Asimmetrie: La chiralità negli organismi viventi

Di più
22/10/2013 20:52 - 10/02/2017 11:16 #107 da G. Avitabile
G. Avitabile ha creato la discussione Asimmetrie: La chiralità negli organismi viventi
Asimmetrie: la Chiralità negli organismi viventi
...................... ................
Per domande: autore o Domanda a un esperto
................

Questo è parte di una serie di articoli sulle Asimmetrie, che è accompagnata da una analoga sulle Simmetrie. La serie sulle Asimmetrie è delineata in Asimmetrie al grandangolare , ove sono anche esposti gli essenziali concetti propedeutici.

Qui ci occuperemo della particolare relazione di simmetria fra un oggetto e la sua immagine nello specchio. Questa asimmetria si ritrova in molti oggetti comuni, come una vite o una scala a chiocciola, ma è particolarmente interessante negli esseri viventi.


Fig. 1. Simmetria bilaterale
.........Vedremo in un successivo articolo dal titolo Asimmetrie: la chiralità in Chimica e l'asimmetria dei viventi che importanti aspetti di chiralità si ritrovano anche nel modo microscopico degli atomi e delle molecole.


Simmetrie negli esseri viventi

Quasi tutti gli esseri viventi, animali e vegetali, hanno il corpo costituito da parti uguali che si ripetono. Questa è simmetria, ed è un buon carattere, anche se di solito non è il primo a cui si pensa, per distinguere i viventi dagli oggetti inanimati: un sasso, un monte, un fiume, un vortice nell'acqua, una folata di vento, sono tutti oggetti fisici che non hanno simmetria: le loro parti non sono uguali l'una all'altra.

Negli organismi viventi possono essere presenti diversi tipi (in matematica si dice elementi) di simmetria. Quella più comune è certamente la presenza di due metà, destra e sinistra, uguali fra loro ma non sovrapponibili. E' detta simmetria bilaterale, ed è quella presente anche nel nostro corpo.

Una famosa illustrazione è data dal disegno di Leonardo da Vinci (1452-1519) databile al 1490 circa e conservato alle Gallerie dell'Accademia a Venezia (Figura 1).

Esistono casi di simmetrie diverse da quella bilaterale. Una stella di mare ha una simmetria raggiata pentagonale (Figura 2), cioè è costituita da 5 raggi equivalenti. Ogni raggio, a sua volta, ha simmetria bilaterale, cioè è costituito da due metà destra e sinistra. Un verme come un lombrico ha un altro tipo di simmetria, costituita dalla ripetizione (Figura 3), dall'estremità anteriore alla posteriore, di segmenti uguali (anelli).


Fig.2. Simmetria raggiata ( Life of the sea )
Fig.3. Simmetria di ripetizione: metameria ( Wikipedia )

E' interessante notare che tutte le simmetrie prima descritte non sono simmetrie perfette, ma soltanto approssimate. Se si guarda più attentamente, si scopre che tutti gli esseri viventi sono asimmetrici. Consideriamo di nuovo il nostro corpo, con la metà di destra e quella di sinistra. I due lati sono veramente identici? Se avete qualche nozione elementare di anatomia, sapete già che la risposta è no.
...............................................
..................................................

Fig.4. Il percorso asimmetrico dell'aorta
Immagine: Wikipedia
.............................................................
Mentre abbiamo due reni, uno a destra e l'altro a sinistra, il fegato, per esempio, è uno solo, ed è posto sulla destra. Il cuore è spostato verso sinistra, come dice anche il proverbio: se guardiamo una rappresentazione del cuore coi suoi vasi, vediamo che l'aorta, l'arteria più grossa, piega subito a sinistra (Figura 4) e poi si dirama verso tutto il corpo. L'uguaglianza destra-sinistra, così evidente a prima vista, scompare dopo un'osservazione precisa.

Oltre all'asimmetria a livello anatomico, ne esiste anche una a livello funzionale. La destra e la sinistra sono diverse nella capacità di svolgere certi compiti. Per esempio, scriviamo con la destra. L'asimmetria funzionale può essere invertita: i mancini scrivono con la sinistra e scambiano i ruoli destra-sinistra anche in altre occasioni. E' importante notare che questa inversione funzionale non corrisponde a un'inversione anatomica. Le persone mancine hanno il cuore e l'aorta a sinistra come tutti gli altri. In altri termini la differenza destra-sinistra nell'uso di una penna si sviluppa come se la struttura di base fosse perfettamente simmetrica, rendendo possibile la rottura della simmetria in un senso o nell'altro.

Anche nelle stelle di mare la simmetria non è perfetta: i 5 raggi sono organizzati in 2 destri, 2 sinistri e uno centrale, riducendo l'apparente simmetria raggiata a una più bassa simmetria bilaterale (e anche questa non perfetta, se si va a guardare più a fondo). Nel caso dei segmenti ripetuti dei vermi, chiamato nel linguaggio scientifico "metameria", la simmetria non può essere perfetta per ragioni teoriche. Un segmento dovrà pur essere il primo, e sarà quindi diverso dagli altri per non averne altri davanti; lo stesso si dica per l'ultimo. Un verme con perfetta metameria dovrebbe essere lungo all'infinito!


La chiralità
.................................................
Abbiamo visto che il nostro corpo ha simmetria bilaterale (che immaginiamo per il momento perfetta), essendo costituito da due metà uguali, la destra e la sinistra. Ma le due metà sono veramente uguali? O sono diverse? La risposta non è facile.

Se guardiamo le due mani, destra e sinistra (Figura 5), troviamo molti argomenti per dire che sono uguali: tutte e due hanno un dorso e un palmo, hanno 5 dita; la forma e la lunghezza delle dita sono uguali, e così pure le distanze da un dito all'altro, e così via per tutti gli altri caratteri.
.........................................................................
Fig.5. Le due mani

E quali argomenti abbiamo per sostenere che sono diverse? L'argomento più convincente è immaginare di voler infilare un guanto, che sia un guanto destro. Infilarci la mano destra è facilissimo, infilarci la sinistra praticamente impossibile.
.......................................
Fig.6. Farfalla e specchio
......
Fig.7. Vite destrorsa
............
Siamo quindi costretti a riconoscere che esiste una differenza fisica, non solo immaginaria o matematica, fra le due mani. Per capire la natura di questa differenza, può essere utile uno specchio.

Guardate la farfalla in figura 6, un animale con simmetria bilaterale. Stiamo veramente guardando tutta la farfalla? Se la linea nera al centro fosse uno specchio, potrebbe esserci solo la metà di destra, e quella di sinistra sarebbe il suo riflesso nello specchio; o solo la sinistra con la sua immagine riflessa. Possiamo dire che la farfalla è identica alla sua immagine speculare. Una mano, invece, non è uguale alla sua immagine speculare, perché l'immagine speculare della mano destra è la sinistra e viceversa.

La simmetria (o mancanza di simmetria) che abbiamo discusso, per cui un oggetto è diverso dalla sua immagine speculare, si chiama "chiralità". Il termine è stato costruito dalla parola greca χειρ che significa la mano, e che entra in diverse parole italiane (pensate che il chiromante è l'indovino che legge la mano, il chirurgo è il medico che opera con le mani). Chiralità significa quindi l'asimmetria caratteristica della mano.

Esistono molti oggetti che non sono uguali alla loro immagine speculare e sono quindi chirali. Questi oggetti, come le mani, si possono pensare sempre a coppie di due unità una destra e una sinistra. Un esempio è una vite come quella in figura 7, che si avvita girandola in senso orario. La sua immagine speculare (che non si trova in commercio) si avviterebbe in senso antiorario.


Animali asimmetrici
..............................................................
Abbiamo visto che, osservati attentamente, tutti gli animali sono asimmetrici al di là dell'apparente simmetria destra-sinistra. In alcuni l'asimmetria è molto evidente, per esempio nelle chiocciole (Figura 8). Questi animali, pur presentando la normale simmetria bilaterale di base, sviluppano fin dall'inizio della crescita un guscio avvolto ad elica, quindi asimmetrico. L'elica può infatti essere destra o sinistra, rompendo la simmetria bilaterale.

Un gruppo di ricercatori giapponesi, R. Kuroda et al., in un articolo pubblicato su Nature hanno dimostrato che, almeno nella chiocciola Lymnaea stagnalis, il verso dell'elica è determinato da un gene, e quindi ereditario.

La determinazione del verso viene fatta molto precocemente nello sviluppo embrionale: come probabilmente già sapete, la prima cellula (uovo fecondato o zigote) subisce una prima divisione che dà luogo a due cellule, poi una seconda a 4 cellule e una terza a 8 cellule. E' durante la terza divisione che la struttura a 8 cellule si forma chirale, seguendo l'indicazione genetica. Se si interviene meccanicamente a questo stadio, riconfigurando le 8 cellule alla forma opposta, si ottiene lo sviluppo di una chiocciola con l'elica di verso opposto a quello che il carattere genetico avrebbe determinato.
.........................................................
Fig.8. Una chiocciola
Immagine: liberoricercatore

Questo interessante studio apre molte prospettive di ricerca: se lo stesso meccanismo vale per altre chiocciole, e se meccanismi simili valgono per animali diversi, compreso l'uomo, in cui pure durante lo sviluppo si deve determinare l'asimmetria (cuore a sinistra, fegato a destra).

Gustavo Avitabile

.

Professore di Chimica macromolecolare (in pensione)
Universita' degli Studi Federico II di Napoli
Ultima modifica: 10/02/2017 11:16 da Paolo.

Si prega Accedi a partecipare alla conversazione.

Tempo creazione pagina: 0.434 secondi