiocciola arboricola diffusa sull'isola di Cuba Liguus poeyanus. Come gli animali, la maggior parte delle piante mostra una chiralità preferenziale. I rampicanti di solito si avvolgono con l'andamento di un'elica  destrorsa, ma il caprifoglio cresce con un avvolgimento sinistrorso. Una struttura elicoidale negli organismi viventi è stata trovata persino nella scala dei batteri. Fin dagli anni 70 Neil H. Mendelson e i suoi collaboratori dell'Università dell'Arizona hanno studiato il batterio Bacillus subtilis, che forma solitamente colonie a spirale destrorsa. La cosa notevole è che, con l'aumentare della temperatura, la spirale tende a diventare sinistrorsa!

Chiralità nelle molecole

Come scoprì Pasteur, anche le molecole possono essere chirali. I chimici chiamano enantioméri levogiri e destrogiri (L e D) le molecole che sono immagini speculari l'una dall'altra. Questa simbologia è un retaggio degli studi di Pasteur sulla rotazione della luce polarizzata. Forme enantiomeriche che si trovano in molte sostanze organiche e inorganiche e in quasi tutte le molecole fondamentali per lo sviluppo della vita: in particolare sono enantiomeri le proteine, e sono responsabili della struttura e della regolazione chimica delle cellule viventi, e il DNA, la molecola depositaria dell'informazione genetica. Una molecola proteica è un polimero, cioè una lunga catena di molecole più piccole, in questo caso di amminoacidi. Benché esistano molte centinaia di amminoacidi, tutte le proteine sono formate dagli stessi 20 amminoacidi. Tutti questi, tranne uno (la glicina) sono chirali, avendo enantiomeri levogiri e destrogiri. Abbastanza stranamente, le proteine sono fatte esclusivamente di amminoacidi levogiri. (In rarissimi casi assumono un particolare ruolo biologico corte catene di amminoacidi - i polipeptidi - che contengono amminoacidi destrogiri). La principale funzione di particolari proteine, gli enzimi, è quella di catalizzare le reazioni biomolecolari, tra cui la sintesi di altre proteine. La capacità catalitica degli enzimi dipende criticamente dalla loro struttura tridimensionale, la quale a sua volta dipende dalla loro sequenza di amminoacidi levogiri. Catene sintetiche e di amminoacidi formate sia da enantiomeri L, sia da enantiomeri D non si avvolgono nel modo corretto per manifestare un'efficace attività catalitica; esse non possono formare la regolare struttura elicoidale, la cosiddetta <<Alfa-elica>>, presente nella maggior parte degli enzimi. I processi biochimici del corpo umano, a causa della chiralità delle sue molecole fondamentali, sono molto sensibili a differenze enantiomeriche. Un esempio drammatico di questa sensibilità è rappresentato dal talidomide che, come si vide nel 1963, provocava gravissime malformazioni fetali. Queste erano causate dal fatto che, mentre un enantiomero di questo composto aveva un effetto benefico sulle nausee della gestante, l'altro danneggiava il feto. La grande preferenza della chimica biologica per gli amminoacidi levogiri e per i glucidi destrogiri anziché per le loro immagini speculari è strana per due ragioni. In primo luogo, fatta eccezione per alcune differenze, le proprietà chimiche degli elementi L e D hanno generalmente simmetria speculare. In secondo luogo, quando le molecole chirali vengono sintetizzate in laboratorio a partire dai loro componenti fondamentali chirali, vengono prodotte eguali quantità dei due tipi di enantiomero a meno che non si abbia l’avvertenza di introdurre durante la sintesi un agente che favorisca l’asimmetria. Esiste un motivo fondamentale per questa simmetria: le reazioni chimiche sono essenzialmente il risultato dell’interazione elettromagnetica degli atomi. La forza elettromagnetica si comporta in modo tale che, se avviene un dato processo, l’immagine speculare di quel processo ha la stessa probabilità di verificarsi. Di qualsiasi forza che dia origine a un processo e alla sua immagine speculare con uguale probabilità si dice che conserva la parità. Dato che la forza elettromagnetica conserva la parità, ci si dovrebbe aspettare che nel mondo gli enantiomeri L e D  fossero presenti nella stessa proporzione. Perché ciò non avviene?

Chiralità 1 Chiralità 2

La chiralità si manifesta nella distinzione tra destra e sinistra. Gli oggetti che non possono essere sovrapposti alle loro immagini speculari si dicono chirali. Una sfera in quiete è identica alla sua immagine speculare, cosicché è detta achirale; anche se la sfera fosse in rotazione (a) la sua immagine speculare potrebbe essere sovrapposta all'oggetto originale capovolgendola, per cui anche una sfera in rotazione è achirale. Se la sfera si muove lungo l'asse di spin (b), l'immagine speculare non può essere sovrapposta all'originale e l'oggetto diventa chirale. Per convenzione, se un oggetto in rotazione si comporta come una vite  destrorsa quando avanza, viene detto destrorso; se si comporta invece come una vite sinistrorsa, si dice sinistrorso (c). La direzione dello spin è definita dalla <<regola della mano destra>>: piegando le dita della mano destra nel senso di rotazione, il pollice punta nella direzione dell'asse di spin (d). (Le mani e le viti sono chirali e non possono essere sovrapposte alle loro immagini speculari).



Quattro forze

Tutte le particelle elementari interagiscono attraverso 4 tipi di forza: Gravità, Elettromagnetismo (responsabile delle reazioni chimiche ordinarie), la forza nucleare forte e la meno nota forza nucleare debole. Fino al 1957 si credeva che la natura fosse chiralmente simmetrica alla scale delle particelle elementari, ossia che le 4 forze conservassero la parità. In quell’anno si scoprì che la forza nucleare debole non conserva la parità. Come dice il suo nome, la forza debole è relativamente tenue: circa 1000 volte meno intensa della forza elettromagnetica e 100.000 volte meno intensa della nucleare forte. L’effetto più noto dovuto alla forza nucleare debole è la produzione di raggi beta nel decadimento radioattivo. I raggi beta sono in realtà costituiti da elettroni di alta energia e dalle loro antiparticelle, i positroni. Queste particelle hanno uno spin intrinseco e quindi, quando si muovono, nell’uno o nell’altro verso,  lungo il loro asse di spin, si possono classificare come sinistrorsi o destrorsi. La sorprendente e oggi famosa scoperta della violazione (o non conservazione) della parità dovuta a Chien-Shiung Wu e colleghi della Columbia University, portò a concludere che le particelle beta emesse dai nuclei radioattivi hanno una definita asimmetria chirale: gli elettroni sinistrorsi superano di gran lunga quelli destrorsi. Ulteriori indagini sul decadimento beta condussero alla scoperta del neutrino e dell’antineutrino. Particelle elettricamente neutre emesse anche durante il decadimento beta che si propagano sempre alla velocità della luce. Come l’elettrone, l’antineutrino emesso dalla materia radioattiva ha uno spin ma, diversamente dall’elettrone, esiste solo nella forma  destrorsa. Nessuno sa perché esista asimmetria chirale a un livello così fondamentale; l’antimateria radioattiva emette un eccesso di positroni (antielettroni) destrorsi e soltanto neutrini sinistrorsi. Pare che nell’universo non esistano neutrini destrorsi e antineutrini sinistrorsi. Nel decennio successivo si pensò che la non conservazione della parità fosse limitata alle reazioni nucleari. Pareva che fenomeni quali le reazioni chimiche o le interazioni fra atomi e luce, che dipendono dalla forza elettromagnetica, conservassero la parità. Invece, alla fine degli anni sessanta, Steven Weinberg, Abdus Salam e Sheldon Lee Glashow misero a punto una teoria che unificava la forza debole e quella elettromagnetica. La loro teoria prendeva una nuova forza <<elettrodebole>> agente tra gli elettroni di un atomo e i protoni e i neutroni del suo nucleo.

Schema di esempi di chiralità

figura a sinistra

La preferenza tra sinistra e destra esiste in natura a molti livelli. Le forme di chiralità predominante sono contenute nei riquadri in grigio. La maggior parte delle conchiglie marine elicoidali è  destrorsa, ma esistono eccezioni a livello sia di specie, sia di singoli esemplari.
Anche le piante rampicanti sono in prevalenza destrorse. Le colonie batteriche di forma elicoidale compaiono nelle due versioni. Ordinariamente, le proteine e il DNA si avvolgono formando eliche destrorse e le versioni sinistrorse sono rare; in ogni caso in natura non compaiono vere immagini speculari di queste molecole. Amminoacidi destrorsi e sinistrorsi (o meglio destrogiri o levogiri) esistono a diversi livelli di energia, per effetto della forza nucleare debole, che è asimmetrica; negli organismi essi sono quasi sempre levogiri. La forza debole influenza anche il modo in cui gli elettroni orbitano attorno al nucleo e fa si che in genere gli atomi siano destrorsi. Il neutrino è una particella elementare che esiste solo in forma sinistrorsa: la direzione del suo spin è opposta a quella del moto.

Chiralità delle particelle elementari

A riposo, una particella elementare come un elettrone o un positrone è sfericamente simmetrica e quindi achirale. Ma se una particella in rotazione si sta muovendo lungo il suo asse di spin, essa diventa chirale. Se essa, mentre si muove, si comporta come una vite  destrorsa, viene detta sinistrorsa. L'asimmetria chirale a livello subatomico è correlata fondamentalmente alla non conservazione della parità. Secondo il modello standard delle particelle elementari proposto da Weinberg, Salam e Glashow, la forza elettrodebole distingue la sinistra dalla destra mediante le <<correnti deboli cariche>> e le <<correnti deboli neutre>>. L'intensità di queste correnti - chiamate forze W e Z - tra due particelle elementari qualsiasi dipende dalla distanza tra le particelle e dalla loro <<carica>>. Il termine carica viene qui usato per analogia con l'elettricità. L'elettrone ha una carica elettrica negativa e la forza elettrica tra due elettroni qualsiasi è repulsiva. Invece, va carica debole W è non nulla per un elettrone sinistrorso e nulla e uno destrorso. Quindi, 1 elettrone destrorso si limita semplicemente a <<non percepire>> la forza W . Questo fatto viene considerato una proprietà fondamentale della forza debole e, attualmente non abbiamo di esso una conoscenza più approfondita. Un risultato di questa asimmetria è che il decadimento nucleare beta, dominato dalla forza W, produce in prevalenza elettroni sinistrorsi. Quanto alla forza Z, elettroni sinistrorsi e destrorsi hanno cariche Z di segno opposto e di intensità circa uguale. La differenza di segno provoca l'attrazione degli elettroni destrorsi verso il nucleo da parte della forza Z e la repulsione di quelli sinistrorsi. (Queste affermazioni sugli effetti delle cariche W e Z sugli elettroni chirali sono valide a rigore solo quando gli elettroni sono di alta energia, ovvero in moto a velocità prossima a quella della luce. Sono comunque utili per comprendere le asimmetrie chirali degli elettroni di bassa energia). In un mondo visto lo specchio il decadimento beta produrrebbe elettroni destrorsi e la forza Z attirerebbe verso il nucleo elettroni sinistrorsi. Questi processi non si osservano però nel mondo reale, il che è un altro modo per affermare della forza debole è chiralmente asimmetrica e che la parità non viene conservata

Atomi e molecole Un'importante conseguenza della forza debole Z a gente tra elettroni e nuclei è che tutti gli atomi sono chirali. A causa della forza Z, quando un elettrone è vicino al nucleo, la sua direzione di moto è parzialmente allineata con l'asse di spin, il che lo rende destrorso.

 

 

Atomi chirali

figura a sinistra
Gli atomi diventano chirali sotto l'azione della forza nucleare debole Z. A destra in alto un elettrone con spin in su è mostrato in orbita attorno a un nucleo; la sua immagine speculare è rappresentata in alto a sinistra. Senza la forza Z le traiettorie del moto degli elettroni rassomiglierebbero a quelle dei disegni al centro. Il nucleo posto nel centro di massa di ogni atomo. Se l'immagine speculare viene capovolta, le nuove traiettorie degli elettroni si possono sovrapporre a quelle originali e quindi sono achirali.

Quando è presente la forza Z, la direzione di moto dell'elettrone tende ad allinearsi con la direzione del suo spin. (Il risultato è mostrato in basso a destra). In questa condizione le traiettorie sono chirali: gli elettroni salgono lungo l'elica interna  destrorsa e scendono lungo l'elica esterna sinistrorsa. L'atomo <<speculare>>, rappresentato in basso a sinistra, non esiste nel mondo reale. Nell'illustrazione e l'effetto della forza Z è stato amplificato di un fattore 1010.

 

 
Ciò significa che l'orbita dell'elettrone, che sarebbe circolare in assenza della forza Z, diventa un'elica  destrorsa in prossimità del nucleo. Poiché l'interazione che provoca il moto elicoidale dell'elettrone non conserva la parità, in natura non esiste l'<<atomo speculare>> di cui gli elettroni seguono traiettorie elicoidali sinistrorse. Data l'intensità estremamente bassa della forza debole, ci si può aspettare che questo moto elicoidale non sia misurabile. Per esempio, il modello standard prevede che, nella disposizione sperimentale più favorevole, la luce che attraversa un gas atomico debba ruotare di soli 10^ -5 gradi, l'angolo sotteso da una mano alla distanza di circa 1000 km. Su una scala di poco più grande, la forza Z fa si che una molecola chirale esista in uno stato energetico superiore o inferiore a quello del suo enantiomero. La separazione si verifica tramite un procedimento complesso. Per cominciare, supponiamo di rappresentare la molecola chirale come un'elica, immaginiamo che la forza Z venga <<eliminata>>. Se un elettrone con spin <<in su>> si muove <<in su>> lungo l'elica, sarà destrorso; se un elettrone con spin <<in su>> si muove <<in giù>> lungo l'elica, sarà sinistrorso. Dal momento che la probabilità che gli elettroni di una molecola si muovano in su o in giù è la stessa, ci si può aspettare che la chiralità media degli elettroni sia nulla. Tuttavia, le normali forze elettromagnetiche che conservano la parità tra gli elettroni e i nuclei della molecola tendono ad allineare l'asse dell'orbita di ogni elettrone in verso opposto al suo asse di spin; questo fenomeno è noto come accoppiamento spin-orbita. Per una molecola a elica  destrorsa, l'accoppiamento spin-orbita favorisce un moto a spirale in giù per elettroni con spin in su e un moto a spirale in su per elettroni con spin e in giù. In entrambi i casi l'asse di spin dell'elettrone tende ad allinearsi in verso opposto a quello di moto dell'elettrone in modo che, in una molecola forma di elica  destrorsa, l'accoppiamento spin-orbita produce prevalentemente elettroni sinistrorsi. Nelle regioni in cui la molecola ha la forma di un'elica sinistrorsa, sono invece prevalenti gli elettroni destrorsi. Il risultato è che le molecole presentano regioni con differenti chiralità degli elettroni. Introduciamo ora la forza Z. Dato che questa forza interagisce in modi differenti con elettroni destrorsi e sinistrorsi, essa provoca uno spostamento di energia nelle molecole: l'energia di un enantiomero viene aumentata, mentre quella dell'altro viene diminuita. La forza Z è così piccola che non si è osservato il suo effetto sulle proprietà chimiche delle molecole. Stephen F. Mason e George E. e si Tranter Kings  College di Londra hanno però ottenuto un interessante risultato teorico. Dal 1983 e il 1986 essi hanno seguito dettagliati calcoli dell'energie di numerosi amminoacidi levogiri e destrogiri, prendendo in considerazione l'asimmetria dovuta alla forza Z. Il loro lavoro ha evidenziato la prevista separazione energetica tra gli enantiomeri; il fatto curioso è stato e in tutti i casi l'enantiomero levogiro biologicamente dominante è risultato quello con l'energia più bassa. I principi fondamentali della meccanica statistica vogliono che in qualsiasi situazione di equilibrio da forma a energia inferiore debba essere più abbondante di quella a energia più alta. Mason e Tranter dimostrarono che gli amminoacidi levogiri dovevano essere più abbondanti degli amminoacidi destrogiri di una parte su 10^17. Una differenza così piccola e spiega perché gli enantiomeri levogiri e destrogiri compaiono in laboratorio praticamente con la stessa frequenza. E ancora, non possiamo non meravigliarci del fatto che questa modesta differenza, imputabile alla forza nucleare debole, sia in qualche modo correlata con il predominio degli amminoacidi levogiri e dei glucidi destrogiri.
Simmetria chirale nelle forme viventi

Sull'origine della vita si sa così poco da non poter avanzare alcuna ipotesi sicura sulle sue cause. Tuttavia, dopo i primi esperimenti effettuati negli anni 50 da Stanley L. Miller dell'Università di Chicago, gli scienziati hanno messo a punto un quadro piuttosto verosimile degli eventi che hanno portato alla comparsa sulla Terra di svariate molecole biologicamente significative. Da qualche parte, durante l'evoluzione chimica destinata a condurre dagli atomi alla vita, aveva preso piede l'asimmetria chirale delle biomolecole. Questo fatto solleva tre importanti domande. Come hanno potuto avere origine  biomolecole con preferenza chirale da reazioni chimiche identiche per i due enantiomeri? Il predominio degli amminoacidi levogiri e dei glucidi destrogiri sulle loro immagini speculari è in qualche modo correlato alla forza debole? L'asimmetria chirale era una precondizione senza la quale non avrebbe potuto nascere la vita o essa si sviluppò invece in seguito come conseguenza di una evoluzione biologica anziché chimica? Esamineremo queste domande e una alla volta. Per quanto possa apparire paradossale, le reazioni chimiche a simmetria speculare possono produrre quantità differenti di amminoacidi levogiri e destrogiri in seguito a un fenomeno di rottura spontanea della simmetria. In questo caso,1 stato simmetrico presenta in un numero uguale forme levogire e destrogire; lo stato asimmetrico presenta invece il predominio di una forma. La rottura spontanea della simmetria è un meccanismo mediante il quale un sistema passa <<spontaneamente>> da uno stato simmetrico a uno asimmetrico. La rottura spontanea della simmetria avviene soltanto in particolari condizioni fisiche. Essa non può avvenire in un sistema chiuso all'ingresso di energia e materia. Un sistema del genere evolve attraverso stati di equilibrio termodinamico, nei quali la concentrazione di una molecola dipende solo dall'energia e da l'entropia di tale molecola. Essendo uguali le energie degli enantiomeri L e D, in questa condizione gli enantiomeri levogiri e destrogiri saranno presenti in un quale proporzione e lo Stato sarà chiralmente simmetrico. Se il sistema è invece aperto all'ingresso di energia e materia, non si trova più in equilibrio termodinamico. In questo caso può entrare in azione la rottura spontanea della simmetria che porta il sistema in uno stato chiralmente asimmetrico, nel quale si hanno quantità differenti di enantiomeri.  Nel 1953 Sir Frederik Charles Frank dell'Università di Bristol mise a punto un semplice modello per illustrare come la rottura spontanea della simmetria potrebbe operare in un sistema chimico costituito da due specie molecolari. Il modello di Frank suppone di ogni specie sia capace di replicazione e che la presenza di una specie faccia diminuire il tasso di crescita della popolazione dell'altra specie; in altre parole, essi sono in competizione. I tassi di replicazione delle due specie sono identici, come lo è ogni effetto di una sull'altra. Ciò nonostante, non appena una specie diventa leggermente più numerosa dell'altra (per esempio, mediante una fluttuazione statistica casuale), la specie più numerosa diventa del tutto dominante. L'equilibrio simmetrico tra i due tipi di molecole è instabile e evolve spontaneamente in uno stato asimmetrico nel quale predomina uno dei due tipi. È facile immaginare come potrebbe operare tale meccanismo a livello biologico. Anche se fosse esistita un tempo sulla Terra l'immagine speculare della vita come la conosciamo oggi, la competitività tra i due tipi potrebbe aver causato l'estinzione della vita <<speculare>>. Il modello di Frank dimostra che ciò può avvenire anche su scala molecolare e spiega quindi come un eccesso di amminoacidi levogiri e di glucidi destrogiri potrebbe essersi originato da un brodo primordiale nel quale entrambi di enantiomeri erano inizialmente presenti nello stesso rapporto.

Ancora la forza debole
Passiamo ora alla seconda domanda: è possibile che la forza nucleare debole sia responsabile del predominio degli amminoacidi levogiri e dei glucidi destrogiri? Fin e dalla scoperta della violazione della parità di sono stati tentativi di chiamare in causa il decadimento beta di fenomeni a esso correlati come meccanismi che potessero portare al predominio di un enantiomero. Frederik Vester e Tilo L. V. Ulbricht, erano alla  Yale University nel 1957, quando venne scoperta dal violazione della parità, osservarono che gli elettroni beta, essendo in maggioranza sinistrorsi, e mettono prevalentemente radiazione elettromagnetica sinistrorsa (radiazione polarizzata e ruotata verso sinistra ).  Vester e Ulbricht suggerirono che la radiazione sinistrorsa decompone preferenzialmente un enantiomero, lasciando come residuo un eccesso della sua immagine speculare. L'asimmetria teorica attribuibile al processo di Vester-Ulbricht è estremamente piccola e deve ancora essere rivelata sperimentalmente. Le particelle beta possono anche decomporre direttamente molecole chirali. Uno di noi (Hegstrom) ha calcolato che la differenza relativa dei tassi di tale decomposizione per gli enantiomeri L e D è di circa una parte su 10^11. Gli esperimenti di Arturo Rich, James C. Vanhouse e collaboratori all'Università del Michigan hanno dimostrato che la differenza è in effetti inferiore a una parte su 10^9. Un altro candidato la stessa forza Z, che può influenzare i tassi di produzione degli amminoacidi L e D. Tuttavia, come abbiamo fatto notare in precedenza, l'effetto della forza Z è tanto piccolo che da differenza vista dovrebbe essere di una parte su 10^17. Perché una asimmetria così piccola possa aver prodotto il predominio osservato degli amminoacidi levogiri e dei glucidi destrogiri, devono essere entrati in gioco alcuni meccanismi di amplificazione. Uno di noi (Kondepudi) e George W. Nelson, oggi al Los Alamos National Laboratory, hanno dimostrato teoricamente che un siffatto meccanismo esiste realmente in sistemi chimici non in equilibrio. Esso è analogo al metodo della <<media del rumore>> impiegato dai tecnici delle comunicazioni per estrarre un segnale da un fondo rumoroso. Si immagini una vasca d'acqua nella quale competano due enantiomeri, come nel modello di Frank. Molte influenze casuali tendono a favorire la sopravvivenza prima di un enantiomero, poi dell'altro. Le fluttuazioni sono molto maggiori dell'effetto della forza debole, ma, essendo casuali, tendono ad annullarsi a vicenda. Se c'è tempo sufficiente, e il piccolo effetto sistematico della forza debole influenzerà la chiralità della rottura della simmetria e provocherà nel sistema il predominio di un enantiomero sull'altro. Quali sono le condizioni necessarie perché possa entrare in funzione questo meccanismo dei quali sono le scale dei tempi in gioco? Nella vasca dovrebbe esserci un flusso più o meno costante dei reagenti achirali necessarie per produrre gli enantiomeri che si replicano ed entrano in reciproca competizione. E la vasca dovrebbe essere abbastanza grande e sufficientemente ben mescolata per eliminare in gran parte dell'effetto risultante delle fluttuazioni casuali. Se fossero soddisfatte tutte queste condizioni la forza nucleare debole dovrebbe essere in grado, in un periodo compreso tra 50.000 e 100.000 anni, di influenzare fortemente il processo di rottura della simmetria. Passato questo tempo, dovrebbe esserci almeno il 98% di probabilità che quasi tutte le molecole - in questo caso, amminoacidi - siano levogiri a (supponendo che la forza debole favorisca di enantiomeri levogiri). In un ambiente come questo potrebbe svilupparsi una vita chiralmente asimmetrica basata su amminoacidi levogiri. È difficile osservare il laboratorio un processo chimico così lento. Una elegante simulazione messa a punto da Frank E. Moss dell'Università del Missouri a Saint Louis e da Peter V. E. Mc-Clintock dell'Università di Lancaster ha confermato l'esistenza del meccanismo previsto anche se in esso non è mai stato finora osservato in un sistema chimico reale.
Prima o dopo la vita?

Abbiamo esposto alcuni modelli per dimostrare come si possa essere sviluppata l'asimmetria chirale nelle biomolecole. L'ultima domanda importante è: questa asimmetria ebbe origine prima o dopo la comparsa della vita primitiva, della <<prima cellula>>? Se ci basiamo sull'attuale conoscenza della struttura e della funzione dei biopolimeri, stentiamo a comprendere come possano funzionare una proteina o un acido nucleico formati da monomeri sia levogiri sia destrogiri. Gli esperimenti dimostrano che le catene che contengono aminoacidi sia levogiri sia destrogiri non formano correttamente l'alfa-elica, la struttura indispensabile per la funzione catalitica delle proteine. Senza omochiralità (la situazione in cui tutti gli amminoacidi hanno la stessa chiralità), l'attività catalitica delle proteine sarebbe estremamente ridotta; è difficile immaginare come in tali condizioni si possano essere sviluppate le complesse strutture biologiche. Situazioni analoghe valgono per gli acidi nucleici. Sembrerebbe quindi che la omochiralità delle molecole sia originata prima della vita. A sostegno di questa interpretazione sono stati proposti vari modelli autocatalitici di rottura della simmetria come quello di Kondepudi-Nelson di cui si è parlato sopra. Tuttavia, nessuno di essi è valso a indicare un particolare gruppo di composti prebiotici dotati di tutte le proprietà richieste da questi modelli. Per alcuni ricercatori questa è una seria difficoltà e una delle principali ragioni per cui essi credono che l'asimmetria chirale debba essersi originata non prima, ma dopo la comparsa della <<prima cellula>>. Secondo questa interpretazione, questa prima cellula, che non possedeva le proprietà chimiche fortemente chirali caratteristiche delle molecole biologiche e attuali, si sviluppò per un evento singolare. L'<<antenato>> comune di tutte le forme di vita venne creato per caso con un piccolo eccesso di amminoacidi levogiri o di glucidi destrogiri ed era quindi votato solo di una lieve asimmetria chirale. Le proteine costituite da un solo enantiomero non gli sono catalizzatori migliori, così come gli acidi nucleici chirali sono più stabili; inoltre le proteine levogire interagiscono più efficacemente con gli acidi nucleici destrogiri. Pertanto in un ambiente competitivo il perfezionamento evolutivo avvenuto nel corso delle generazioni produsse gradualmente forme di vita tutte dotate di proteine esclusivamente levogire e di acidi nucleici destrogiri c'è ancora il problema di immaginare una forma di vita funzionale - l'antenato comune originario - costituita da biopolimeri contenenti enantiomeri levogiri e destrogiri in proporzioni quasi uguali. Per evitare questa difficoltà, alcuni studiosi dell'argomento hanno proposto che, per caso, la prima cellula possedesse già proteine composte interamente, o quasi, di amminoacidi levogiri. Tuttavia, la probabilità di un evento così singolare è estremamente bassa. Alcuni hanno proposto una terza ipotesi: che la comparsa della vita non sia stata un evento isolato. La rottura della simmetria avvenne per caso in più luoghi senza essere influenzata dalla forza debole chiralmente asimmetrica. In luoghi dominati dagli amminoacidi destrogiri nacque la <<vita destrogira>>, mentre in quelli dominati dagli amminoacidi levogiri nacque la <<vita levogira>>. Le due forme entrarono in competizione e la vita destrogira sparì senza lasciare traccia.
Ovviamente, le domande fondamentali sull'origine dell'asimmetria chirale nelle molecole biologiche restano senza risposta, come accade per le domande relative all'origine dell'asimmetria chirale a livello macroscopico. Anche se oggi è evidente che la forza debole, agendo a livello delle particelle elementari, può dare origine al chiralità e all'asimmetria negli atomi e nelle molecole, non sappiamo se queste caratteristiche vengono espresse anche a livello di piante e animali. Per esempio, l'asimmetria chirale delle conchiglie dei gasteropodi non pare correlata all'asimmetria presente nel loro DNA o nelle loro proteine; la discendenza di chiocciole sinistrorse può essere  destrorsa. Le risposte alle questioni tuttora in sospeso sulla chiralità dei viventi dovranno attendere ulteriori chiarimenti dalla biologia dello sviluppo dell'evoluzione.

quelli della via lattea

 

 

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