Prof. Emilio Del Giudice
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Emilio Del Giudice (1,2), Paola Rosa Spinetti (3) e Alberto Tedeschi (4)
1 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Milano, I-20133, Italia;
2 International Institute of Biophysics, Neuss, D-41472, Germania
3 Progeam, Milano, Italia; E-Mail: paola.spinetti@yahoo.it
4 WHITE Holographic Bioresonance, Milano, Italia; E-Mail: gowhite@usa.net
Sommario: L’acqua liquida è stata riconosciuta da tempo come la matrice di molti processi, compresa la vita ed anche la dinamica delle rocce. L’interazione tra biomolecole avviene in modo differente dai sistemi non-acquosi e quest’ultimi sono incapaci di produrre la vita.
Questa abilità di produrre processi vitali implica una specifica struttura dell’acqua liquida.
In accordo con la moderna Teoria dei Campi Quantistici (QFT) un principio di complementarietà (nel senso in cui viene inteso da Niels Bohr) connette il numero N dei quanti (compreso il campo della materia dove i quanti sono proprio gli atomi/molecole) e la fase Ф .
Questo significa che, quando ci si focalizza sulla struttura atomica della materia, si perde la visione delle sue proprietà relative alla coerenza e, viceversa, quando si esamina la dinamica di fase del sistema la struttura atomica del sistema stesso diviene indefinita.
L’elio liquido e superfluido è stato il primo esempio di questa specifica dinamica.
Nel presente lavoro mostriamo come la considerazione della dinamica di fase dell’acqua liquida permetta di comprendere il suo ruolo specifico nell’origine dell’auto-organizzazione degli organismi viventi e degli ecosistemi.
Parole chiave: acqua, coerenza, elettrodinamica quantistica, strutture dissipative, acqua interfacciale, evoluzione biologica, ecosistemi.
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Introduzione
Nell’antichità l’acqua è stata riconosciuta come la matrice della vita; Talete (1) evidenziò questo punto, seguendo forse gli insegnamenti di molte tradizioni antiche.
Recentemente un’enorme quantità di scoperte hanno evidenziato il ruolo dell’acqua nelle dinamiche della vita.
Negli anni seguenti alla seconda guerra mondiale vennero pubblicati molti studi che dimostravano che le superfici degli organismi viventi erano rivestite da uno strato spesso di una speciale sostanza acquosa avente le proprietà del “ghiaccio liquido”; questi strati si estendevano per uno spessore fino a trenta volte il diametro delle molecole d’acqua (2).
Negli anni ’50 Albert Szent-Gyorgyi ammise che i biologi erano ancora incapaci di produrre una definizione formalmente soddisfacente per quanto concerne la differenza tra “animato” ed “inanimato” perché “…i biologi avevano dimenticato o non avevano mai pensato all’acqua” (3).
L’idea fondamentale proposta da Szent-Gyorgyi (4-5) era che l’acqua organizzata, racchiusa dalle superfici biologiche, era capace di indurre una lunga e duratura eccitazione elettronica di differenti specie molecolari presenti, perciò in grado di produrre la loro attivazione e la loro selettiva e mutua attrazione.
In effetti la maggior parte delle reazioni biochimiche sono reazioni redox, che domandano un rifornimento di elettroni. Ma né le biomolecole e neanche le molecole d’acqua isolate sono donatori di elettroni, poiché gli elettroni sono strettamente legati alle molecole originali con energie di legame di parecchi eVs.
Nella teoria convenzionale dell’acqua liquida questo paradosso non appare facilmente, poiché l’esistenza del liquido è data per scontata (nessuna descrizione è fornita in merito alla dinamica di transizione vapore-liquido ed al conseguente notevole aumento di densità). Partendo da un insieme di molecole che sono gia abbastanza fitte per rimanere dentro al range di interazione statica, la simulazione al computer calcola la forma della rete costituita da un piccolo numero di molecole ( al massimo mille).
Dunque la probabilità di movimento dei protoni lungo la rete è valutata mediante la simulazione al computer; in questo modo è stato scoperto (6) che è possibile recuperare il meccanismo introdotto da Grotthuss (7) duecento anni fa.
Nell’approccio convenzionale l’importanza degli effetti collettivi era stata riconosciuta. Stanley e Teixeira (8) ad esempio fanno notare che “…una descrizione del comportamento molecolare dell’acqua mediante un potenziale efficace di accoppiamento non sarà mai completamente realistico, perché non tiene conto dell’esistenza delle forze tra molti corpi e della complessità dell’acqua”.
La differenza tra l’approccio convenzionale e la Teoria dei Campi è nella taglia degli aggregati di molecole. Gli aggregati emergenti da un iniziale calcolo, che usa un’interazione statica, hanno solo una taglia di poche decine di Angstrom (Å) al massimo, mentre i Domini di Coerenza dell’acqua, come vedremo nel seguito di questo scritto, si estendono per 0,1 micron ed includono milioni di molecole.
La simulazione al computer, generalmente, dava risultati con regioni la cui taglia non eccedeva alcune decine di Angstrom. L’estrapolazione dei risultati, per quanto concerne regioni più estese, implica l’ipotesi dell’omogeneità del liquido su larga scala, che è appunto l’assunto da provare.
Inoltre, il problema della condensazione del liquido – cioè la transizione da vapore rarefatto, dove la distanza intermolecolare è 36 Å, al liquido denso, dove la distanza precipita a 3 Å – non è trattata.
Qual è il processo dinamico che sorge improvvisamente, a 100° C ed 1 atm, e causa il passaggio del vapore molecolare disperso ad una situazione di grande densità? Perché non è un processo graduale ed avviene in modo discontinuo ad una data condizione termodinamica?
Infatti, il problema della dinamica della fase di transizione non è stato affrontato finora nel modello convenzionale, è solo studiato a livello termodinamico. La soluzione del problema richiede di riconoscere il messaggero a lungo raggio in grado di attrarre fino ad una piccola distanza le molecole inizialmente separate, cioè il messaggero in grado di stabilire la comunicazione tra molecole che sono a 36 Å di distanza.
Il messaggero dovrebbe essere il campo elettromagnetico, che è il campo che la moderna Fisica Quantistica considera responsabile dell’interazione tra particelle cariche elettricamente, in questo
caso le molecole non sono a riposo ma sono soggette alle fluttuazioni quantiche e termiche.
L’approccio convenzionale introduce una approssimazione a priori non irragionevole, dove solo la parte statica delle interazioni è rilevante. L’approccio della Teoria dei Campi inserisce anche le interazioni non statiche, che hanno un range molto più ampio di quelle statiche.
Ritorniamo al problema del trasferimento degli elettroni nell’acqua liquida. Il potenziale di ionizzazione delle molecole d’acqua è 12,60 eV (9), a livello energetico corrisponde a deboli raggi X. In questa situazione quale può essere la sorgente di elettroni che approvvigionano le reazioni redox?
Szent-Gyorgyi (5) fu in grado di riconoscere che l’acqua delle interfacce era fornitrice di elettroni, ma questo potrebbe richiedere un profondo rimpasto delle nubi di elettroni delle molecole d’acqua.
Szent-Gyorgyi suggerì che, almeno negli organismi viventi, c’erano due differenti livelli di energia degli elettroni delle molecole d’acqua, lo stato eccitato e lo stato base. In accordo con questa ipotesi un voltaggio può apparire sui margini tra l’acqua interfacciale e la massa d’acqua.
Egli suggerì, anche, che questa proprietà può aumentare l’energia trasferita nei sistemi biologici e la durevole e lunga eccitazione elettronica che poteva essere osservata.
Nel decennio successivo, comunque, la corrente principale della biologia molecolare si focalizzò sull’interazione tra biomolecole (10 – 12), negando ogni possibile ruolo dell’acqua.
Simultaneamente, la ricerca sull’acqua si focalizzò sulla struttura interna dell’acqua pura, che è di fatto un’astrazione poiché non vi è in natura nulla che corrisponda all’acqua pura, poiché l’acqua sempre contiene altre specie di molecole, primi tra tutti i gas atmosferici. Il problema del trasferimento di elettroni (13) nell’acqua degli organismi viventi non è stato trattato.
Recentemente, un’ondata di interesse si è manifestata in merito al ruolo dell’acqua nelle strutture organizzate, che evidenzia possibili dinamiche complesse (14).
Ad esempio possiamo citare recenti studi in merito alla presenza di strutture coerenti all’interno degli organismi, che producono possibili e specifiche funzioni biologiche. C
i riferiamo in particolare agli studi inerenti la fotosintesi (15-17).
In questi articoli si fa riferimento alla lunga durata della coerenza dei cloroplasti, forse più ampia di quanto previsto dalle teorie attualmente disponibili relative alle biomolecole. Da quando le ricerche teoriche basate sulla Elettrodinamica Quantistica hanno suggerito la spontanea insorgenza della coerenza nell’acqua liquida (18-19) un’attraente ipotesi è che il campo elettromagnetico sia responsabile della coerenza delle strutture molecolari nell’acqua, le quali si mantengono tali per tempi lunghi.
Questo può spiegare la peculiare coerenza dei cloroplasti. Un ulteriore elemento in merito al ruolo organizzatore dell’acqua è stato recentemente fornito (20) nel quadro delle ricerche relative al fenomeno di Beloussov-Zhabotinsky (BZ), che è un’oscillazione regolare nel tempo di concentrazioni di reagenti chimici all’interno di un sistema appropriatamente preparato.
E’ stato dimostrato che l’oscillazione regolare compare solo quando la quantità di acqua che delimita la superficie supera una soglia critica; emerge un’indicazione: l’acqua può giocare in questo caso il ruolo essenziale di organizzatrice.
Nel presente lavoro vogliamo illustrare i requisiti necessari alla struttura dell’acqua affinché sia in grado di governare, al suo interno, le dinamiche molecolari.
In questo quadro cercheremo di capire il ruolo unico e fondamentale che l’acqua gioca negli organismi viventi (attualmente l’acqua non può essere sostituita da nessun altro liquido con legami idrogeno) e la differenza tra la massa d’acqua e l’ “acqua speciale”, quale è quella chiusa tra superfici che si comporta come l’acqua dei sistemi biologici.
2. Fenomeni anomali nell’acqua liquida e negli organismi viventi
Le proprietà anomale dell’acqua interfacciale erano già note alla fine degli anni ’40 (2).
L’acqua negli organismi viventi potrebbe essere considerata acqua interfacciale, poiché non c’è quasi nessun punto nell’organismo che disti più di una frazione di micron da una qualche superficie (membrane cellulari, ossature delle macromolecole, ecc).
L’acqua interfacciale è stata investigata da un certo numero di ricercatori (21-23). In particolare, è stato scoperto che strati spessi di acqua, contigui a superfici biologiche, restano fermi quando il fluido circostante è vigorosamente agitato (24) e vi è una relazione tra lo spessore dello strato e l’intensità dell’agitazione del liquido circostante.
Successivamente, Pollack e Clegg (25) hanno suggerito l’esistenza di un legame tra questi strati non agitati e le zone EZ (zone di esclusione) in cui i soluti erano incapaci di penetrare; la sua esistenza nelle cellule eucariote era stata indicata per la prima volta da Mollenhauer e Morrè nel 1978 (26). Ulteriori contributi all’investigazione sull’acqua EZ possono essere trovati nella bibliografia del riferimento (25).
Le proprietà dell’acqua EZ sono state largamente investigate dal gruppo guidato da G.H. Pollack (27-31). Usando coloranti, dissolti in acqua come un rivelatore, egli è stato capace di scoprire l’esistenza di regioni estese nel confine tra il liquido e la parete del contenitore, in cui i coloranti erano impediti di entrare (zone di esclusione) purché la parete fosse una superficie idrofila. Lo spessore delle zone di esclusione poteva raggiungere una lunghezza di alcune centinaia di micron, molto maggiore delle stime degli studi convenzionali sull’acqua liquida. Per esempio, nello schema computazionale presentato da Buch et al. (32), gli strati interfacciali sono definiti come contenere 60 molecole, la cui taglia totale non può eccedere un paio di centinaia di Å, una lunghezza minore dello spessore osservato dello strato EZ di ben quattro ordini di grandezza.
Le proprietà fisiche dell’acqua EZ potrebbero essere riassunte come segue:
1) l’acqua EZ è considerevolmente più viscosa dell’acqua normale (di circa dieci volte).
2) L’acqua EZ ha un potenziale elettrico negativo (fino a 150 mV) rispetto alla normale acqua
circostante; quindi la coppia acqua EZ – acqua normale è una pila redox. Questa proprietà dell’acqua EZ potrebbe render conto dell’origine delle eccitazioni elettroniche considerate da Szent-Gyorgyi.
3) I protoni si concentrano al confine tra l’acqua EZ e l’acqua normale.
4) L’acqua EZ mostra un picco di assorbimento di luce a 270 nm; esso emette fluorescenza
quando viene eccitata da luce che abbia questa lunghezza d’onda.
5) L’illuminazione dell’acqua EZ attraverso la luce (specialmente la radiazione infrarossa)
accresce lo spessore dello strato.
6) Come precedentemente detto, l’acqua EZ non può ospitare soluti.
La precedente lista di proprietà sembra abbastanza misteriosa all’interno dello schema delle idee convenzionali sull’acqua liquida.
Una possibile obiezione sulla natura dell’acqua EZ, cioè che la zona di esclusione osservata potrebbe essere un reticolo di filamenti che emergono dalla parete dentro l’acqua, è stata esclusa da accurate investigazioni sperimentali (33).
L’acqua EZ sembra essere una fase differente dell’acqua liquida. Il problema di quante fasi costituiscano l’acqua liquida è un problema che sta in piedi da molto tempo.
Già nel 1892, Roentgen (34) propose un modello a due fasi dell’acqua liquida, costruito in modo da accordarsi con il comportamento osservato dei coefficienti di solubilità dei buoni soluti con la temperatura. Questo modello fu generalmente accettato fino all’inizio degli anni ’30, quando Bernal e Fowler (35) lo criticarono sulla base che la molecola d’acqua obbediva ad una Hamiltoniana ben definita, che non consentiva l’esistenza di più di una fase nelle medesime condizioni termodinamiche.
Tuttavia, solo pochi anni dopo nell’ambito della Teoria Quantistica dei Campi fu proposto un modello dell’ elio liquido superfluido (36), che veniva considerato un liquido a due fasi. L’obiezione di Bernal e Fowler era superata poiché il liquido non era più considerato come una collezione di molecole singole. La cosiddetta fase normale soltanto era considerata come tale, mentre la fase superfluida era uno stato collettivo costituito, non soltanto, di molecole ma anche di un campo esteso responsabile delle correlazioni tra molecole. Naturalmente questo campo era strettamente connesso all’esistenza dello stato collettivo e spariva con esso. Il campo correlante diventava, quindi, una componente che aveva uguali diritti delle molecole. Noi discuteremo questo argomento nella prossima sezione.
Diversamente dall’elio liquido, l’acqua liquida è stata riguardata, per molti decenni (37), come una mera collezione di molecole singole tenute insieme da forze statiche di breve raggio d’azione (ponti idrogeno o altro), il cui legame era probabilmente controbilanciato dalle collisioni termiche o dalle oscillazioni delle molecole prodotte dalle eccitazioni degli stati più bassi ( meno di 200 cm-1) dello spettro della molecola. Tuttavia, questo modello difficilmente consentiva più di una fase dell’acqua liquida. Conseguentemente l’acqua è stata riguardata per molto tempo come un liquido monofasico. Di fatto lo scattering dei neutroni rivela l’acqua liquida come un liquido omogeneo (38). Tuttavia, in tempi recenti comincia ad essere raccolta evidenza di una struttura disomogenea dell’acqua liquida (39).
I risultati delle indagini sperimentali sulla struttura dell’acqua potrebbero essere meglio pesati alla luce del tempo di risoluzione dell’esperimento. Il tempo di risoluzione è la durata della misura elementare dell’evento di scattering, ovvero della durata della collisione. Se la struttura a due fasi desse luogo a un panorama in rapido movimento, l’osservazione di questa struttura richiederebbe un tempo di risoluzione più breve della tipica vita media del panorama. Conseguentemente, l’allontanamento da una struttura omogenea potrebbe non essere stato osservato fino a tempi recenti, quando il tempo di risoluzione degli esami sperimentali è divenuto sufficientemente breve.
Le spettroscopie vibrazionali sono state suggerite come un mezzo di indagine per rivelare strutture non omogenee in rapido movimento, poiché le frequenze di transizione sono sensibili agli ambienti locali molecolari (40-41).
L’esistenza di una pluralità di fasi dell’acqua liquida ha recentemente ricevuto importanti corroborazioni. Vi sono stati rapporti che dicono che, sottomettendo l’acqua liquida a ben definiti trattamenti fisici (irradiazioni da onde elettromagnetiche, sospensione di microsfere di materiali inerti, dissoluzione di macro molecole di fullerene), speciali varietà di liquido vengono ottenute, che hanno proprietà differenti dall’acqua normale e simili all’acqua EZ (42-44).
Inoltre, una varietà di acqua avente proprietà simili all’acqua presente negli organismi biologici è stata ottenuta eseguendo particolari processi biologici nell’acqua normale, connessi essenzialmente con la fotosintesi (45). In questo ultimo caso la viscosità era piuttosto minore che nell’acqua normale, che è l’opposto del caso dell’acqua EZ. Altre proprietà anomale delle precedenti varietà di acque coinvolgono la termodinamica (forte diminuzione del calore di mescolamento con soluzioni alcaline titolate) (46) e l’elettrochimica (forme diverse dei depositi di elettroliti sugli elettrodi) (42). La coesistenza di differenti fasi dell’acqua liquida nelle stesse condizioni termodinamiche, quindi, non può più essere esclusa.
Come detto in precedenza, l’argomento contrario, prodotto da Bernal e Fowler, può essere aggirato assumendo l’esistenza di stati collettivi delle molecole d’acqua, che richiedono l’esistenza di un campo di correlazione mesoscopico/macroscopico, come quello presente nell’elio superfluido.
Se questo campo di correlazione fosse capace di esistere in molte configurazioni la possibilità di molti stati collettivi dell’acqua e, quindi, di molte fasi potrebbe emergere.
Questa possibilità, naturalmente, non può emergere all’interno dello schema concettuale della Meccanica Quantistica, dove una collezione di molecole, che interagisce attraverso forze statiche, ammette – in accordo al teorema fondamentale di von Neumann (47) – un unico stato fondamentale (vuoto) e quindi un’unica fase in date condizioni termodinamiche.
Non è quindi sorprendente che gli approcci convenzionali ab initio all’acqua (48), basati proprio sulla Meccanica Quantistica, la descrivano come un liquido monofasico. Al contrario, lo schema concettuale della Teoria Quantistica dei Campi ammette infiniti stati fondamentali (vuoti), ognuno corrispondente ad una particolare funzione che descrive il valore di aspettazione del campo coinvolto (49).
Nell’approccio di Teoria Quantistica dei Campi i quanti del campo, che correlano le molecole, sono componenti del sistema con gli stessi diritti delle molecole; naturalmente essi spariscono quando il sistema viene distrutto.
Nella Teoria Quantistica dei Campi l’interazione è considerata un oggetto così come le componenti basilari. In più, lo stretto legame tra molecole ed il campo di correlazione produce nuovi oggetti fondamentali, chiamati quasi-particelle, e la separazione convenzionale tra materia ed interazione è fatta cadere (49). E’ interessante ricordare che una simile visione è stata anticipata, molto tempo fa, nello schema concettuale della biologia vitalistica dal botanico tedesco Julius Sachs (50), che ha sottolineato che negli organismi viventi (come le piante) materia ed energia non sono separate ma sono un’unica sostanza che egli ha chiamato energid, che vuol dire materia energizzata.
Un importante risultato dell’approccio di Teoria Quantistica dei Campi è il ruolo fondamentale assunto da quella variabile fisica denominata la fase Ф del campo (che non deve essere confusa con la fase termodinamica). La stessa parola indica due cose diverse. La fase Ф descrive il ritmo di oscillazione del campo e quindi gli aspetti ondulatori del sistema. La dualità tra descrizioni particellari ed ondulatorie del sistema fisico è riassunta dal principio di indeterminazione, tra il numero N dei quanti (che sono i fotoni per un campo elettromagnetico, gli atomi o le molecole per il campo di materia, le quasi-particelle per il campo di interazione) e la fase Ф (Equazione 1) dove h è la ben nota costante di Planck.
∆N ∆Ф ≥ h (1)
[…] Continua
