I RAPPORTI IN SCALA NELL'UNIVERSO

L'Universo è un complesso sistema che comprende oggetti infinitamente grandi e infinitamente piccoli.
Esploriamo in primo luogo il mondo macroscopico prendendo come punto di riferimento la Terra: il nostro pianeta fa parte del sistema Terra-Luna.
La Luna è il satellite che ci orbita attorno, formatasi, secondo l'ipotesi più accreditata, tramite l'impatto di un asteroide delle dimensioni di Marte sulla Terra, che ha sgretolato una parte di essa e l'ha scaraventata nello spazio.
Questo frammento di Terra ha cominciato ad orbitare intorno al nostro pianeta e da allora continua incessantemente a fare questo movimento tuttora.

Sebbene la Luna abbia soltanto l'1,2% della massa della Terra, è comunque il quinto satellite naturale più grande del Sistema Solare.

La Luna è troppo piccola per trattenere un'atmosfera degna di nota: infatti, la sua atmosfera è molto scarsa e rarefatta con una massa totale pari a 10.000 kg, quantità di gas pari a quella rilasciata da una navicella Apollo durante l'atterraggio!

La gravità della Luna è pari ad 1/6 di quella terrestre: l'accelerazione di gravità lunare è:

gLuna = 1,622 m/s²

La superficie della Luna è simile a quella di un deserto terrestre, con uno strato compatto di polvere, detta regolite e con diversi crateri, depressioni provocati dall'impatto di meteoriti.

Per raggiungere la Luna, una sonda spaziale ci impiegherebbe circa 2-3 giorni, poichè questa dista 384.000 km dalla Terra.

La luce, invece, ci mette circa 1,8 secondi per arrivare dalla Luna alla Terra.
Il sistema Terra-Luna fa parte del Sistema Solare, comprendente il Sole e gli ulteriori pianeti:

1) Mercurio;
2) Venere;
3) Marte;
4) Giove;
5) Saturno;
6) Urano;
7) Nettuno.

A questi bisogna aggiungere alcuni pianeti nani secondo la risoluzione dell'Unione Astronomica Internazionale (UAI) adottata il 24 agosto 2006, tra cui:

• Cerere: scoperto nel 1801 dall'astronomo Giuseppe Piazzi, all'Osservatorio di Palermo. Ha un diametro di circa 1.000 km e fino all'adozione della convenzione dell'UAI era considerato il più grande asteroide presente nella fascia tra Marte e Giove;
• Plutone: fino a pochi anni fa era considerato il nono e ultimo pianeta del Sistema Solare. Ha una massa pari ad 1/4 di quella della Luna e ad 1/400 di quella terrestre. Possiede una temperatura superficiale di circa -230 °C;
• Eris o Xena o 2003UB313 : è il più grande pianeta nano del Sistema Solare attualmente conosciuto, con un diametro di circa 1 volta e mezzo quello di Plutone. Possiede anche un satellite, denominato Disnomia.

La stella più vicina al Sole è Proxima Centauri: viaggiando alla velocità della luce si impiegherebbero circa 4 anni per giungere a questa.

Il Sistema Solare e le stelle più vicine costituiscono una minima parte della Via Lattea, la nostra galassia, formata da circa 200 miliardi di stelle.

La Via Lattea è una galassia a spirale barrata, cioè una galassia composta da un nucleo ( all'interno del quale c'è un gigantesco buco nero, Sagittarius A* ), attraversato da una struttura a forma di barra, dalla quale si dipartono i bracci di spirale.

Essa è costituita da un corpo principale piatto a forma di disco di oltre 100.000 anni-luce di diametro, all'interno del quale si trova la maggior parte delle stelle.

Il nostro Sole si trova pressoché sul disco, a una distanza di circa 28.000 anni-luce dal centro della galassia: dunque è collocato in posizione periferica, quasi ai 2/3 del raggio galattico a partire dal centro.

Sussistono molti miti che raccontano la nascita della Via Lattea.

Nella mitologia greca, Ercole era il figlio illegittimo di Zeus, re degli dei, e della mortale Alcmena.

Si dice che la moglie di Zeus, Era, allattando Ercole, ne ha scoperto la provenienza, e lo ha staccato dal seno.

Il suo latte si sparse quindi fra le stelle, formando la Via Lattea.

La Via Lattea, a sua volta, fa parte di una famiglia di galassie, detta Gruppo Locale, che comprende 46 galassie, di cui una sola è più grande della nostra: la Galassia di Andromeda (M31).

La Galassia di Andromeda presenta un disco largo il doppio di quello della nostra galassia.

Identificata come una "piccola nube" dall'astronomo persiano Al-Sufi intorno al 905 d.C., fu ritenuta per secoli una nebulosa.

I telescopi più moderni telescopi svelarono che questa "nebulosa", come molte altre, aveva una struttura a spirale.

Ma solo nella prima parte del XX secolo Edwin Hubble rivelò la vera natura di M31.

Il Gruppo Locale, con numerosi altri ammassi di galassie relativamente vicini, come il Grande Ammasso della Vergine, fa parte di una struttura più vasta, detta Superammasso della Vergine, che contiene decine di migliaia di galassie.

Proseguendo in questa maniera si arriva al limite dell'Universo.

Infatti, per quanto l'Universo sia illimitato, cioè privo di confini, la parte di esso che si può osservare e studiare è finita.

Questa parte, detta Universo osservabile, è la regione sferica che circonda la Terra dalla quale la luce ha avuto il tempo di arrivare fino a noi da quando l'Universo ha avuto origine con il Big Bang 13-15 miliardi di anni fa.

La luce proveniente da regioni più distanti di 13-15 miliardi di anni-luce non ha avuto abbastanza tempo per giungere fino alla Terra: essa si trova quindi oltre una sorta di orizzonte cosmico visibile.

Ma gli oggetti che alla nostra osservazione appaiono posti a tale distanza sono in realtà più lontani, considerata l'espansione dell'Universo, che provoca un continuo allontanamento reciproco delle galassie e degli ammassi di galassie, scoperta da Edwin Hubble nel 1929.

La causa di tutto ciò è da imputare alla cosiddetta energia oscura, una forma misteriosa di energia che contrasta la forza di gravità, la quale tende a far avvicinare tra loro le galassie e invece le fa allontanare tra loro.

Inoltre non solo l'Universo si sta espandendo, ma lo sta facendo sempre più velocemente.

L'energia oscura costituisce circa il 72% dell'Universo.

Il restante 28% è dato dalla materia ordinaria (5%) e dalla misteriosa materia oscura (23%), della quale ancora non conosciamo la vera natura.

Detto ciò si può anche immaginare che al di là del nostro universo ci siano infiniti altri Universi con caratteristiche fisiche anche molto diverse da quello in cui viviamo: è la teoria del Multiverso o Multiuniverso.

Il nostro universo potrebbe somigliare, secondo questa teoria ad un film d'azione.

Infatti, l'eroe di questo genere di film riesce sempre a scampare miracolosamente da orde di cattivi che cercano in tutti i modi di togliergli la vita.

Alla fine l'eroe riesce sempre a salvarsi grazie alle sue abilità o alla fortuna o all'intervento degli amici un momento prima che il nemico gli tagli la gola con un pugnale.

Ma se cambiassimo anche una piccolissima variabile del film, escludendo l'intervento degli amici, per esempio, l'eroe sarebbe a quest'ora sepolto nella sua tomba!

Proprio in questo senso bisogna considerare la teoria del multiverso: basterebbe una piccola variazione di una costante fondamentale della natura come velocità della luce, costante di Boltzmann, massa del protone, massa dell'elettrone e così via, per innescare un mondo completamente diverso dal nostro, dove molto probabilmente la vita non potrebbe esistere.

Facciamo un esempio: sappiamo che nelle reazioni nucleari che avvengono nei nuclei delle stelle 2 nuclei di deuterio si combinano tra loro per formare un nucleo di elio-4.

L'elio-4 ha una massa che corrisponde al 99,3% dei 2 nuclei di deuterio.

Il fatto stesso che la massa dei nuclei di elio risultanti sia esattamente il 99,3% dei reagenti rende possibile la vita nell'Universo così come la conosciamo.

Infatti, se la massa ottenuta fosse del 99,4%, in questo caso i nuclei di deuterio non si sarebbero formati e quindi non si sarebbe potuta verificare la fusione dell'elio.

Le stelle brillerebbero troppo debolmente per riuscire a sintetizzare elementi e non potrebbero verificarsi supernovae in grado di generare gli elementi più pesanti, che espulsi nel vuoto, avrebbero potuto creare pianeti e addirittura persone.

D'altro canto, se la massa ottenuta fosse stata del 99,2%, la reazione di fusione avrebbe liberato troppa energia.

In questo caso i protoni si combinerebbero per formare nuclei di elio nella prima fase dell'Universo e, una volta create le stelle, non rimarrebbe più combustibile nucleare.

Pertanto Giordano Bruno aveva anticipato già più di 4 secoli fa l'idea che esistono infiniti mondi che potrebbero essere abitati da infiniti esseri: un concetto troppo rivoluzionario rispetto alla sua epoca: per questo motivo è stato arso vivo sul rogo in Campo de' Fiori a Roma per ordine della Santa Inquisizione il 17 febbraio 1600.

Adesso facciamo il percorso inverso, cioè partiamo dalla Terra per esplorare il mondo microscopico.

La Terra ( o geosfera ) è costituita da 4 principali "sfere":

1) Atmosfera;

2) Idrosfera;

3) Litosfera;

4) Biosfera.

In particolare, quest'ultima è costituita da tutti gli esseri viventi.

Fino al 1800 i viventi erano classificati in:

• Animali;
• Vegetali.

Oggi i viventi vengono classificati in base alla struttura della cellula in:

• procarioti: privi di nucleo:
• eucarioti: possiedono un nucleo.

A questa classificazione va aggiunta una sottoclassificazione in organismi:

• autotrofi: capaci di sintetizzare le molecole energetiche da soli prendendo energia dal mondo inorganico;
• eterotrofi: prelevano le molecole energetiche da altri esseri viventi.

Pertanto oggi i viventi vengono suddivisi in 5 regni:

1) Monere: organismi procarioti, unicellulari, eterotrofi o autotrofi;

2) Protisti: eucarioti prevalentemente unicellulari, eterotrofi o autotrofi;

3) Funghi: eucarioti eterotrofi, in prevalenza pluricellulari;

4) Piante: eucarioti pluricellulari autotrofi;

5) Animali: eucarioti eterotrofi, in prevalenza pluricellulari.

A questi bisogna aggiungere gli organismi che si trovano ai confini della vita come virus, viroidi e prioni.

MONERE

Il regno delle monere comprende tutti i procarioti unicellulari.

Esso include i batteri e i cianobatteri ( chiamati in passato alghe azzurre ), che sono presenti praticamente ovunque, in un'incredibile varietà di habitat.

Per questo motivo è il regno più grande per quanto riguarda il numero di organismi.

La maggior parte dei procarioti è lunga da 1 a 10 µm ( micrometri ), circa un decimo di una cellula eucariote.

Si presentano in forme diverse:

- come sfere ( cocchi );

- come bastoncini ( bacilli );

- a spirale ( spirilli );

- come bastoncini ricurvi ( vibrioni ).

Le monere possono essere sia eterotrofe che autotrofe.

Ne risulta che le monere possono vivere sfruttando una vasta gamma di fonti d'energia.

Solo poche specie di monere sono in grado di sintetizzare, a partire da composti inorganici semplici, tutte le sostanze di cui hanno bisogno.

Gran parte delle monere è saprofita ( ossia sono organismi decompositori ) in quanto vive a spese di organismi morti o in fin di vita.

Senza l'attività di questi microscopici decompositori ( e senza quella dei decompositori pluricellulari, i funghi ) la Terra sarebbe ben presto sommersa da uno spesso strato di foglie morte, di cadaveri di animali e di altro materiale organico, che soffocherebbe gli esseri viventi.

Alcune monere, invece, vivono sulla superficie di altri esseri viventi o all'interno di essi, come dannosi parassiti o simbionti neutri o vantaggiosi.

I batteri che causano malattie nell'uomo, negli animali e nelle piante, sono detti patogeni.

Essi si nutrono di materiale vivente a spese delle cellule dell'ospite e producono tossine, sostanze che causano alterazioni assai gravi nel materiale cellulare.

I simbionti vantaggiosi, invece, sono, ad esempio, quelli che vivono nel nostro intestino e che producono vitamine o quelli che permettono la digestione della cellulosa in animali come conigni.

Inoltre quasi tutti i batteri per vivere hanno bisogno dell'ossigeno dell'aria, sono cioè aerobi.

Alcuni batteri eterotrofi, però, sono anaerobi perchè per loro l'ossigeno è tossico e vivono in ambienti inospitali per gli altri organismi.

Generalmente, le monere si riproducono per scissione, ossia per semplice divisione della cellula madre in 2 cellule figlie identiche.

Se le cellule che ne derivano rimangono attaccate l'una all'altra, possono formarsi piccoli ammassi o lunghi filamenti.

La riproduzione per scissione è incredibilmente veloce ed efficiente: infatti può ripetersi persino ogni 20 minuti circa.

I batteri possono adattarsi rapidamente alle variazioni dell'ambiente.

Addirittura, molte monere possono dare origine a una forma quiescente molto resistente, dalle pareti spesse, detta spora ( o endospora, poichè si forma all'interno della cellula batterica ) che permette loro di sopravvivere a condizioni estreme.

Infatti, le endospore possono sopportare:

• temperature che vanno da -250 °C a oltre 100 °C;
• la disidratazione;
• l'esposizione a certe radiazioni.

Quando le condizioni esterne ridiventano favorevoli, un'endospora si trasforma di nuovo in una cellula batterica.

Bisogna dire che alcune monere non possiedono mezzi di locomozione propri e sono trasportate da:

- correnti d'aria;

- acqua;

- sangue;

- linfa delle piante;

- altri mezzi fluidi che le circondano.

Molte altre, invece, hanno flagelli che permettono loro di spostarsi verso una fonte di cibo o verso la luce e di allontanarsi da eventuali predatori o da sostanze nocive.

PROTISTI

Il regno dei protisti è quello delle cellule eucarioti singole.

Questo regno comprende circa 35.000 specie.

Essendo cellula eucariote, il protista medio è 10 volte più lungo di un procariota e ha un volume 1000 volte maggiore.

Dalle testimonianze fossili risulta che vere cellule eucarioti erano presenti già, derivate per evoluzione da antenati procarioti, circa 1,4 miliardi di anni fa.

Quei primi eucarioti, a loro volta, si diversificarono in più gruppi di protisti:

1) protisti "tipo animali" o protozoi ( "primi animali" ): predatori nel mondo dei microrganismi, sono cellule che, normalmente, danno la caccia e si nutrono di altre cellule o particelle di cibo con il processo detto fagocitosi.

I 4 phyla ( tipi ) dei protozoi si distinguono per il sistema di locomozione:

• mastigofori: sono dotati di lunghi flagelli;
• sarcodici: presentano un movimento ameboide, cioè basato su estensioni cellulari ( pseudopodi ) che vengono allungate e retratte;
• sporozoi: sono caratterizzati dal fatto di formare spore nel corso del loro ciclo vitale. Inoltre sono privi di strutture di locomozione;
• ciliati: utilizzano per muoversi le numerose ciglia presenti sulla loro superficie;

2) protisti "tipo piante": sono organismi che contengono clorofilla e realizzano la fotosintesi. Si possono suddividere in:

• euglenoidi: verdi e fusiformi;
• dinoflagellati: mentre si spostano nell'acqua, ruotano su se stessi per effetto dei loro 2 flagelli;
• crisofite ( alghe gialle e diatomee ): il loro colore è dovuto a un pigmento di colore giallo.

Questi protisti fanno parte di quella massa di cellule, nota come fitoplancton o semplicemente plancton, che vive appena al di sotto della superficie delle acque dolci e di quelle marine.

Il fitoplancton ha una grande importanza dal punto di vista ecologico: libera enormi quantità di ossigeno e costituisce la base delle catene alimentari acquatiche, in cui organismi più grandi si nutrono del plancton e organismi ancora più grandi si nutrono dei precedenti e così via.

3) funghi mucillaginosi o protisti "tipo funghi": si procurano cibo ed energia in modo analogo ai funghi, producendo enzimi digestivi che decompongono i materiali organici e assorbono nella loro cellula il materiale da loro demolito. Sotto questo aspetto i funghi mucillaginosi assomigliano ai funghi e alle muffe, ma in certe fasi del loro ciclo vitale assomigliano agli animali e alle piante.

FUNGHI

Si ritiene che i funghi abbiamo avuto origine circa 900 milioni di anni fa da decompositori unicellulari.

Accanto ai vari batteri e protisti decompositori, le oltre 100.000 specie di funghi esistenti sono i principali decompositori presenti sulla Terra.

La maggior parte dei funghi è saprofita.

I funghi saprofiti possono attaccare quasi tutti i materiali.

Durante la loro lunga evoluzione, tuttavia, alcuni funghi, da demolitori di materiali non viventi, sono diventati parassiti, cioè organismi che attaccano gli esseri viventi.

Oggi, i funghi parassiti costituiscono la principale causa di malattie delle piante e attaccano tra l'altro le piante coltivate dall'uomo in campi, giardini e orti.

Altri tipi di funghi parassiti attaccano gli animali e persino l'uomo, provocando quelle malattie che prendono il nome di micosi ( dal greco "mikòs" = fungo ).

I funghi sono organismi eterotrofi che si procurano le necessarie sostanze nutritive organiche secernendo prima all'esterno enzimi che demoliscono i materiali organici e assorbendo poi, attraverso le loro membrane plasmatiche, i prodotti di tale digestione.

Visto che il vero e proprio processo di demolizione avviene al di fuori del loro organismo, si parla di digestione extracellulare.

Alcuni funghi sono unicellulari, come i lieviti impiegati nella fabbricazione del pane, nella produzione del vino e della birra.

Tuttavia, la maggior parte dei funghi è pluricellulare.

Un fungo pluricellulare consiste fondamentalmente di filamenti chiamati ife.

L'insieme delle ife è detto micelio.

Anche se sembra compatta, la parte visibile di un comune fungo a cappello, che ne è la struttura riproduttiva ( corpo fruttifero ), è in effetti un ammasso di ife.

Nel sottosuolo il micelio forma un intreccio che può estendersi nel suolo per diversi metri quadrati.

Le ife di un comune fungo a cappello possono crescere molto velocemente: in un giorno, la crescita complessiva dei vari filamenti può raggiungere 1 km!

PIANTE

Le piante sono quegli organismi autotrofi che compiono la cosiddetta "Fotosintesi Clorofilliana", con la quale trasformano l'acqua, l'anidride carbonica e la luce solare provenienti dall'esterno in glucosio e ossigeno.

In simboli:

Poichè la fotosintesi è l'attività più importante di una pianta, il suo corpo è organizzato in funzione di questa attività e i suoi organi principali servono a questo scopo.

Il corpo delle piante detto cormo è ben differenziato in:

• radici: hanno la funzione di fissare la pianta al terreno e di assorbire acqua e sali minerali dal sottosuolo. Essendo sotterranee, le radici non compiono la fotosintesi e ricevono il nutrimento dalle foglie;
• fusto: ha funzioni di sostegno e di trasporto. Esso è, nella maggior parte dei casi, interamente percorso da vasi conduttori di acqua e prodotti della fotosintesi, le vene delle piante, che si estendono dalle radici alle foglie dove sono visibili sotto forma di nervature;
• foglie: sono le batterie solari delle piante: la loro forma, allargata e sottile, è la più efficace ad assorbire energia luminosa.

Dunque le piante sono gli unici organismi viventi che sono in grado di sintetizzare i glucidi, macromolecole biologiche molto importanti per il corpo umano, poichè costituiscono un'importantissima fonte energetica: infatti dalla loro degradazione si ottengono 4 kcal/g di energia.

ANIMALI

Gli animali o metazoi sono organismi eterotrofi molto complessi.

Al contrario dei funghi, che assorbono in forma liquida le sostanze digerite all'esterno del corpo, essi hanno elaborato dei meccanismi per introdurre il cibo e digerirlo internamente.

La presenza di una bocca e di una cavità corporea per la digestione è ciò che più contraddistingue gli animali rispetto alle altre forme di vita.

Mentre i funghi se ne stanno immobili sulla sorgente di sostanze nutritive, gli animali per procurarsi il cibo, ossia per scovare e catturare le prede, devono essere in grado di muoversi in maniera rapida e furtiva.

Essi hanno sviluppato organi di senso che raccolgono le informazioni dall'ambiente, un sistema nervoso capace di coordinarle e un sistema muscolare che produce rapide risposte.

Addirittura l'uomo, che è pur sempre un animale, ha sviluppato un sistema nervoso così complesso e sofisticato che gli ha permesso di parlare, scrivere, lavorare e scoprire piano piano i misteri che circondano la natura e quindi anche le equazioni che descrivono l'Universo.

CELLULA

Possiamo pertanto affermare che tutti gli esseri viventi sono contraddistinti dall'unità fondamentale della vita, cioè la cellula.

Robert Hooke, uno dei maggiori scienziati inglesi, fu probabilmente il primo a scoprire le cellule.

Verso il 1660 Hooke si chiese come mai il sughero galleggiasse così bene sull'acqua.

Dunque cercò la risposta scrutando, attraverso il suo microscopio, una sottile fettina di sughero e vide ciò che egli chiamò, nel libro Micrographia del 1665, "pori" o, anche "cellule", poichè gli ricordavano le piccole celle dei monaci.

Oggi sappiamo che Hooke, osservando il sughero, non vide cellule vive, ma ciò che rimaneva di esse, ossia la parete cellulare, costituita da cellulosa e altre molecole depositatesi all'esterno della cellula, la quale permane anche dopo la morte della cellula stessa.

In seguito, nel 1838, Mathias Schleiden, un botanico tedesco, giunse alla conclusione che tutte le piante sono fatte di cellule.

L'anno seguente, assieme allo zoologo tedesco Theodor Schwann, pervenne a una conclusione ben più importante: tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule.

Circa 20 anni dopo, Rudolf Virchow, un medico tedesco, affermò che le cellule viventi hanno origine unicamente da cellule preesistenti.

Pertanto, secondo la moderna teoria cellulare:

- tutti i viventi sono costituiti da 1 o più cellule;

- le cellule sono le unità fondamentali di struttura e di funzione della vita e le reazioni chimiche dei processi vitali avvengono all'interno di esse;

- ogni cellula ha origine da una cellula preesistente.

Le cellule, come già detto, si dividono in 2 tipi fondamentali:

• cellule procarioti;
• cellule eucarioti.

Il termine procariote significa letteralmente "prima del nucleo", poichè la cellula procariote è priva di un nucleo distinto, cioè di una zona contenente materiale genetico delimitata da una membrana.

I procarioti contengono anch'essi il DNA, ma questo si presenta sotto forma di una pura e semplice molecola circolare, che, anche se non protetta da una membrana, si trova in una particolare zona della cellula che viene denominata: regione nucleare.

I procarioti mancano inoltre degli altri organuli delimitati da membrana presenti negli eucarioti.

Hanno tuttavia alcune membrane, compresa quella che forma un involucro intorno alla cellula.

Questa membrana cellulare o membrana plasmatica racchiude una massa acquosa chiara, detta citoplasma.

La maggior parte delle cellule procarioti è circondata da una parete cellulare, posta all'esterno della membrana plasmatica, e che, a seconda dei casi, può essere rigida o flessibile, ma che comunque conferisce forma e supporto alla cellula.

Le cellule eucarioti sono circondate, come le cellule procarioti, da una membrana plasmatica.

Però le cellule eucarioti possiedono un nucleo, delimitato da membrana.

Infatti il termine eucariote significa letteralmente "vero nucleo".

Queste cellule possiedono anche altri organuli delimitati da membrana e sono in genere da 10 a 25 volte più grandi rispetto alla maggior parte dei procarioti.

Gli eucarioti possiedono un citoplasma altamente organizzato, circondato dalla membrana plasmatica e a sua volta avvolgente il nucleo.

Attraverso la massa acquosa chiara del citoplasma si dirama una struttura interna di filamenti intrecciati, denominata citoscheletro, che svolge un ruolo fondamentale sia come supporto della cellula sia nel movimento della cellula e delle sue parti.

Gli organuli fondamentali della cellula eucariote sono:

• mitocondri: servono per la produzione di energia in forma utilizzabile dalla cellula;
• ribosomi: agiscono per la sintesi delle proteine;
• reticolo endoplasmatico (ER): serve per le trasformazioni del materiale genetico;
• apparato di golgi: ha la funzione di trasporto del materiale genetico;
• microtubuli: contribuiscono, assieme ai microfilamenti, a conferire alla cellula la sua forma e rendono possibili i suoi movimenti.

Bisogna inoltre aggiungere che all'interno del nucleo di una cellula eucariote troviamo stipata la cromatina, sostanza complessa costituita da DNA legato a proteine, che forma un groviglio di filamenti.

Il DNA ( Acido Desossiribonucleico o Deossiribonucleico ) è un acido nucleico molto importante, poichè contiene le informazione genetiche necessarie alla biosintesi di RNA ( Acido Ribonucleico ) e proteine, molecole fondamentali per lo sviluppo e il funzionamento della maggior parte degli esseri viventi.

Dal punto di vista prettamente chimico, il DNA è un lungo polimero costituito da diversi monomeri detti nucleotidi.

Ogni nucleotide è formato da:

• uno zucchero con 5 atomi di carbonio ( monosaccaride pentoso ) a cui sono legati:
• un gruppo fosfato;
• una base azotata.

Le basi azotate sono 4:

1) adenina (A);

2) guanina (G);

3) citosina (C);

4) timina (T).

I nucleotidi che costituiscono il DNA si legano tra loro in una lunghissima catena grazie al legame che si stabilisce tra il gruppo fosfato di un nucleotide e lo zucchero del nucleotide successivo.

Questo legame è detto: ponte zucchero-acido fosforico-zucchero o legame 3'-5' fosfodiesterico, dove 3' e 5' indicano il numero d'ordine degli atomi di carbonio dello zucchero coinvolti nel legame.

Fra il 1945 e il 1950 lo scienziato statunitense di origine austriaca Erwin Chargaff studiò da un punto di vista strettamente quantitativo la composizione in basi del DNA estratto da diversi tipi di organismi: egli trovò che la quantità di adenina è sempre uguale a quella della timina, mentre la quantità di guanina è sempre pari alla citosina:

A/T = C/G = 1

Inoltre, il rapporto (A + T )/(G + C ) espresso in % varia da organismo a organismo.

Bisogna specificare che adenina e guanina sono composti eterociclici detti purine mentre citosina e timina sono anelli pirimidinici.

A lungo gli studiosi cercarono di capire come si potessero ulteriormente organizzare nello spazio i lunghi polimeri di nucleotidi, in modo che le leggi di Chargaff venissero rispettate.

Negli anni '50 del XX secolo il problema della struttura del DNA suscitava un notevole interesse soprattutto tra gli scienziati inglesi del Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, in particolare James Watson e Francis Crick, e del King's College di Londra, tra cui la biofisica Rosalind Franklin e il fisico Maurice Wilkins.

Questi ultimi 2 scienziati studiavano cristalli di DNA tramite l'impiego delle tecniche di cristallografia ai raggi X.

Facendo passare i raggi X attraverso i cristalli e fotografando gli spettri di diffrazione ottenuti, poterono accumulare informazioni molto precise sulla disposizione spaziale degli atomi e sulla conformazione della molecola di DNA.

Con questa tecnica Rosalind Franklin aveva trovato che le molecole di DNA possedevano una struttura ad elica.

Poi, nel 1953, Watson e Crick costruirono vari modelli tridimensionali del DNA e quello che più si accordava con i dati sperimentali era la "doppia elica".

Questa scoperta, pubblicata su Nature nel 1953, valse a Crick, Watson e Wilkins il premio Nobel per la Medicina del 1962.

Purtroppo Rosalind Franklin, morta di cancro nel 1958, non poté essere premiata, perchè il premio Nobel, per regolamento, non può essere conferito postumo.

Bisogna sottolineare che in un ambiente a temperatura, acidità (pH) e umidità analoghe a quelle tipiche delle cellule viventi, il DNA assume spontaneamente una struttura con le seguenti caratteristiche:

• la doppia elica è formata da 2 catene polinucleotidiche avvolte a spirale una intorno all'altra, con un avvolgimento destrorso rispetto all'asse verticale;
• le basi azotate dei nucleotidi si trovano all'interno della doppia elica, disposte perpendicolarmente rispetto all'asse verticale, come una pila di piatti;
• lo scheletro (backbone) dell'elica, fatto dalle catene di zucchero-fosfato, resta all'esterno;
• le basi azotate interagiscono tra loro attraverso deboli legami a idrogeno ( o ponti a idrogeno ): l'adenina e la timina sono unite da 2 legami a idrogeno, mentre la guanina e la citosina da 3 legami a idrogeno. Questo fatto spiega le leggi di Chargaff: le coppie A-T e G-C sono dette coppie di basi complementari;
• le 2 catene nucleotidiche sono antiparallele, cioè hanno una direzione opposta. La polarità opposta dei 2 filamenti è necessaria per ottenere un'elica stabile.

Bisogna dire che la doppia elica descritta da Watson e Crick è detta forma B del DNA, ossia quella che si trova normalmente nelle cellule viventi in presenza di un'elevata quantità di acqua (80%).

Tuttavia, quando l'umidità è bassa, il DNA assume una struttura diversa, la forma A, più larga e compatta della precedente.

Le molecole del DNA sono lunghissime: in ogni cellula umana, ad esempio, si trova più di 1 m di DNA!

Bisogna però sottolineare che essendo molecole molto sottili e flessibili, si possono ripiegare su se stesse numerosissime volte e occupare in questo modo un volume molto più piccolo come quello del nucleo cellulare.

Questo fenomeno di ripiegamento delle molecole di DNA è detto impacchettamento o compattazione o packaging del DNA.

Pertanto il DNA non è altro che una lunghissima molecola costituita da atomi.

L'atomo era considerato dagli antichi greci la più piccola unità indivisibile della materia.

Ma la scienza moderna ha determinato che in realtà l'atomo è suddiviso in:

• protoni: possiedono carica elettrica positiva;
  
• neutroni: non hanno carica elettrica;
• elettroni: possiedono carica elettrica negativa.

Bisogna sottolineare che questa visione dell'atomo non è completa, visto che si è scoperto che i protoni e i neutroni sono formati a loro volta da particelle ancora più piccole, dette quark, teorizzate nel 1963 da Murray Gell-Mann, che vinse successivamente il premio Nobel per la Fisica nel 1969.
In particolare, il protone è formato da 2 quark up e 1 quark down (up-down-up), mentre il neutrone è costituito da 2 quark down e 1 quark up (down-up-down).
I quark up e down sono soltanto 2 tipi delle 6 varietà di questa particella scoperte:

1) up;
2) down;
3) charm;
4) strange;
5) top;
6) bottom, chiamato anche beauty.

Detto ciò, possiamo constatare che la forza che lega gli elettroni al nucleo dell'atomo è di natura elettrostatica, manifestandosi tra particelle dotate di carica opposta ( protoni ed elettroni ).
Ma la forza che tiene insieme i protoni e i neutroni nel nucleo di un atomo non è di natura elettrostatica, ma è una forza adronica ( dal greco adros = "forte" ) o interazione nucleare forte.
Questa denominazione deriva dal fatto che essa deve essere molto più potente della forza elettrostatica repulsiva tra gli stessi protoni, per poter mantenere stabili i nuclei.
Inoltre, tutte le particelle che risentono di questo tipo particolare di forza formano la categoria degli adroni, che furono storicamente suddivisi in 2 sottogruppi:

1) barioni: le particelle più pesanti;
2) mesoni: le particelle di massa intermedia, compresa tra quella dei barioni e quella degli elettroni.

Tuttavia, oggi la distinzione ha perso il significato originario, visto che sono stati scoperti mesoni con masse addirittura superiori a quelle dei barioni più pesanti.
Una distinzione importante riguarda invece lo spin ( verso del moto rotatorio delle particelle intorno al proprio asse, che può essere orario o antiorario ) delle varie particelle:

1) i barioni sono fermioni: hanno spin semintero;
2) i mesoni sono bosoni: hanno spin intero o nullo.

Tutti i 6 tipi di quark hanno spin 1/2 e quindi sono fermioni.
Bisogna considerare però che esistono altre particelle fondamentali, oltre ai quark, che vengono dette leptoni.
Esistono 6 tipi di leptoni:

1) elettrone;
2) muone;
3) tau ( o tauone );
4) neutrino elettronico;
5) neutrino muonico;
6) neutrino tauonico.

Le prime 3 particelle elencate hanno carica elettrica unitaria e negativa ( uguale a quella dell'elettrone ) mentre differiscono per la massa: l'elettrone è il più leggero e la tau la più pesante.
Le ultime 3, invece, sono neutrini, che come suggerisce il nome, non hanno carica elettrica.
Inoltre, il neutrino elettronico e quello muonico, sono praticamente privi di massa.
Tutti e 6 i leptoni hanno esattamente lo stesso spin uguale a 1/2: sono quindi, come i quark, tutti fermioni.
Bisogna anche dire che, ogni particella, ha una corrispondente antiparticella, che presenta la stessa massa della particella corrispondente, ma carica elettrica opposta.
Quindi tutti i quark, tutti i leptoni e tutte le particelle hanno le corrispettive antiparticelle: ad esempio:

• antiquark;
• antileptoni.

Pertanto, bisogna considerare anche un antiatomo, che è composto da antimateria.
In particolare, è costituito da un nucleo di antiprotoni e antineutroni circondato dagli antielettroni, detti generalmente positroni.

I quark e i leptoni con tutte le loro antiparticelle costituiscono il fondamento del cosiddetto "modello standard", che riesce a descrivere tutte le particelle elementari ad oggi note e 3 delle 4 interazioni fondamentali della natura ( elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte ), tramite delle particelle mediatrici di queste forze:

• fotoni: per quella elettromagnetica;
• gluoni: per la nucleare forte;
• bosoni W^+, W⁻ e Z ( denominato anche Z⁰) : per la nucleare debole.

Purtroppo questo modello non comprende la gravità, anche se si ipotizza che ci sia una particella mediatrice anche di questa forza, denominata "gravitone".



Una soluzione, ancora non verificata, potrebbe essere fornita dalla celebre teoria delle stringhe, che assumendo il fatto che le particelle in realtà non sono puntiformi, ma delle stringhe o corde vibranti, è riuscita ad unificare la gravità ( che poi rappresenta la Relatività Generale di Einstein ) con le altre 3 forze ( che rappresentano la Meccanica Quantistica ).
In generale, questa teoria ci dice che, vibrando, queste stringhe creano a seconda dei loro moti di vibrazione, le varie particelle della materia, come se suonassero una sorta di "sinfonia cosmica".

Da queste vibrazione deriverebbero dunque i valori delle costanti fondamentali della natura.

NANOTECNOLOGIE

Bisogna inoltre aggiungere che l'uomo negli ultimi 50 anni è riuscito a sviluppare tecnologie, le cosiddette nanotecnologie, che agiscono ad un ordine di grandezza di 10^-9 m, cioè un miliardesimo di metro, all'incirca il diametro medio di un'elica di DNA oppure di un aggregato di circa 1000 atomi.

Addirittura con queste favolose tecnologie gli scienziati, oggi, sarebbero in grado di scrivere l'intera Divina Commedia di Dante Alighieri su un ciuffo di capelli!

Ma Richard Feynman ( premio Nobel per la Fisica nel 1965 ), aveva immaginato che saremmo riusciti in futuro a ridurre a tal punto le lettere dell'alfabeto "da scrivere tutti e 24 i volumi dell'Encyclopedia Britannica sulla testa di uno spillo"!

E' proprio a Richard Feynman che dobbiamo il primo riferimento alla nanotecnologia nel discorso che pronunciò nel dicembre del 1959, intitolato There is Plenty of Room at the Bottom, che è considerato il "manifesto" delle nanotecnologie.

La nanotecnologia sfrutta le singolari caratteristiche che la materia mostra a queste dimensioni piccolissime per realizzare prodotti, strumenti dalle proprietà stupefacenti.

Addirittura alcuni nanoprodotti sono già noti da diverse centinaia di anni ma soltanto oggi abbiamo compreso le meravigliose particolarità del mondo infinitamente piccolo.

Ad esempio, gli antichi che hanno realizzato oggetti come la coppa di Licurgo del IV secolo d.C. oppure le spade dei templari dalla grandiosa durezza, non sapevano che per realizzarle stavano utilizzando processi di lavorazione basati rispettivamente su nanoparticelle di oro e su nanotubi di carbonio.

Le applicazioni delle nanotecnologie riguardano gli ambiti più disparati della conoscenza:

• informatica: potranno contribuire a produrre memorie sempre più grandi in dispositivi sempre più piccoli;
• biologia: attraverso strumenti ultrapiccoli si potranno scoprire ancor meglio i segreti della cellula;
• medicina: si potranno creare farmaci indirizzati al singolo paziente da portare direttamente, con l'ausilio di queste tecnologie, al target bersaglio;
• ingegneria aerospaziale: si potrebbero produrre materiali che servano per ridurre il peso, le dimensioni e il consumo dei veicoli spaziali.

CONCLUSIONE:

Abbiamo analizzato il mondo macroscopico ( guidato dalle leggi della Relatività Generale di Einstein ) e il mondo microscopico ( dove regnano sovrane le leggi della Meccanica Quantistica ) e ci si può rendere conto quanto l'Universo sia immenso sia nel senso di infinitamente grande, con distanze di miliardi di anni-luce, sia nel senso dell'infinitamente piccolo, cioè alle dimensioni di cellule, atomi, particelle, nanotecnologie.

Ma in futuro potremmo riuscire a vedere, forse, anche ordini di grandezza più piccoli, arrivando a scoprire le stringhe, ma molto probabilmente non più grandi, considerato il fatto che non possiamo vedere cosa c'è oltre la distanza di 13-15 miliardi di anni-luce da noi e quindi non sapremo mai se il nostro Universo è contenuto in infiniti universi come afferma la teoria del Multiverso.