Lezione 15

Corso di studi di Scienza dei materiali
Corso di Storia delle scienze sperimentali
Luigi Cerruti
www.minerva.unito.it
Lezione 15
4 marzo 2010
La biochimica, 1900-1918
Nuove funzioni, nuovi oggetti molecolari
Enzimi e reattività
I messaggeri chimici: gli ormoni
In absentia: le vitamine
La biochimica del ‘900 ha origine da tre campi di ricerca in
buona parte disgiunti. Per primi sono caratterizzati gli
enzimi, come agenti del metabolismo cellulare.
Un’interazione complessa all'interno della medicina, fra
pratica terapeutica e indagine patologica, porta a definire
gli ormoni. Epidemiologia e chimica affrontano gravi
patologie e scoprono le vitamine.
La scoperta delle
vitamine
Frederick
Hopkins
Premio Nobel per la
medicina o la fisiologia
1929
1861-1947
Il modello di Bohr, 1913
Il primo modello quantistico
Calcola il raggio dell’atomo di idrogeno
Calcola la costante di Rydberg
Le configurazioni elettroniche sono ‘aggiustate’ in base alle
proprietà chimiche
Il legame chimico è dato da un numero variabile di elettroni
Il modello di Lewis, 1916
L’elettrone e il legame chimico
• Un modello assiomatico: regole, non calcoli
• Un modello statico
• Il legame chimico è dovuto ad una coppia di
elettroni
• L’accoppiamento degli elettroni giustifica la
configurazione tetraedrica dei legami
dell’atomo di carbonio
Le conoscenze sugli
atomi e le molecole
Gilbert Newton Lewis
1916. Nel suo modello Lewis indica
quali sono le configurazioni
elettroniche degli atomi e quali siano
le condizioni per la formazione dei
legami
Le conoscenze sugli atomi e le molecole
Gilbert Newton Lewis
Il contributo maggiore di Lewis è
di aver descritto il legame
chimico come la condivisione fra
due atomi di una coppia di
elettroni
Le teorie elettroniche in chimica organica
• Robert Robinson, un
grande chimico organico
• 1925, Effetto induttivo e
mobilità elettronica
– Uno sviluppo completamente
indipendente dalla meccanica
quantistica
La chimica
Attraverso la seconda guerra mondiale
• La seconda guerra mondiale
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Zyklon B
La gomma sintetica negli Stati Uniti (v. lezione 16)
Esplosivi convenzionali
Esplosivi nucleari
La penicillina
Zyklon B
Un pesticida
Dalla fine degli anni 1920 il Zyklon B fu commercializzato come pesticida.
Era composto da piccole palline di materiali adsorbenti che venivano impregnate
con acido cianidrico, uno stabilizzatore ed una sostanza irritante d'allarme. Le
palline rilasciavano l'acido cianidrico in forma di gas quando venivano rimosse dai
loro contenitori ermetici.
Fu sperimentato per la prima volta su 600 prigionieri di guerra russi e 300 ebrei il 3
settembre 1941, nel campo di Auschwitz.
Un documento
sul Zyklon B
Una regolare fattura commerciale
per la fornitura di Zyklon B da
utilizzare nelle camere a gas.
Sulla fattura è scritto in evidenza:
Die Etiketten tragen den Vermerk:
* Vorsicht, ohne Warnstoff ! *
“Le etichette portano la dicitura:
*Attenzione, senza agente odorante”
Il prodotto era privo dell’additivo
irritante che avrebbe segnalato la
presenta dell’acido cianidrico agli
operatori di una disinfestazione
Fattura della Deutsche Gesellschaft für Schädlingsbekämpfung mbH
(Società tedesca antiparassitari s.r.l.)
Auschwitz!
Dresda!
Nel febbraio 1945 i bombardieri americani ed inglesi distrussero
completamente Dresda. La nube di fuoco che avvolse la città dopo due
giorni di bombardamenti ininterrotti uccise almeno 250.000 persone. Il
numero complessivo non poté mai essere accertato perché la città era
affollata di profughi
Dresda!
Dresda!
Le intenzioni della RAF
•
“Dresden, the seventh largest city in Germany and not much smaller
than Manchester, is also far the largest unbombed built-up the enemy
has got. In the midst of winter with refugees pouring westwards and
troops to be rested, roofs are at a premium. The intentions of the attack
are to hit the enemy where he will feel it most, behind an already
partially collapsed front, to prevent the use of the city in the way of
further advance, and incidentally to show the Russians when they
arrive what Bomber Command can do.”
•
RAF January 1945
Hiroshima!
Una immagine ottusa e terribile. Questo ordigno fu battezzato Little
Boy, il 'ragazzino' e il 6 agosto 1945 fu sganciato su Hiroshima. Al
momento dello scoppio vi furono 40.000 morti e 60.000 feriti; nel
gennaio 1946 i morti erano saliti a 70.000 e nel 1950 a 140.000. La
bomba conteneva Uranio-235 e aveva la potenza di 22 kiloton (22.000
t di tritolo)
Nagasaki!
Questo ordigno fu la prima bomba atomica al plutonio sperimentata su
esseri umani. Battezzata Fat man, il 'grassone' il 9 agosto 1945 fu
sganciata su Nagasaki, provocando al momento dello scoppio 40.000
morti e 60.000 feriti. Il calvario dei giapponesi colpiti dall'olocausto
atomico fu terribile: nel gennaio 1946 i morti erano saliti a 70.000, e nel
1950 ammontavano a 140.000. La potenza nominale dell'ordigno era di
22 kiloton, 22.000 tonnellate di tritolo, ma il maggior numero di vittime
si ebbe per le radiazioni e non per l'onda d'urto.
Nagasaki!
Una eredità positiva:
la penicillina
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1939-1940: a Oxford
Ernst Chain, chimico
tedesco, risolve il
problema dell’isolamento
del principio attivo
1940-1941: prove
cliniche su sei pazienti
1941: Howard Florey, un
medico australiano,
segue gli sviluppi
industriali negli USA
1943: Florey in Africa per
studiare l’uso della
penicillina sui campi di
battaglia
Eventi & Processi
La trasformazione del laboratorio: cromatografia su carta
"La parti essenziali dell'apparato consistono di una striscia di
carta da filtro, il cui bordo superiore è immerso in un pozzetto
che contiene il solvente saturato di acqua. La striscia pende in
una camera a tenuta stagna in cui è mantenuta una atmosfera
satura di acqua e solvente" (Consden, Gordon, e Martin, 1944).
A questa descrizione generale seguivano i dettagli della 'camera':
"Camera. Per gli esperimenti unidimensionali si sono dimostrati
convenienti (convenient) i tubi di drenaggio in ceramica. Il tubo
poggia su una base strettamente aderente, martellata da una
lamina di piombo".
Eventi & Processi
Elettroforesi, malattie molecolari e variazione genetica
•
L'anemia falciforme era dovuta ad una "differenza nella sequenza di
amminoacidi in una piccola parte di una delle catene polipeptidiche"
(Ingram, 1956).
•
"Un lavoro come quello di Ingram sulla differenza strutturale fra
emoglobine A, S e C, apre un capitolo interamente nuovo nella
genetica umana" (Harris, 1958).
•
"In pratica, e in prima istanza, ci siamo appoggiati sulla tecnica
dell'elettroforesi su gel d'amido. Si sa che, se si ottengono le condizioni
adatte, essa è in grado di rivelare differenze estremamente sottili nella
carica molecolare e nella dimensione molecolare. [...] Durante l'esame
di una decina di enzimi scelti arbitrariamente, abbiamo trovato tre
esempi estremamente impressionanti (quite striking) di polimorfismo
geneticamente determinato" (Harris, 1966).
Eventi & Processi
La trasformazione del laboratorio: le spettroscopie UV e IR
Ultravioletto-visibile
•
•
•
Beckman DU. Entro la fine del 1941 sono consegnati 18
spettrofotometri DU, al prezzo di 723 $ ciascuno. Con semplici
alterazioni, 'cosmetiche', rimane in produzione fino al 1975, per un
totale di oltre 35.000 strumenti venduti
Infrarosso
Il primo Perkin-Elmer Model 12A è consegnato nel 1944; fino al 1947
ne sarebbero stati prodotti oltre 500
La Perkin-Elmer mette in commercio il PE Model 21 a doppio raggio nel
1950, corredato di un registratore automatico
Eventi & Processi
La trasformazione del laboratorio: l'NMR
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Aprile 1948, Russell e Sigurd Varian e W. Hansen fondano la Varian
Associates: klystron per scopi civili e militari, e costruzione di
apparecchi NMR
Il primo spettrometro NMR è venduto nel 1952 alla texana Humble Oil
1958, l' HR-60 è di dimensioni e costo non accessibili; il magnete pesa
più di due tonnellate e mezza
Progettano uno spettrometro che individui solo i segnali provenienti
dai protoni, con le stesse prestazioni dell'HR-60.
Il nuovo modello è chiamato A-60 (A per analytical); è presentato a
Pittsburgh nel 1961.
Nel primo anno di vita sono venduti 120 esemplari dell'A-60, con una
produzione complessiva di oltre 1000 strumenti.
La trasformazione del laboratorio
Le tecniche spettroscopiche
Sigurd e Russell Varian
L'arte della sintesi
L'apprezzamento di Woodward
1956
There is excitement, adventure, and challenge, and there can be
great art, in organic synthesis*
Nella sintesi organica c'è eccitazione, avventura e sfida, e vi può
essere una grande arte
Mutamenti nelle gerarchie disciplinari
• A partire dagli anni 1870 la determinazione della struttura dei
composti organici naturali ha costituito la premessa prestigiosa per
la loro successiva sintesi
• Fra il 1945 e il 1965 nei laboratori di chimica organica è
massicciamente entrata la strumentazione chimico-fisica:
•
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Cromatografia su carta
Elettroforesi
Gas-cromatografia
Spettroscopia Visibile – UV
Spettroscopia IR
NMR
Spettrometria di massa
Strutturistica con i raggi X
• Come conseguenza epistemologica e disciplinare la determinazione
della struttura ha perso prestigio a favore della sintesi
L'arte della sintesi, il modo di ragionare di
Woodward
•
•
"Chiaramente era necessaria una certa costrizione (some coaxing); per
indurre gli elettroni ad assumere le posizioni desiderate, decidemmo di
tirarli (to pull them) da una direzione, e allo stesso tempo di spingerli (push
them) dall'altra. Il cloruro di toluensulfonile fu scelto per tirare e la piridina
per spingere;
questi reagenti eseguirono il nostro comando (cfr. le frecce (arrows) in XIII)
e fu prodotto il composto (XIV), che conteneva il desiderato anello V"
(Woodward, 1955).
La nascita della chimica supramolecolare
Charles Pedersen: i composti corona, 1967
La chimica
supramolecolare
NMR e criptati
•
1969, L'analisi strutturale di
Lehn si basa interamente
sugli spettri NMR dei nuovi
criptati.
Eventi & Processi
Nanoscienze: due punti di vista
There's plenty of room at the bottom.
Richard Feynman, 1960
There's even more room at the top.
Jean-Marie Lehn, 1995
Eventi & Processi
L'approccio top-down: Richard Feynman, 1960
"Attualmente la teoria dei processi chimici è basata sulla fisica teorica.
In questo senso, la fisica fornisce la fondazione della chimica (the
foundation of chemistry)".
Tuttavia, aggiunge Feynman, la chimica ha anche l'analisi:
"Ma se i fisici lo volessero, potrebbero togliere il terreno sotto i piedi dei
chimici anche sul problema dell'analisi chimica. Sarebbe molto facile
fare l'analisi di qualsiasi sostanza chimica complicata; tutto ciò che
dovreste fare è guardarla (to look at it) e vedere dove sono gli atomi. Il
solo guaio è che il microscopio elettronico è di un centinaio di volte
troppo debole" (Feynman, 1960).
Per
PerFeynman
Feynmanililcampione
campioneda
da
analizzare
(macroscopico)
analizzare (macroscopico)non
non
esiste
esiste
Eventi & Processi
L'approccio top-down : Richard Feynman, 1960
"Più tardi, vorrei porre questa domanda: Possono i fisici fare qualcosa
sul terzo problema della chimica – cioè la sintesi? C'è un modo fisico di
sintetizzare una sostanza chimica?" (Feynman, 1960).
Mettendo
Mettendogli
gli'atomi'
'atomi'l'uno
l'unoaccanto
accanto
all'altro
per
costruire
la
struttura
all'altro per costruire la struttura
tridimensionale
tridimensionaleeeasimmetrica
asimmetricadel
del
cortisone?
cortisone?
19
Ripetendo
Ripetendol'operazione
l'operazione10
1019volte?
volte?
Eventi & Processi
L'approccio bottom-up: Jean-Marie Lehn, 1995
"Se si considera la capacità delle specie supramolecolari di formarsi
spontaneamente dai loro componenti, evitando la microfabbricazione, e
di eseguire compiti complicati sulla base dell' informazione codificata e
di istruzioni, raggiungendo così livelli più elevati di organizzazione e di
comportamento, è chiaro che attraverso la chimica supramolecolare c'è
ancora più spazio in cima! (there's even more room at the top!) " (Lehn,
1995).
Il respiro di Gaia
Charles David Keeling (1928-2005)
Andamento della concentrazione
atmosferica di CO2. Osservatorio di
Mauna Loa, Hawaii
La definizione di Gaia
J.Lovelock, 1979
"Da allora [1968] abbiamo definito Gaia come una entità complessa
che coinvolge la biosfera, l'atmosfera, gli oceani e il suolo della
Terra; la totalità costituisce un sistema cibernetico o con retroazione che cerca (seeks) un ambiente fisico e chimico ottimale per
la vita su questo pianeta".
Il metabolismo di Gaia
Cicli del fosforo e del calcio
Un racconto di oceani e di nuvole
• 1987, Nature: "Oceanic phytoplankton, atmospheric sulfur, cloud
albedo and climate: a geophysiological feedback".
I quattro autori: Charlson era un chimico dell'atmosfera,
Lovelock era un chimico fisico; Andreae era un
oceanografo, Warren era un metereologo specializzato
nello studio dell'albedo delle nuvole
Un racconto di oceani e di nuvole
La funzione del dimetilsolfuro
•
Il DMS è un prodotto di rifiuto di molte specie di fitoplancton
•
Il DMS raggiunge l'atmosfera, e viene ossidato a solfato, formando un
aerosol in grado di addensare l'umidità dell'aria sotto forma di nuvole
•
Le nuvole ricche dell'aerosol generato dal DMS sono particolarmente
riflettenti, così da impedire ai raggi solari di raggiungere la superficie
dell'oceano
•
le specie di fitoplancton che producono DMS hanno un'importante
funzione di raffreddamento del pianeta
Un racconto di oceani e di nuvole
DMS, il produttore e il prodotto
Un piccolo produttore di DMS.
Gephrocapsa sp, una delle molte
specie di coccolitoforidi viventi negli
oceani
Convenzione sulla diversità biologica
1992
•
"Per «diversità biologica» si intende la variabilità tra gli organismi
viventi di ogni origine, compresi tra gli altri, gli ecosistemi terrestri,
marini e gli altri ecosistemi acquatici, ed i complessi ecologici di cui
fanno parte; ciò include la diversità nell'abito di ciascuna specie, e tra le
specie degli ecosistemi".
•
"Per «ecosistema» si intende un complesso dinamico formato da
comunità vegetali, animali e micro-organismi e dal loro ambiente non
vivente, che interagiscono come unità funzionale".
I componenti della diversità biologica
•
"Gli ecosistemi e gli habitat: contenenti un'elevata densità, un vasto
numero di specie endemiche o minacciate, o zone desertiche;
frequentati da specie migratorie; di importanza sociale, economica,
culturale o scientifica; o che sono rappresentativi, unici o associati a
processi evolutivi di base o ad altri processi biologici"
La nostra relazione con la natura
•
•
noi stessi, nel nostro corpo e nella nostra mente, siamo in relazione
intima e profonda con la natura, come tutti noi sappiamo da mille
esperienze vissute
Se questa relazione è così evidente è perché noi e il 'resto’ della natura
costituiamo una comunità, ed ogni membro consapevole di una
comunità sente di appartenervi – e di avere degli obblighi nei suoi
confronti