Un'invarianza provvisoria, condizionata e sfumata

 

Tabella 1

Cinque relazioni importanti in chimica

 

(a)  reazioni     «     proprietą
(b)  macroscopico     «     microscopico
(g)  tutto     «     parti
(d)  quantitą     «     qualitą
(e)  sistema     «     ambiente

 

Completiamo ora l'indagine sull'opposizione trasformazione/invarianza esaminando alcuni degli spunti di discussione che ci vengono alla mente quando riflettiamo - ancora una volta - sul nostro problema alla luce della relazione (e):

(e)  sistema     «     ambiente

Un 'sistema' in termodinamica è semplicemente il particolare oggetto che ci interessa, diviso dall' 'ambiente' in cui si trova da superfici di separazione, costituite in tutto o in parte da 'pareti'. Le proprietà delle pareti rispetto al passaggio di materia ed energia fra il sistema e l'ambiente caratterizzano il sistema come aperto, se le superfici permettono il passaggio di materia ed energia; chiuso, se il sistema scambia con l'ambiente energia ma non più materia; isolato, se il sistema è posto in condizione di non alterare la sua composizione elementare e la sua energia interna.

Assumiamo un punto di vista decisamente antropologico, indirizzato a (e condizionato da) un nostro possibile, intenzionale intervento sul sistema. Consideriamo un sistema isolato, a partire dal momento in cui è stato effettivamente 'tagliato fuori' dall'ambiente. Anche se conosciamo le difficoltà di una simile procedura, possiamo qui pensare ad un gesto semplice, come la chiusura di un 'coperchio'. Ad un certo istante il sistema, già racchiuso in buona parte con pareti adatte, scambiava ancora materia ed energia con l'ambiente, nei modi più usuali: evaporazione di un solvente, irraggiamento di una lampada, etc. Un istante dopo, l'unica 'finestra' aperta sul mondo è stata chiusa da un'ultima parete, opaca alle radiazioni elettromagnetiche, rigida, termicamente isolante, e impenetrabile da qualsiasi forma di materia. Una tomba molto particolare, in cui però la 'vita' atomico-molecolare perpetua il suo divenire.

Innanzi tutto il sistema dovrà raggiungere uno stato di equilibrio, e questo processo impiegherà un certo tempo per giungere a compimento. In un certo senso la nostra impotenza, l'impossibilità per definizione di intervenire su un sistema isolato è sottolineata dal procedere inesorabile di questa grandezza fisica, il tempo, così facile da misurare, e così difficile da comprendere. Comunque sia, le reazioni che dovevano avvenire, secondo le loro condizioni termodinamiche e cinetiche, avvengono. Ad esempio si verificherà una isomerizzazione, o una diversa distribuzione di conformeri, ma anche tutte le altre possibili reazioni, più violente o 'secondarie' dal nostro punto di vista. Esse decorreranno fino ad un punto in cui in tutti i processi microscopici, per quanto numerosi, accoppiati e complessi possano essere, giungono all'equilibrio: una situazione in cui ogni specie atomico-molecolare è presente nel sistema isolato con un numero costante di entità - con piccole fluttuazioni. È chiaro che anche in quel modesto mondo catacombale l'equipartizione dell'energia sarà un fatto statistico, e saranno comunque presenti oggetti microscopici diversi, distinguibili da noi con un'improvvisa, rapida incursione spettroscopica dall'esterno del sistema. Se il sistema iniziale fosse stato meno 'interessante', pure gli eventi successivi all'isolamento sarebbero stati meno drammatici. Nel caso di un mucchietto di sale da cucina (a temperatura ambiente) non ci sarebbe stato nemmeno un impercettibile aggiustamento della tensione di vapore.

La riflessione sui sistemi isolati porta a conclusioni di un certo interesse. Nei composti chimici abbiamo sempre a che fare con un'identità minacciata dal fluire del tempo. Anche in un sistema isolato una decomposizione che sia termodinamicamente e cineticamente possibile, per quanto lenta sia, avviene. E così di seguito per tutte le nuove sostanze che potrebbero 'apparire' nel sistema isolato.

Veniamo ora ai sistemi chiusi, là dove inizia il regno della reattività controllata - in laboratorio e nell' industria. Lo scambio di energia con l'ambiente significa in particolare controllo della temperatura, con scambi che avvengono in forma di calore. Si può agire anche sulla pressione, con lo spostamento di pareti, quindi con scambi sotto forma di lavoro. Il principio di Le Châtellier orienta i nostri interventi, a seconda delle sostanze che vogliamo ottenere, ma la pratica fondamentale di intervento consiste nell'uso di catalizzatori, reso a sua volta possibile dal controllo della temperatura. Lasciando ad un'altra occasione un'analisi filosofica più ampia della funzione dei catalizzatori, mi limito a rimarcare due punti, a livello cinetico e a livello meccanicistico.

Noi tutti sappiamo che fra i compiti che assegniamo ai catalizzatori vi è l'aumento della velocità di reazione, spesso a partire da una velocità nulla: il catalizzatore abbatte il valore della barriera di potenziale che 'ostacolava' la trasformazione di una sostanza in un'altra. Dato che la barriera 'difendeva' l'identità di almeno due sostanze, il reagente e il prodotto, dal punto di vista dell'invarianza questa funzione del catalizzatore è di minare la resistenza delle sostanze alla trasformazione, è un attacco alla loro stabilità. Il secondo tipo di intervento dei catalizzatori avviene non più indebolendo l'invarianza delle sostanze, ma agendo in modo decisivo, preciso e sottile sulle trasformazioni. Dal sito sulla superficie di potenziale in cui si trovano le molecole da trasformare si diramano in uno spazio multimensionale numerosi cammini di reazione, ciascuno dei quali porta ad un valico, là dove il complesso attivato può far proseguire i reagenti trasformandoli in prodotti o può far loro compiere il percorso inverso, riconsegnandoli allo stato energetico e strutturale di partenza. Riassumendo, i catalizzatori esplicano la loro attività stupefacente attraverso una duplice reattività, con i reagenti e con i prodotti, ed una duplice azione, sulla stabilità, o invarianza, delle sostanze e sui percorsi di reazione, o trasformazioni, delle stesse sostanze. Essi possono esplicare le loro proprietà di catalizzatori solo durante una reazione, in altri termini non c'è un modo 'platonico' di conoscere la loro vera natura, occorre sempre ricorrere alla messa in scena di una trasformazione.

Nel 'regno della reattività controllata', richiamato poco sopra, ci si ritrova a pieno quando incontriamo i sistemi aperti. Innanzi tutto dobbiamo ricordare, sia pure di sfuggita, che noi stessi siamo sistemi aperti, e siamo la sede di decine di migliaia di reazioni controllate dai molti protagonisti del nostro metabolismo, in primo luogo dagli enzimi. Lo scambio di materia con l'ambiente caratterizza i sistemi aperti, ma val la pena di notare che per noi, animali, è indispensabile una costante assunzione di sostanze alimentari per poter produrre energia al nostro interno. Dal punto di vista antropologico, che abbiamo assunto in questa ultima parte della ricerca, siamo giunti ad un nodo di un certo rilievo, che ancora una volta possiamo schematizzare con delle reazioni generiche, riferite ad un fattore essenziale dell'alimentazione:

enzimi

(7) proteine (alimentari)    -------------------------------->    amminoacidi della dieta

 

sintesi delle proteine

          (8) amminoacidi della dieta proteine    -------------------------------->  (enzimi, emoprotidi, ormoni, anticorpi, etc.)

Nella (7) la demolizione delle proteine alimentari è indifferente rispetto alle sostanze di partenza; qui esse, le proteine, non hanno identità. Il risultato della demolizione è dato da una ventina di sostanze diverse, gli amminoacidi, ciascuno dei quali è caratterizzato da una struttura assolutamente specifica. Con l'esclusione del legame peptidico che è sciolto, la 'digestione' conserva invariati i componenti della catena delle proteine. La (8) non è assolutamente l'inverso della (7), e non solo per la complessità dei meccanismi di sintesi, che vanno anche al di là della regia del DNA. Se nella (7) non era rilevante l'identità delle proteine, ciascuna delle nuove proteine che risultano dalla (8) ha una sua identità specifica. Da mezzo secolo, ciò che colpisce l'osservatore è la precisione assoluta con cui gli amminoacidi sono 'montati' della nuova catena proteica, e come questa viene disposta nello spazio in configurazioni incredibilmente complicate (e belle), che però hanno una determinata funzionalità solo in alcune parti del loro tutto, così complesso. La trasformazione (8) non lascia completamente invariata l'individualità strutturale degli amminoacidi, e tuttavia questi, pur trasformati nella nuova funzionalità, mantengono una perfetta individuabilità.

Senza dover ripercorrere i diversi luoghi della mia argomentazione vorrei proporre qualche conclusione, in forma concisa. Se per invarianza si intende il mantenimento della propria identità, allora l'invarianza in chimica è solo provvisoria, condizionata e sfumata, sia al livello macroscopico delle sostanze, sia al livello microscopico delle molecole. Come in tutte le scienze, anche in chimica ciò che permane invariato è di grande significato, dalle proprietà delle sostanze, a quelle degli atomi e delle strutture molecolari. In chimica però the tools of trade sono le reazioni. La trasformazione e il mutamento complesso sono prevalenti, sia nelle procedure conoscitive del laboratorio, sia nei processi del mondo reale.

 

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