di Ranieri Rolandi
Ho rubato il titolo di questo articolo alla rivista scientifica «Current Biology» che ha intitolato così il numero del 20 ottobre 2024, dedicato ai rapporti tra Fisica e Biologia. Ai più le due scienze appaiono distanti l’una dall’altra. La Fisica, in simbiosi con la Matematica, cerca di spiegare l’universo infinitamente grande e i costituenti elementari della materia infinitamente piccoli sognando una legge unificante (vedi Angelo Canaletti in «il Zibaldone» del 23 dicembre 2024). La Biologia studia gli esseri viventi, muovendosi tra innumerevoli leggi particolari, spesso non esprimibili in termini matematici e apparentemente senza legami tra loro. Pertanto, Fisici e Biologi sembrano abitanti di mondi diversi non destinati ad incontrarsi. Fortunatamente per il progresso della scienza non è così e, come è capitato che la Fisica sposasse prima la Matematica e l’Astronomia, originando la Fisica Matematica e l’Astrofisica, e poi sposasse la Chimica, generando la Chimica Fisica, così nel secolo scorso la Fisica ha sposato la Biologia ed è nata la Biofisica. Come vedete, la monogamia non esiste nel mondo delle scienze.
Il matrimonio era stato annunciato da Karl Pearson, uno dei padri della statistica moderna. Nel capitolo IX della sua opera The Grammar of Science, pubblicata per la prima volta nel 1892, esamina la relazione tra Biologia e Fisica e constata che la vita dipende dalle condizioni fisiche e afferma la necessità di una disciplina scientifica che tratti dell’applicazione delle leggi della Fisica allo studio degli esseri viventi e che questa disciplina dovrebbe chiamarsi Biofisica. Nella visione di Pearson, Matematica applicata, e Biofisica sono i legami tra le tre grandi divisioni della Scienza (Matematica, Fisica, Biologia) che dovrebbero portare alla nascita di una scienza unica.
Attorno alla metà del secolo scorso, alcune ricerche che oggi chiameremmo di Biofisica, ottennero risultati importanti che meritarono diversi premi Nobel ai loro autori e determinarono il futuro progresso della medicina e della farmacologia. La consapevolezza degli scienziati di allora per la capacità innovative di queste ricerche è testimoniata dall’articolo dal titolo Why Biophysics di Arcibald V. Hill, premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina del 1922, uscito sul numero di «Science» del 21 dicembre del 1956. Hill scrive che la Biofisica è un fanciullino robusto e promettente e ne delinea la definizione e gli scopi. In particolare, Hill, che si definisce un biofisico, afferma che l’uso di strumenti fisici, quali microscopi, generatori di raggi X, contatori Geiger e simili non fa di un ricercatore un biofisico. Ciò che conta sono le idee e i metodi di approccio ai problemi.
Un bell’esempio di ciò che Hill intende per Biofisica sono le ricerche sulla generazione e la conduzione del segnale nervoso e la scoperta dei canali ionici Nel 1952 escono, sul «Journal of Physiology», cinque fondamentali lavori di Alan Hodgkin e Andrew Huxley, che divideranno con John Eccles il premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina nel 1963. Il modello sperimentale è l’assone di calamaro. L’assone è la parte grossolanamente cilindrica delle cellule nervose. In questi lavori i due ricercatori rivelano i meccanismi con cui ha origine e si trasmette il segnale nervoso. Tra la parete interna e quella esterna dell’assone c’è una piccola differenza di potenziale elettrico, cioè un voltaggio, come tra i due poli di una pila. Hodgkin e Huxley provano che il cambiamento della differenza di potenziale è causato dall’insorgenza di una corrente elettrica. Il sistema viene rappresentato come un circuito elettrico e il suo funzionamento è descritto con un modello matematico di quattro equazioni differenziali ordinarie. Ce n’è abbastanza perché un fisico dica: “ma questo è il mio terreno” e un biologo pensi: “quali sono queste molecole e come sono prodotte dalla cellula?”
Questo è l’inizio di una bella storia. I ricercatori si mettono al lavoro per verificare e migliorare gli esperimenti di Hodgkin e Huxley, cercano altri modelli sperimentali e arrivano a inventare un modello artificiale della membrana cellulare adatto a misure elettriche e a riprodurvi un segnale simile al potenziale d’azione. (P. Mueller, D. O. Rudin, H Ti Tien e C. W. Wescott, «Nature», 9 giugno 1962). I dati si accumulano ed evidenziano che gli ioni sodio e potassio passano attraverso canali, probabilmente formati da proteine, che si aprono e si chiudono. La corrente che passa attraverso un singolo canale deve, perciò, essere una corrente di piccola durata e apparire come un rettangolo, se registrata in funzione del tempo. L’ampiezza e la durata della corrente che attraversa un singolo canale sono misurate per la prima volta da S. B. Hladky e D. A. Haydon su membrane artificiali. Il canale è formato da un antibiotico, la gramicidina («Biochimica et Biophysica Acta», Biomembranes, 8 settembre 1972). Un anno dopo, C. R. Anderson e C. F. Steven, per mezzo dell’analisi statistica delle oscillazioni della corrente totale, misurano l’ampiezza della corrente di singolo canale nella giunzione neuromuscolare di rana («Journal of Physiology», dicembre 1973).
È bene ricordare l’impatto che queste scoperte hanno avuto sulla medicina e sulla scoperta e produzione di farmaci. Si è trovato che molte malattie coinvolgono o sono determinate dal mal funzionamento dei canali ionici e si sono trovati farmici che agiscono su di essi.
L’articolo, già citato, di «Current Biology» mette in rilievo che ormai la Fisica Biologica ha trovato spazio e interesse sia tra i fisici che tra i biologi, come testimoniato dalla presenza di sessioni di Biofisica nei congressi delle società di Fisica e in quelle delle società di Biologia. I traguardi della Biofisica crescono in numero e si fanno sempre più ambiziosi. Tra gli argomenti innovativi voglio citare lo studio delle grandezze fisiche che determinano la guarigione di una ferita o la moltiplicazione orientata delle cellule nella formazione dei tessuti e come i fenomeni biologici nascono dall’interazione di un grande numero di cellule o di molecole.
FOTO: Tiberio Sepe, Madri-figlie, 2019-2024
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