La realtà atomica | ||||||||||||||||||||
A questo punto può essere interessante introdurre un discorso più approfondito sulla struttura intima della materia, che per sua natura non può che porsi all'interno di un soggetto ben più ampio, quello della Creazione. Abbiamo provato a renderci conto, nella sezione dedicata all'astronomia, di come siano enormi le dimensioni dell'universo in cui siamo immersi e uno dei pensieri che, di conseguenza, si possono affacciare alla mente è quanto siamo piccoli noi esseri umani. In realtà non è un pensiero completamente corretto perchè la scienza moderna ci mostra anche quanto invece siamo grandi rispetto alle minuscole particelle di cui è fatto l'universo, il nostro pianeta ed anche noi stessi. A questo proposito, a seguire, ho cercato di dare una descrizione, spero chiara e concisa allo stesso tempo, di quella che più o meno è la realtà alla base di tutto quanto esiste nel creato, almeno per quanto riguarda il punto di vista della scienza del XXI secolo La prima idea che mi sorge, una volta comparate le dimensioni dell'uomo con quelle dell'universo e della realtà atomica, è quella dei viaggi di Gulliver; tanto grande con i Lillipuziani e tanto piccolo rispetto ai giganti. Quanto cercherò di andare a fare, poi, è un tentativo secondo me interessante, quello cioè di trovare dei punti di contatto tra le scoperte della fisica moderna ed i concetti espressi dalle antiche scritture sacre dell' Induismo, a cui sicuramente la disciplina del kriya yoga si rifà ampiamente. La Verità è una sola, e se le facoltà dell'essere umano sono in grado di percepirne l'essenza o anche solo delle parti, queste devono essere fondamentalmente in accordo tra di loro secondo la "logica" delle cose. Personalmente credo questo, e per farlo mi avvarrò sia del testo scritto da un fisico moderno, Fritjof Capra, Il Tao della Fisica, che del già più volte citato "La Scienza Sacra" scritto da Swami Sri Yukteswar, che nel campo del Kriya Yoga è riconosciuto come uno degli esponenti di massimo livello. Il libro di Capra, che consiglio di leggere a chiunque sia interessato all'argomento dei paralleli possibili che esistono tra Scienza e Religione, si propone già e lo fa in maniera ben più approfondita di me, di trovare punti di contatto tra Religioni Orientali e le scoperte fondamentali della Fisica moderna; nel mio piccolo cerco di fare questo nel campo specifico del Kriya, lasciando al lettore le proprie deduzioni personali. Swami Sri Yukteswar cercando di instillare nei suoi discepoli il giusto modo di acquisire la conoscenza diceva loro: "La saggezza non si assimila con gli occhi ma con gli atomi. Quando la convinzione della verità non è ancorata solo nel tuo cervello, ma in tutto il tuo essere, allora puoi cautamente avvallarne il significato". Scoraggiava ogni tendenza degli allievi a considerare la cultura acquisita dai libri come passo necessario per raggiungere la realizzazione spirituale.
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L'atomo - Il punto di vista della fisica | ||||||||||||||||||||
All'inizio del Novecento i fisici disponevano di due teorie valide, capaci di spiegare fenomeni differenti: la meccanica di Newton e l'elettrodinamica di Maxwell; di conseguenza, il modello newtoniano non costituiva più la base di tutta la fisica. I primi tre decenni del XX secolo cambiarono radicalmente l'intera situazione della fisica. Due sviluppi verificatisi separatamente, quello della teoria della relatività e quello della fisica atomica, infransero tutti i più importanti elementi della concezione newtoniana del mondo: la nozione di spazio e di tempo assoluti e quella di particelle solide elementari, la natura strettamente causale dei fenomeni fisici e l'ideale di una descrizione oggettiva della natura. Nessuno di questi elementi poteva essere applicato ai nuovi ambiti in cui allora la fisica stava penetrando.
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La principale conseguenza di tale trasformazione è di aver capito che la massa non è altro che una forma di energia. Anche un oggetto in quiete possiede energia immagazzinata nella sua massa e la relazione tra massa ed energia è data dalla famosa equazione
dove "c" è la velocità della luce. Tale velocità rappresenta una costante fisica indicata tradizionalmente con la lettera "c" (dal latino celeritas, "velocità"). Indipendentemente dal sistema di riferimento di un osservatore o dalla velocità dell'oggetto che emette la radiazione, ogni osservatore otterrà sempre lo stesso valore della velocità della luce. Nessuna informazione può viaggiare più velocemente di "c". Il suo valore è pari a 299.792.458 m/s, che tipicamente viene approssimato a 300.000 km/s.
Al volgere del secolo, furono scoperti numerosi fenomeni in rapporto alla struttura degli atomi e inspiegabili in termini di fisica classica. Il primo indizio del fatto che gli atomi avevano una struttura interna venne fornito dalla scoperta dei raggi X, una nuova radiazione che fu rapidamente impiegata nelle ormai ben note applicazioni in campo medico. Ma i raggi X non sono l'unica radiazione emessa dagli atomi e, subito dopo la loro scoperta, vennero trovati altri tipi di radiazioni emesse dagli atomi delle cosiddette sostanze radioattive. Il fenomeno della radioattività diede una prova definitiva della natura composta degli atomi, mostrando che gli atomi delle sostanze radioattive non solo emettono vari tipi di radiazione, ma si trasformano anche in atomi di sostanze completamente differenti. Oltre a essere oggetto di intensi studi, questi fenomeni furono anche usati nei modi più ingegnosi come nuovi strumenti per indagare nella materia più in profondità di quanto non fosse stato mai possibile prima. Così Max von Laue usò i raggi X per studiare la disposizione degli atomi nei cristalli, e Ernest Rutherford si rese conto che le cosiddette particelle alfa emesse dalle sostanze radioattive erano proiettili ad alta velocità e di dimensioni subatomiche, utilizzabili per esplorare l'interno dell'atomo: potevano essere lanciate contro gli atomi e dal modo in cui ne fossero state deviate si sarebbero potute trarre conclusioni sulla struttura degli atomi stessi. Quando provò a bombardare gli atomi con le particelle alfa, Rutherford ottenne risultati sensazionali e del tutto inaspettati. Ben lungi dall'essere particelle dure e solide come si riteneva fin dall'antichità, gli atomi risultarono costituiti da una vasta regione di spazio nella quale particelle estremamente piccole, gli elettroni, si muovevano attorno al nucleo, legati a esso da forze elettriche. Non è facile avere un'idea dell'ordine di grandezza degli atomi, tanto essa è lontana dalla nostra scala macroscopica. Il diametro di un atomo, inteso come nuvola elettronica, è circa un centesimo di milionesimo di centimetro. Per visualizzare questo minuscolo oggetto, si può immaginare un'arancia che cresca fino a raggiungere le dimensioni della Terra. A questo punto, gli atomi dell'arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie, strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco una immagine realistica, opportunamente ingrandita, degli atomi di un'arancia. Un atomo, quindi, è estremamente piccolo rispetto agli oggetti macroscopici. Tuttavia è enorme se confrontato con il suo nucleo, che sta al centro. Nella nostra immagine degli "atomi-ciliegie", il nucleo di un atomo sarebbe così piccolo che non potremmo ancora vederlo con i nostri occhi fisici. Se facessimo crescere l'atomo fino alle dimensioni di un pallone da calcio, o anche fino alle dimensioni di una stanza, il nucleo sarebbe ancora troppo piccolo per essere visibile a occhio nudo. Per poter vedere il nucleo dovremmo far crescere l'atomo fino alle dimensioni della più grande cupola del mondo, quella della basilica di San Pietro a Roma. In un atomo di quelle dimensioni, il nucleo sarebbe grande quanto un grano di sale! Un grano di sale nel centro della cupola di San Pietro e minuscoli granelli di polvere che gli turbinano velocissimamente intorno, nell'enorme vastità del "cupolone": in questo modo possiamo raffigurarci il nucleo e gli elettroni di un atomo. Le immagini riportate qui sotto possono cercare di aiutare a formarsi un' idea grafica di quanto descritto, ma le proporzioni non sono assolutamente rispettate per ovvi limiti pratici di visualizzazione.
Nota: il grano di sale c'è anche se è difficile da vedere; se si osserva bene lo si vedrà "pulsare". |
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Le dimensioni dell'atomo | ||||||||||||||||||||
Per avere un' idea del diametro di un atomo, inteso come "nuvola" elettronica, dobbiamo prendere un metro, dividerlo in un miliardo di volte e poi ancora in dieci parti! Per indicare questa misura si scrive
cioè un metro diviso per 10.000.000.000 Le dimensioni dei nuclei sono 10-4 volte più piccole (cioè diecimila volte più piccole) di quelle dell'atomo. Insomma tra i diametri del nucleo e dell’atomo c’e un rapporto approssimativamente pari a quello fra la capocchia di uno spillo e la cupola della basilica di San Pietro a Roma, come abbiamo già visto prima. Se ne desume che, poiché il volume è proporzionale al cubo dei diametri, la proporzione tra la materia solida e lo spazio vuoto in un atomo è pari a 10-12: un milionesimo di milionesimo. Questo significa che se dividiamo lo spazio occupato da un atomo in un milione di cellette e poi ogni celletta in un milione di parti, solo una di queste ultime è occupata da materia, tutte le altre sono vuote! E poiché tutto sulla terra è fatto di atomi, ciò vuol dire che il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti, sono composti da una quantità di spazio vuoto un milione di milioni di volte maggiore dello spazio occupato dalla materia che percepiamo come tale. Aristotele era dunque veramente in errore: la materia è essenzialmente composta dal vuoto. L'unica ragione per cui il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti ci sembrano cosi solidi e impermeabili, è perché tali quantità infinitesimali di materia sono tenute insieme da forze che agiscono come invisibili ma potentissime molle. In conclusione, le domande fondamentali che dobbiamo porci per imparare a conoscere il mondo che ci circonda sono:
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L'elettrone | ||||||||||||||||||||
Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un solo grammo di materia! La sua massa è infatti:
La scoperta degli elettroni, nel 1897, da parte di J.J. Thompson, ha messo in evidenza per la prima volta l'esistenza delle particelle elementari, o meglio la natura non continua della materia. |
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Il protone | ||||||||||||||||||||
Il protone è, insieme al neutrone, uno dei due costituenti del nucleo atomico. Il protone è molto più pesante dell'elettrone; la sua massa è infatti circa 2000 volte quella dell'elettrone.
Questa grandezza [fm] viene chiamata fermi dal nome del grande fisico italiano Enrico Fermi, ed è spesso usata per le misure atomiche e subatomiche. Per ottenere un fermi dobbiamo dividere un metro in un miliardo di parti, poi dividere quanto ottenuto in un milione di parti! Il protone viene comunemente abbreviato con il simbolo “p”, e la sua carica elettrica è uguale a quella dell'elettrone ma ha segno opposto, ovvero è positiva:
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Il neutrone | ||||||||||||||||||||
Il neutrone è, insieme al protone, uno dei 2 costituenti del nucleo atomico. La massa del neutrone è di circa 10% maggiore a quella del protone. Il raggio del neutrone è come quello del protone.
Il neutrone viene comunemente abbreviato con il simbolo “n”, e non possiede carica elettrica, ovvero è una particella elettricamente neutra. Nel 1930, W. Bothe e H. Becker osservarono l'emissione di radiazione neutra mentre bombardavano con particelle alfa (nuclei di elio) un bersaglio di berillio. Nel 1932, Chadwick, sulla base dei risultati di alcuni esperimenti da lui eseguiti su questa nuova radiazione, constatò che questa non poteva essere radiazione elettromagnetica (fotoni), ma particelle neutre (cioè con carica elettrica nulla) di massa circa uguale a quella del protone; il neutrone. Come riconoscimento per i risultati ottenuti con le sue ricerche, Chadwick fu insignito del premio Nobel per la fisica nel 1935. |
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Nota: É interessante notare come le caratteristiche elettriche intrinseche di questi tre tipi di particelle subatomiche costituenti dell'atomo siano in relazione con quanto Swami Sri Yukteswar cita a proposito dei tre guna. |
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I quark | ||||||||||||||||||||
Come abbiamo già accennato, negli anni '60 i fisici dimostrarono che il protone e il neutrone sono entrambi composti da particelle più piccole: i quark. Protone e neutrone sono composti da due varietà di quark chiamati "up" e "down". Il protone è composto da tre quark, per l'esattezza due quark up e un quark down. Ogni quark up trasporta una quantità di carica elettrica positiva pari a due terzi della carica di un elettrone (ma di segno opposto. Ogni quark down trasporta una quantità di carica negativa, di grandezza pari a un terzo della carica dell'elettrone. Quindi, la carica complessiva del protone è unitaria e positiva
Anche il neutrone è composto da tre quark, per l'esattezza due quark down e un quark up. Quindi, la carica elettrica complessiva del neutrone è nulla
I costituenti fondamentali, i mattoni ipotizzati dai greci di cui tutto il mondo intorno a noi è costituito, sono finalmente stati identificati ? Forse, ma sicuramente non sono soltanto elettroni e quark up e down! Nel 1956, i fisici F. Reines e C. Cowan scoprirono un'altra particella indivisibile: il neutrino, che peraltro era già stato previsto qualche anno prima dal fisico teorico W. Pauli. Esperimenti successivi hanno mostrato che il quadro dei costituenti fondamentali della materia non è ancora completo: esistono infatti altri tipi di quark oltre a quelli up e down. Non solo: esistono altre particelle simili all'elettrone e al neutrino. Oggi i fisici hanno sperimentalmente dimostrato l'esistenza di tre famiglie di particelle elementari del tutto simili tra loro, tranne che per le masse. Queste particelle, raggruppate in tre famiglie, sono alla base del modello teorico denominato Modello Standard, che necessiterebbe di un percorso ad esso dedicato per essere descritto, ma và forse un po' oltre gli scopi di queste righe. Per chi fosse comunque interessato se ne può trovare una descrizione esauriente ed in forma semplice ai link sottostanti http://www.infn.it/multimedia/particle/paitaliano/startstandard.html http://scienzapertutti.lnf.infn.it/P5/sm_new.html ....ma, forse, la storia ancora una
volta non è finita! |
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La meccanica quantistica ha mostrato che tutte queste sorprendenti proprietà degli atomi derivano dalla natura ondulatoria dei loro elettroni. Per prima cosa, l'aspetto solido della materia è una conseguenza di un tipico « effetto quantistico » collegato al comportamento duale onda-particella della materia, una caratteristica del mondo subatomico che non trova l'analogo nel mondo macroscopico. Ogni volta che una particella è confinata in un piccolo spazio, essa reagisce a questa limitazione agitandosi dentro, e tanto più piccola è la regione in cui è confinata, tanto più velocemente la particella vi si muove. Nell'atomo allora sono presenti due forze antagoniste. Da una parte, gli elettroni sono legati al nucleo da forze elettriche che cercano di trattenerli il più vicino possibile. Dall'altra, essi reagiscono a questa limitazione ruotando vorticosamente, e quanto più strettamente sono legati al nucleo, tanto più alta sarà la loro velocità; di fatto, il confinamento degli elettroni all'interno di un atomo porta a velocità enormi, di circa 900 chilometri al secondo!* Queste alte velocità fanno sì che l'atomo appaia come una sfera rigida, proprio come avviene per un'elica in rapida rotazione la quale appare come un disco.
É molto difficile comprimere ulteriormente gli atomi e ciò dà alla materia l'aspetto solido familiare. Il nucleo atomico è circa una decina di migliaia di volte più piccolo di tutto l'atomo, eppure ne contiene quasi tutta la massa. Ciò significa che la materia all'interno del nucleo deve essere estremamente densa rispetto ai tipi di materia che noi conosciamo. In effetti, se tutto il corpo umano fosse compresso fino a raggiungere la densità del nucleo, non occuperebbe più spazio di una capocchia di spillo. Questa elevata densità, tuttavia, non è l'unica proprietà insolita della materia nucleare. Avendo la stessa natura quantistica degli elettroni, i « nucleoni », come spesso vengono chiamati protoni e neutroni, reagiscono al loro confinamento muovendosi ad alta velocità, e poiché sono compressi in un volume molto più piccolo, la loro reazione è molto più violenta. Essi scorrono nel nucleo con velocità di circa 60.000 chilometri al secondo!* La materia nucleare è quindi un tipo di materia completamente differente da qualsiasi cosa appaia "quassù", nel nostro ambiente macroscopico.
Questa contraddizione dette origine alla maggior parte dei paradossi di tipo koan che infine condussero alla formulazione della teoria dei quanti. L'intero processo ebbe inizio quando Max Planck scoprì che l'energia della radiazione termica non è emessa in maniera continua, ma si presenta sotto forma di « pacchetti di energia ». Einstein chiamò « quanti » questi pacchetti di energia e riconobbe in essi un aspetto fondamentale della natura. Egli fu tanto ardito da postulare che la luce e tutte le altre forme di radiazione elettromagnetica possono presentarsi non solo come onde elettromagnetiche ma anche sotto forma di quanti. I quanti di luce, che dettero il nome alla meccanica quantistica, sono stati in seguito accettati come particelle vere e proprie e ora vengono chiamati fotoni. Ma si tratta di particelle di tipo speciale, prive di massa e sempre in moto alla velocità della luce.
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L'atomo - Un punto di vista filosofico-religioso | ||||||||||||||||||||
Riporto alcuni passi da "La Scienza Sacra", finito di scrivere nel 1894 da Swami Sri Yukteswar. Questo conciso, ma allo stesso tempo, immenso volumetto ebbe origine per il volere di Babaji, lo yogi immortale Guru di Lahiri Mahasaya, che al Kumbha Mela che si tenne nel Gennaio del 1894 ad Allahabad fece in modo di incontrare Sri Yukteswar e di dargli questo incarico, da lui stesso definito "erculeo" nella introduzione del libro. La Scienza Sacra si propone di mettere in evidenza la fondamentale armonia insita in tutte le religioni e di favorirne l'unione. Siccome l'esposizione grafica potrebbe non risultare di immediata comprensione vorrei introdurre alcuni chiarimenti per facilitarne la lettura: i vari sutra sanscriti, che sono l'essenza e la sostanza del libro originale, sono riportati assieme alla loro traduzione all'interno delle tabelle con bordo blu scuro. Seguono, in verde, i rispettivi commenti. Le citazioni della Bibbia e dei Vangeli, che compaiono tra i trafiletti dorati, sono anch'essi parte del libro e sono posti nella sequenza originale. L'argomento può non essere immediato e necessitare di più di una rilettura, ma mi auguro che l'esposizione che segue sia, alla fine, il più comprensibile possibile.
Perché non riusciamo a comprendere Dio:
Prakrti, ovvero la Natura di Dio.
Il Verbo, Amen (OM), è il principio della Creazione.
Gli Atomi sono il trono dello Spirito Creatore.
Kutastha Caitanya, lo Spirito Santo, il Purusottama.
Citta il Cuore; Ahamkàra, l'Ego, il figlio dell'uomo.
Panca Tattva, le Cause Originarie della creazione, costituiscono il corpo causale.
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Respirazione cellulare e particelle subatomiche | |||
L'esecuzione del prānāyāma implica indubbiamente, a livello fisico, un profondo processo respiratorio. Lasciando per un attimo da parte tutte le implicazioni spirituali che le varie tecniche di kriya prānāyāma portano con sé, volevo andare a fare un'analisi più approfondita di ciò che è l'intero processo respiratorio da un punto di vista biochimico. Siccome questo comporta il discendere nell'infinitamente piccolo in quanto si deve andare a ragionare su base molecolare, per cercare di essere il più possibile chiaro e comprensibile cercherò di partire da un poco prima ancora delle molecole e cioè dai suoi costituenti primari: gli atomi. In una sezione precedente di questa pagina questo argomento è stato già trattato al fine di tentare dei paragoni con alcune teorie proprie del Kriya, e per chi non ha nozioni di base di questi elementi è consigliabile farsene un'idea generale prima di proseguire oltre. Questo perché, come si vedrà nell'analisi della respirazione cellulare, alcune particelle subatomiche come elettroni e protoni vengono coinvolte in quanto tali nel processo di respirazione. Averne quindi una conoscenza di massima come carica elettrica e dimensioni credo possa essere utile ai fini di una piena comprensione ed una maggior consapevolezza. |
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Il mondo intorno a noi: gli atomi | |||
Il mondo intorno a noi e l'intero Universo sono popolati da una grande diversità di materiali e forme di materia, ma sorprendentemente questa grande varietà di materia è composta da pochi e relativamente semplici mattoni fondamentali. La parola fondamentale e/o elementare sarà una parola chiave lungo tutto il nostro percorso di esplorazione dell'infinitamente piccolo. Per mattoni fondamentali intendiamo oggetti privi di una struttura interna, ovvero oggetti che a loro volta non possono essere scomposti in entità più piccole. L'idea dell'esistenza di tali entità fondamentali risale al tempo dell'antica Grecia, ai filosofi greci Leucippo e Democrito nel V secolo avanti Cristo. Essi credevano che tutta la materia dell'Universo fosse fatta di piccolissimi mattoni indivisibili che essi chiamarono atomi, (che in greco significa appunto "non divisibile") separati dal vuoto. Aristotele, invece, sosteneva che "la natura aborre il vuoto" e immaginava che la materia fosse indefinitamente divisibile in parti sempre più piccole. L'opinione di Aristotele prevalse, e l'ipotesi dell'atomo fu quasi completamente dimenticata per più di duemila anni. Per più di duemila anni, quindi, l'idea di Aristotele ebbe quindi la meglio; ma a partire dal diciottesimo secolo gli scienziati, con una serie di scoperte che hanno dato origine alla chimica moderna, hanno dimostrato che tutte le sostanze sono scomponibili in piccolissimi costituenti corpuscolari, troppo piccoli per essere osservati con le tecniche dell'epoca. Seguendo la tradizione greca i chimici chiamarono tali costituenti atomi. Questa denominazione ebbe successo: i vari elementi chimici vennero catalogati in gruppi che mostravano proprietà simili, e da questo procedimento derivò la Tavola Periodica degli Elementi. In seguito, i fisici dimostrarono che gli atomi identificati dai chimici erano divisibili. Nelle decadi tra Ottocento e Novecento diversi brillanti esperimenti mostrarono che gli atomi sono composti da un piccolo e denso nucleo centrale di carica elettrica positiva intorno al quale sono in costante moto particelle di carica elettrica negativa, chiamati elettroni. Nuclei ed elettroni si combinano in diversi modi, tali da determinare le diverse proprietà chimiche osservate. Per un certo tempo, i fisici pensarono che gli elettroni e il nucleo fossero gli atomi dei greci, le particelle elementari di cui tutta la materia è composta. Avevano solo parzialmente ragione; infatti, mentre l'elettrone è ancora oggi ritenuto indivisibile, nuovi esperimenti mostrarono che il nucleo atomico non è una particella fondamentale.
No, poiché anche il nucleo ha una struttura interna: esso è composto da particelle con carica elettrica positiva, chiamate protoni, e da particelle prive di carica elettrica, chiamate neutroni. Protoni e neutroni sono genericamente chiamati nucleoni, in quanto, appunto, costituenti del nucleo atomico.
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Oltre l'atomo: le molecole | ||||||||||
Non è lo scopo di questi paragrafi fare una approfondita trattazione fisico-chimica della materia nella sua essenza, ma si vorrebbe dare solo un'idea di massima della natura e degli ordini di grandezza che sono in gioco in tutte le cose che ci circondano e soprattutto in noi stessi, che ne siamo consapevoli o meno. Inoltre è importante avere queste conoscenze di base, che si imparano nei primi anni di scuola superiore, per poi riuscire a capire i processi che avvengono nelle cellule durante la respirazione, cioè di continuo durante tutto l'arco della nostra vita. Per una persona interessata allo yoga questi possono essere particolari di una certa importanza ancorché non strettamente basilare. Abbiamo quindi visto brevemente quali sono i costituenti di base di tutta la materia che possiamo percepire con i nostri sensi fisici: gli atomi e le particelle sub-atomiche che lo compongono. In realtà i risultati sperimentali nel campo della fisica di questo ultimo secolo hanno evidenziato l'esistenza di molte altre particelle e relative famiglie di appartenenza (per esempio i quark di cui abbiamo visto solo due tipi ma che in realtà sono stati osservati in sei tipologie con differenti proprietà), ma altra è la direzione cui dobbiamo tendere per lo scopo in oggetto. Stabiliti i costituenti fondamentali della materia, esattamente gli stessi per qualsiasi tipo di materia, viene da chiedersi che cosa sia a fare sì che la natura di quanto ci circonda appaia in realtà così differente dai suoi costituenti che sono invece sempre le esatte copie degli stessi, qualsiasi sia l'oggetto o la persona di cui fanno parte. É il modo in cui gli atomi si combinano fra loro a generare la molteplicità. La materia è formata da particelle elementari chiamate atomi ed in natura ne esistono un centinaio di tipi; ognuno di essi ha struttura e proprietà differenti che sono determinati dal numero di protoni, neutroni ed elettroni presenti in esso. Quando gli atomi si combinano fra loro si generano delle molecole che possono essere costituite da atomi tutti uguali fra loro formando quelle che vengono definite sostanze semplici, mentre le molecole costituite da atomi diversi sono caratteristiche delle sostanze definite composte. Per esempio l'ossigeno, elemento di cui non possiamo fare a meno per più di un paio di minuti, non si presenta, nell'aria, in forma di atomi ma di molecole combinate in due atomi di ossigeno. Questa molecola viene comunemente indicata con il simbolo
ad indicare l'elemento ossigeno
combinato, appunto, in due atomi tenuti insieme tra di loro
da un legame chimico. Se ci dovesse capitare di fare
prānāyāma (ma anche solo di respirare normalmente) in una
camera piena di atomi di ossigeno oppure, peggio, di
molecole di ossigeno composte da tra atomi (l'ozono) ci
porterebbe in pochi minuti a fare l'esperienza, credo non
desiderata, del mahasamādhi.
Se l'ossigeno, nella sua forma molecolare, è definito una sostanza semplice, l'acqua, altro elemento di cui non possiamo fare a meno per più di qualche giorno, è definito una sostanza composta, in quanto è costituita da due atomi di Idrogeno ed uno di Ossigeno, combinati insieme a formare una molecola indicata con il noto simbolo
L’aria che respiriamo non è una sostanza semplice, un’unica sostanza chimica composta da un solo elemento, ma un miscuglio di gas e di microscopiche particelle solide e liquide. I due componenti principali sono l’azoto, nella sua forma molecolare N2 , che ne costituisce quasi i quattro quinti (78,08 %) e l’ossigeno, anch'esso nella sua forma molecolare O2 , che ne rappresenta poco più di un quinto (20,94 %). Il primo è un elemento base delle proteine, cioè dei costituenti fondamentali di ogni vivente ed una parte dell’azoto atmosferico è resa disponibile per i vegetali grazie all’azione di determinati batteri del suolo, gli azotofissatori; il secondo è il componente chimicamente attivo dell’aria perché è essenziale per la respirazione dei vegetali e degli animali e per le combustioni. L'azoto che è il costituente fondamentale del protoplasma animale, non prende parte al ricambio respiratorio e sembra avere nell’aria, solo la funzione di diluire l'ossigeno nella proporzione più adatta alla respirazione. Non è stato finora dimostrato un assorbimento diretto dell’azoto atmosferico da parte dei nostri tessuti, mentre sappiamo che, ad opera di microbi nitrofissatori, esso viene fissato sotto forma di composti semplici dalle piante, le quali possono da questi sintetizzare le proteine. In tal modo, tramite i vegetali, l'azoto dell’atmosfera può essere reso assimilabile dagli organismi animali. L'ossigeno che si trova nell’aria, è un elemento indispensabile alla vita. I batteri anaerobi sembrano fare eccezione a questa legge, ma, in effetti, anch'essi utilizzano ossigeno che ricavano da sostanze che sono in grado di decomporre. L'organismo umano, esige quantità importanti di ossigeno. Con l'aumentare dell’altitudine si ha una diminuzione della tensione parziale di questo gas, il che condiziona l'insorgenza di fenomeni di ipossia (mal di montagna); ma anche variazioni in senso opposto possono provocare nell'uomo disturbi detti da iperossia, cioè un aumento della concentrazione di ossigeno nel corpo, specie nel sangue. L'ossigeno si trova nell’aria anche allo stato allotropico di ozono O3; questo si forma soprattutto per azione delle scariche elettriche nell’atmosfera durante i temporali. In media l'ozono si ritrova in quantità di 1-5 mg per ogni 100 m3 d'aria, la sua proporzione aumenta con l'altitudine. L'aria delle foreste e delle montagne ne è più ricca di quella delle pianure e durante la primavera se ne hanno quantitativi maggiori che in autunno e in inverno. Vi sono poi i gas rari: argon, neon, elio, cripto, xeno, in ragione complessiva dello 0,94 %, e l’anidride carbonica, o diossido di carbonio, costituita da una molecola composta da un atomo di carbonio e due di ossigeno, che rappresenta solo lo 0,03 %, ed il cui simbolo è
Pur se presente in percentuali molto
piccole, svolge un ruolo vitale fondamentale, infatti le
piante verdi assorbono l’anidride carbonica e la combinano,
nel processo di fotosintesi, con l’idrogeno dell’acqua per
produrre le sostanze nutritive necessarie alla loro
esistenza e, di conseguenza, anche alla vita di tutti gli
animali, liberando, nel contempo ossigeno.
Inoltre l’anidride carbonica è un importante regolatore
della temperatura della Terra perché è trasparente ai raggi
solari, ma assorbe la radiazione termica emessa dalla
superficie terrestre, rendendo più difficile la dispersione
dell’energia nello spazio.
L’anidride carbonica ha una forte variabilità stagionale; la
caduta delle foglie d’inverno fa salire la quantità di
anidride carbonica, mentre in primavera l’aumento
dell’attività di fotosintesi clorofilliana nei vegetali sottrae anidride carbonica
all’atmosfera. |
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Le Cellule | ||||||||||
Le cellule sono le unità fondamentali della vita; le più piccole entità definibili vive. La cellula possiede la capacità di mantenere al proprio interno condizioni chimico-fisiche diverse dall'ambiente circostante: di fatto è un vero, piccolo ma potentissimo, laboratorio chimico all'interno del quale si susseguono continuamente reazioni che stanno alla base del metabolismo vitale; è perciò necessario che l'ambiente all'interno del quale si svolgono tali reazioni mantenga tutte le condizioni chimiche e fisiche indispensabili per una corretta attività. Tra le attività metaboliche più comuni troviamo l'acquisizione di energia, l'utilizzo di questa per mantenere le condizioni chimiche ottimali all'interno della cellula stessa e la sintesi di molecole organiche necessarie per la crescita e per la riproduzione. Gli esseri viventi possono essere costituiti da una singola cellula come nel caso dei batteri, lieviti o alghe nel regno vegetale, oppure costituiti da più cellule, meglio detti multicellulari. Gli organismi multicellulari sono il risultato dell'evoluzione in riposta a difficoltà derivate dai limiti di crescita a cui una singola unità vitale può andare incontro in quanto l'eccessivo volume interno comporta un incremento delle distanze tra la membrana ed il nucleo, nonché una peggiore utilizzazione dei metaboliti interni. Per motivi fisiologici la cellula non può superare una certa dimensione: un aumento di diametro di n volte comporterebbe un aumento della superficie cellulare di circa n2 volte, con conseguente maggiore possibilità di scambi con l'esterno (sia in termini di nutrimento che di eliminazione dei rifiuti) ma anche un aumento del volume di n3 volte. Non essendo l'aumento della superficie cellulare proporzionale a quello del volume, quindi, una cellula troppo grande rischierebbe di morire per denutrizione o per uno smaltimento inefficiente dei prodotti di scarto. Le membrane di molte cellule sono ampiamente ripiegate per permettere un aumento della superficie di scambio senza un elevato incremento del volume interno (e quindi delle necessità). Le dimensioni della cellula variano da pochi micron ad alcune decine di micron. Tanto per farsi un'idea delle dimensioni e degli ordini di grandezza in cui ci stiamo muovendo facciamo alcuni brevi paragoni.
cioè un millimetro diviso in mille parti. Un atomo, inteso come nuvola elettronica ha una dimensione di circa 10-4 micron, cioè una divisione ulteriore del nostro millimetro in altre diecimila parti. Se avessimo una cellula di spessore uguale ad 1 micron, quindi molto piccola rispetto alle misure cellulari comuni, e potessimo rilevarne gli atomi, li vedremmo disposti all'incirca su diecimila strati ! E noi, o almeno la materia che ci compone, siamo senza alcun dubbio fatti così: ovviamente ad un livello molto più complesso, dinamico ed organizzato. Ottimo spunto per una "meditazione". Gli organismi multicellulari risultano quindi costituiti da numerose cellule originatesi da continue divisioni partite da una singola cellula di origine. In un individuo multicellulare tutte le cellule devono compiere le ordinarie operazioni di mantenimento ed inoltre ogni cellula possiede delle diverse competenze che apportano speciali contributi al corpo, ad esempio le cellule muscolari sono specializzate nella contrazione, le cellule nervose sono particolarmente efficienti nella produzione e nella ricezione di segnali chimici ed elettrici, in tal modo si viene a formare una specializzazione delle attività che stanno alla base della formazione di tessuti e organi differenti. Vediamo adesso di descrivere brevemente la struttura di una cellula e capire le funzioni dei suoi componenti. Le cellule posseggono tre porzioni principali:
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La Respirazione Cellulare | ||||||||||
Ogni organismo, una cellula batterica, una pianta, un pesce, l’uomo,… esiste per crescere e per fabbricare una copia di se stesso: un’unità autoduplicantesi. Ma una cellula ha bisogno di energia se deve solo crescere? Se non si muove, non pompa sangue, non solleva pesi,... non compie azioni che vengono comunemente considerate “lavoro”, meccanico o termico che sia. Una cellula che vive ha bisogno di energia per garantire, dal disordine del mezzo in cui si trova, un ordine chimico, cioè la sua struttura complessa ed altamente organizzata, in altre parole il suo metabolismo basale. Per fare ciò deve disporre di un serbatoio di energia. Nel corso dell’evoluzione gli organismi hanno sviluppato un’ampia varietà di metabolismi energetici con lo scopo di costituire riserve di energia sottoforma di adenosintrifosfato o ATP. Uno dei sistemi più efficaci per ottenere energia è la respirazione aerobica; è un processo esotermico (esoergonico) che consiste nella demolizione di sostanze organiche complesse come gli zuccheri. Esso è suddiviso in numerose reazioni parziali, rette ciascuna da almeno un enzima.
Siamo ora in possesso di tutte le informazioni elementari di base per cercare di comprendere il processo della respirazione oltre il "semplice" inspirare ed espirare; possiamo quindi cercare di capire anche il perché abbiamo necessità di respirare. Con il termine respirazione solitamente si intende il processo fisiologico macroscopico che consiste nella assunzione di O2 e nel rilascio di CO2 da parte di organismi multicellulari. In biochimica si usa il termine respirazione in senso microscopico per riferirsi ai processi molecolari che implicano consumo di O2 e formazione di CO2 da parte della cellula. La respirazione cellulare avviene in tre stadi principali.
Il primo gruppo di reazioni, di circa dieci tappe, è detto glicolisi (= scissione dello zucchero) e si svolge in assenza di ossigeno. Si tratta pertanto di un processo anaerobico (aerobiosi = vita in presenza di aria; anaerobiosi = vita senza aria) che va dal glucosio (C6H12O6) alla formazione di acido piruvico (CH3-COCOOH). L’acido piruvico, in tappe successive, viene demolito in CO2 e H2; infine l’idrogeno è ossidato dall’ossigeno atmosferico in H2O. Questo secondo gruppo di reazioni, noto come ciclo di Krebs, è un processo aerobico. La glicolisi comporta la liberazione di poca energia, mentre il ciclo di Krebs libera la maggior parte di energia contenuta inizialmente nello zucchero. Del totale una parte è degradata in calore, mentre la rimanente viene utilizzata per la formazione dell’adenosintrifosfato (ATP) per aggiunta di un radicale fosforico (P) all’adenosindifosfato (ADP). Dato che quest’ultimo processo (endoergonico) avviene soprattutto dall’energia ottenuta dal ciclo di Krebs, in presenza di ossigeno, viene detto “fosforilazione ossidativa”. La reazione globale è una ossidazione completa del glucosio ad opera di O2 che forma CO2, H2O ed energia come una normale combustione. Solo una parte dell’energia liberata viene trasformata in energia chimica sotto forma di ATP. In totale si ottengono 38 ATP per ogni molecola di glucosio.
Si ottengono quindi 38 · 7,3 = 277 Kcal/mole. Questo rappresenta un’efficienza del 40%, infatti la variazione di energia libera per questa reazione è:
e il 40% di 686 è 277. La reazione esotermica riassume la demolizione dello zucchero che avviene attraverso la glicolisi anaerobica e il ciclo di Krebs. L’energia liberata viene immagazzinata attraverso la reazione endotermica di formazione di ATP a partire dall’ ADP. Una mole di zucchero (960 grammi di glucosio) racchiude un’energia pari a 680 kcal (tanto calore quanto necessario per aumentare di oltre 50 °C la temperatura di 10 litri d’acqua); questa quantità di calore è quella che si otterrebbe bruciando alla fiamma quasi 1 kg di zucchero. Mediante il processo metabolico sopra esaminato, da una mole di zucchero si ottengono 38 moli di ATP racchiudenti, sottoforma di legame chimico, circa 288 kcal. Il rendimento di questa “macchina termica” è il modesto valore di circa il 40 %. Ciò significa che più della metà dell’energia liberata dalla demolizione dello zucchero viene “persa” sottoforma di calore. Si è calcolato però che nella cellula l’efficienza reale è circa del 70%, tenendo conto che le concentrazioni vere sono molto inferiori alle concentrazioni standard 1 M.
La respirazione aerobica è tipica della maggior parte degli
organismi e che, per tale motivo vengono detti aerobi, in quanto
la demolizione dello zucchero per ottenere energia è una sorta
di “combustione” che avviene in presenza di ossigeno.
Perché dopo un intenso lavoro i muscoli sono
indolenziti e si prova dolore? I muscoli sono
costituiti da cellule specializzate nel produrre
movimento (lavoro). Per fare ciò consumano energia,
quella che si ottiene dalla riserva energetica
adenosintrifosfato (ATP). La scissione ATP = ADP + P
+ E avviene velocemente; quindi si ottiene
immediatamente tutta l’energia necessaria per
compiere il lavoro. D’altra parte le cellule
muscolari producono ATP dalla demolizione dello
zucchero in modo continuo, anche quando lavorano
poco o nulla; in tal modo la riserva energetica è
abbondante nel momento del bisogno. Ma se il lavoro
è intenso e prolungato può succedere che venga
esaurita la riserva di ATP. Subentra la stanchezza,
ma diversamente dal motore che cessa di funzionare
per mancanza di benzina, seppure a ritmi più blandi,
le cellule muscolari continuano invece a funzionare.
Come è possibile? Sarebbe un errore pensare che lo
zucchero venga velocemente demolito per ottenere
nuova energia e quindi nuovo ATP, in quanto, come
sopra visto, si tratta di un processo complesso e
quindi relativamente lungo, comunque non
sufficientemente veloce da mantenere il ritmo della
richiesta energetica. Succede allora che lo zucchero
subisce il processo di glicolisi anaerobica,
relativamente breve e capace di fornire un po’ di
energia, quella sufficiente a tamponare il deficit
dovuto allo sforzo eccessivo (la produzione dovuta
al complesso ciclo di Krebs non riesce a sostenere
la richiesta di energia). La conseguenza è un
accentuato accumulo di acido piruvico che le cellule
tollerano molto poco; esso viene pertanto
provvisoriamente trasformato in acido lattico,
responsabile del dolore muscolare. Successivamente,
in condizioni di riposo, l’acido lattico viene
trasformato nuovamente in acido piruvico che viene,
a sua volta, utilizzato nel ciclo di Krebs per
essere definitivamente demolito con ricostituzione
della riserva di ATP. Man mano l’acido lattico viene
consumato e il dolore muscolare svanisce. |
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Considerazioni finali | ||||||||||
Con l'ossidazione completa di una molecola di glucosio per formare CO2 e H2O, la respirazione cellulare produce ben 38 molecole di ATP (oppure 36 ATP nelle cellule dove è meno efficiente il sistema di trasporto dei due NADH prodotti dalla glicolisi dal citoplasma ai mitocondri). La glicolisi anaerobica, o fermentazione omolattica, produce solo 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio degradata e quindi è circa 20 volte meno efficiente della respirazione cellulare, ma è circa 200 volte più veloce, essendo un processo molto più semplice. La glicolisi anaerobica, quindi, produce una quantità circa 10 volte maggiore di ATP nell’unità di tempo. Per questo il muscolo scheletrico sotto sforzo intenso lavora in condizioni anaerobiche, in questo modo sviluppa più potenza, ma al prezzo di consumare più glucosio e soprattutto di accumulare acido lattico. Dopo uno sforzo violento il muscolo deve riposare per eliminare l’acido lattico prodotto. Questo, col flusso sanguigno, va nel fegato per essere trasformato ancora in glucosio. |
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Conclusioni | ||||||||||
É fin troppo chiaro che tutta la parte riguardante la respirazione cellulare risulta largamente incompleta e lacunosa dal punto di vista strettamente biochimico e al contempo al limite dell'incomprensibilità per persone non troppo affini con la scienza in oggetto o altre ad essa correlate. D'altra parte, cercando di riportare il discorso sull'argomento yoga, credo che non ci fosse troppa scelta: la respirazione ed i processi ad essa inerenti sono piuttosto complessi dal punto di vista chimico-molecolare. Credo che per chi pratica la disciplina dello yoga non sia strettamente necessario padroneggiare queste nozioni in modo eccessivamente specialistico ed una volta che se ne ha una visione generale è più che sufficiente. Piuttosto stupisce sempre notare il modo i cui il Divino Architetto concepisce le sue opere ed anche qualora si riesca a carpirne in parte i segreti rimangono sempre affascinanti le domande riguardo allo scopo di tutte queste mortali e transitorie meraviglie. Per quanto ci riguarda, come esseri viventi, respirare è una necessità e finché la nube gassosa che avvolge il nostro pianeta continuerà ad essere costituita in larga parte di azoto mescolato con una percentuale di ossigeno di poco superiore al 20 percento le nostre cellule, finché avremo vita, continueranno a richiedere molecole di ossigeno per "bruciare" glucosio allo scopo di immagazzinare energia nei nostri muscoli sotto forma di adenosintrifosfato o ATP. Che noi siamo o meno consapevoli di questo e qualora fossimo anche in buona forma, ogni volta che vorremo farci una corsetta ne attingeremo una parte ed il nostro fisico si occuperà poi automaticamente del ripristino energetico, al prezzo di un pò di fiatone, una mangiatina ed al limite un bel sonnellino; qualche dolorino muscolare i giorni successivi sarà appannaggio solo di coloro che sono veramente atletici e riescono a fare sforzi prolungati; dovranno solo attendere che l'eccessivo acido lattico prodotto venga nuovamente trasformato in acido piruvico per rientrare nel ciclo di Krebs ...e così via per produrre ancora nuova energia. É chiaro che senza energia la nostra vita materiale si fermerebbe immediatamente; se anche si decidesse di non muovere più nemmeno un dito, azione che implica un seppur minimo dispendio energetico, il cuore continuerebbe a pompare liquido sanguigno ad una pressione di 100-140 mm.Hg (praticamente il getto di una fontanella che, posizionata a terra, lancerebbe il liquido tra il metro ed il metro e mezzo di altezza!) e tutti gli altri organi interni a loro volta richiederebbero, per mantenerci in vita, la loro fetta di energia per far funzionare quel meraviglioso laboratorio chimico che è il corpo umano. E poi molecole che cedono i loro elettroni i quali vengono convogliati in flussi guidati da catene trasportatrici, spostamenti di protoni...tutto questo avviene costantemente dentro di noi, tutto questo fa parte di noi. Che ne siamo consapevoli o meno queste "reazioni nucleari" avvengono comunque, neanche fossimo un acceleratore di particelle. A questo proposito un Maestro Buddhista Birmano, Webu Sayadaw (1896-1977), dice in un suo aforisma:
Energia è quindi la parola d'ordine sia che siamo Yogi delle montagne, che con i nostri prānāyāma cerchiamo di convogliare il prana (forma di energia) in alto per raggiungere alte vette spirituali, sia che siamo uomini di modo, che per far funzionare tutti i nostri macchinari venderemmo l'anima al diavolo pur di non rimanere senza combustibile. Energia, in definitiva la medesima "sostanza" citata da Babaji quando, al Kumbha Mela del gennaio 1894 tenutosi ad Allahabad, incaricò un ancor giovane Sri Yukteswar di portare il seguente messaggio al suo Guru Lahiri Mahasaya:
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