Prologo Piccolo sulla sua piccola terra, l'uomo contempla l'universo del quale è a un tempo giudice e vittima W. H. Auden X ii termine universo nella




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Prologo ...Piccolo sulla sua piccola terra, l'uomo contempla l'universo del quale è a un tempo giudice e vittima... W.H. Auden x II termine universo nella dizione corrente sta a indicare il cosmo: una miriade di ammassi stellari e di galassie, inclusa quella che comprende il nostro sistema solare. Si ritiene che ci siano cento miliardi di galassie nell'universo, consistente ognuna in media di miliardi di stelle. Da recenti studi, le galassie si distinguerebbero in tre tipi: irregolari, a forma di spirale (come la Via Lattea, alla quale appartiene il nostro sistema solare) e a forma di ellisse. L'universo cerebrale al quale si riferisce il titolo di questo saggio ha in comune con quello cosmico il concetto di infinito. Tale termine indica non lo spazio dell'universo, ma l'elaborazione sconfinata del pensiero rinchiuso nello spazio angusto della scatola cranica di tutti gli individui della specie umana. Un evento esplosivo designato come “Big Bang” ha dato origine, secondo l'opinione oggi più avvalorata, all'inizio dell'universo cosmico. L'astrofisica Margherita Hack2 pone il quesito: “ ...la teoria del Big Bang poggia su tre solidi

pilastri: l'espansione dell'universo, la radiazione a tre gradi assoluti e le abbondanze cosmiche di deuterio ed elio. L'interrogativo seguito alla scoperta della radiazione cosmica, o fossile, è: come è stato possibile che da un Universo primordiale, altamente uniforme, si sia originato l'Universo attuale? ” Un interrogativo, questo, che non si pone sulla diversificazione delle specie viventi. D percorso a ritroso nel tempo ha permesso di ricostruire le fasi di sviluppo di tutti gli organismi che sono andati evolvendo e diversificandosi in un numero immenso di specie presenti ed estinte. Come dalla materia inanimata si è pervenuti alla materia organica e da questa alla formazione di quello stupendo congegno che è il cervello dell'Homo sapienti Per millenni l'uomo ha ritenuto che le sue facoltà mentali fossero un dono divino che gli conferiva la supremazia e il dominio su tutti gli altri esseri viventi. Questa convinzione si sarebbe infranta quando, nella seconda metà del secolo scorso, Darwin concepì la teoria nota come evoluzionistica, che avrebbe refutato il concetto di un universo organico statico in un altro altamente dinamico e avrebbe allo stesso tempo prospettato l'idea che tutti gli organismi viventi abbiano avuto origine da un'unica forma ancestrale, in aperto contrasto con la dominante teoria del creazionismo, affermando che “ ...dalle scimmie del Vecchio Mondo... in un periodo remoto procedette l'Uomo, prodigio e gloria dell'Universo ”. Tale affermazione non era tuttavia basata sulla conoscenza dell'organo cerebrale al quale si sarebbe in seguito riconosciuto il possesso di quelle qualità che giustificano la definizione di Darwin.

L'immenso patrimonio di conoscenze e lo sviluppo di nuove tecnologie che si sono andate accumulando, a ritmo sempre più frequente, negli ultimi due secoli, hanno permesso di delineare l'origine e l'evoluzione del sistema nervoso in organismi appartenenti a classi degli invertebrati e dei vertebrati e i processi evolutivi che hanno caratterizzato l'aumento in volume e in proprietà funzionali del cervello dei nostri predecessori, da quelli più arcaici appartenenti al genere ddl'Austmlopithecus fino ai suoi discendenti. La storia dell'uomo e della sua evoluzione, avvenuta in un tempo estremamente breve in termini geologici, è di eccezionale interesse anche a prescindere dal suo alto contenuto emotivo. Il neurobiologo Eric KandeP definisce la mente umana come l'ultimo grande mistero e la considera la grande sfida della biologia del terzo millennio: “ ...come la cosmologia si chiede quale sia la struttura dell'universo, le neuroscienze cognitive si domandano quale sia la struttura della mente ”. Il problema che da secoli l'uomo si pone, e cioè quello di comprendere il rapporto fra cervello e mente, oggi si avvale non soltanto delle conoscenze neurologiche pregresse, ma anche dell'apporto dell'utilizzo di congegni elettronici atti a simulare le funzioni svolte dall'organo cerebrale, con il ricorso a sistemi computazionali che risolvono problematiche considerate in passato esclusivo appannaggio della mente umana. Il compito che si prefigge questo saggio non è soltanto quello di portare a conoscenza il lettore del rapporto fra l'or-

gano cerebrale e la mente, ma di renderlo consapevole delle facoltà in suo possesso nella gestione del proprio comportamento. L'importanza di recepire queste informazioni negli anni nei quali il cervello è immaturo, dall'infanzia all'adolescenza, periodo nel quale esso gode della massima plasticità rispetto ai messaggi che gli pervengono, assume un valore fondamentale nella formazione mentale dell'individuo adulto. La conoscenza dei circuiti cerebrali oggi in nostro possesso è una condizione necessaria per pervenire alla comprensione della mente. Questa proprietà è la suprema conquista della materia vivente, alla quale l'Homo sapiens deve il privilegio di scalare le vette del bene, la tragica possibilità di sprofondare in quelle del male e di riuscire a emergere dagli abissi della sofferenza a fronte alta. Come espresso da Jacques Monod:4 “ L'uomo sa di essere solo nell'immensità indifferente dell'Universo da cui è emerso per caso. Il suo dovere come il suo destino non è scritto in nessun luogo. A lui la scelta tra il Regno e le Tenebre”.

Ab ìnitio: fiat “ In una polla di fango bollente, nelle solfatare vulcaniche, nelle paludi putride o nelle sterminate distese salate. In questo inferno è nata la vita. La biologia cellulare ne ricostruisce l'albero. ” L'origine della vita è stata così definita dal biologo molecolare Piero Cammarano.5 In base a reperti fossili si calcolava, sino a periodi molto recenti, che la vita sul nostro pianeta risalisse a circa tre miliardi di anni fa, a un periodo valutato intorno a un miliardo e mezzo di anni dopo la formazione del globo terrestre. Recenti scoperte hanno datato l'orìgine della vita a periodi più arcaici di quelli rivelati dai giacimenti fossili. Quali composti organici primordiali presenti nel brodo prebiotico avrebbero dato origine alle proteine e agli acidi nucleici? Sin da quando il problema è stato sollevato ci si è chiesti quale di quelle due macromolecole si sarebbe formata per prima. Entrambe esercitano un'attività strettamente dipendente l'una dall'altra. Gli acidi nucleici sono alla base della replicazione e le proteine, dotate di attività catalitica, sono

essenziali sia per la sintesi degli acidi nucleici sia per la formazione stessa dei componenti organici. Come è stato detto ci si trova di fronte al problema “ dell'uovo e della gallina ”. Questo problema, considerato irrisolvibile, ha avuto una insperata possibilità di soluzione con i recenti studi di Cech 6 e Altman:7 tali ricerche hanno infatti dimostrato che l'attività enzimatica, ritenuta in passato proprietà esclusiva delle sostanze proteiche, è invece esplicata anche da alcune molecole formate esclusivamente da RNA (dotato di proprietà catalitiche) e chiamate ribozimi per distinguerle dagli enzimi di natura proteica. Le tecniche molecolari di questi ultimi decenni hanno permesso inoltre di rivedere le teorie universalmente accettate dei rapporti fra gli organismi che si riteneva avessero avuto origine ai primordi della vita. In un primo schema si ipotizzava che la vita avesse avuto origine dagli organismi più semplici che ancora oggi popolano tutti i settori del globo terrestre e cioè i procarioti (bat-teri). Da questi si sarebbero originati organismi molto più complessi, gli eucarioti (protozoi, funghi, piante e animali). Come osserva P. Cammarano,8 tale ipotesi tuttavia teneva conto soltanto della complessità organica degli eucarioti e non della loro costituzione primordiale.

EUCARIOTI Oliati Funghi

Batter! Batter! Batter* verdi \ \ / Gfam- non sulfurei \ IX^- Piante positivi

ARCHEOBATTER1 Fig. 1 - Albero filogenetico “ privo di radice ” (dendrogramma) desunto dal confronto delle sequenze dell'RNA ribosomiale 16S (un RNA non traducibile presente, insieme a circa 20 diversi tipi di proteine, nella sottounità più piccola del ribosoma [adattato da P. Cammarano, nota 8]). Un secondo schema prospettava uno scenario evolutivo nel quale procarioti ed eucarioti si sarebbero originati da due linee cellulari primigenie diversificatesi all'inizio della vita cellulare. Nel 1977, Karl Woese9 e George Fox, prospettarono l'origine e lo sviluppo di un albero filogenetico a tre rami e senza radici in cui tutti gli organismi rientravano in tre do-

mini: gli eubatteri (bacteria), gli archeobatteri (archea) e gli eucarioti (eucaria). Questi tre rami sono equidistanti e nessuno di loro precede temporaneamente gli altri due. Il marcatore utilizzato da Woese in questa scoperta è l'RNA riboso-miale, che ha messo in evidenza una complessità molecolare non dissimile da quella presente in tutti gli organismi oggi viventi. In un recente articolo Cammarano ha definito la scelta di Woese e Fox “ cronometro molecolare (o sonda filogenetica) che rappresenta la stele di Rosetta dell'evoluzione”. I due autori hanno potuto ricostruire l'origine dell'albero filogenetico adottando nuove metodiche basate sul clonaggio dei geni e sulla determinazione delle loro sequenze nucleotidi-che. Questi dati non erano disponibili ai ricercatori precedenti che si erano dovuti limitare alla mera analisi dei caratteri fenotipici. L'albero di Woese (dendrogramma), a tre rami e senza radici, faceva rientrare tutti gli organismi viventi in tre settori derivanti da un progenitore comune, il LUCA (Last Universal Common Ancestor), il quale, a sua volta, doveva essere un procariote ipertermofilo. Il ramo rappresentato dagli archeobatteri comprendeva una varietà di procarioti definiti “ estremofili ”, in quanto dotati della proprietà di vivere in condizioni estreme quali dovevano essere quelle presenti nel globo terrestre. Il terzo schema differiva dal secondo soltanto nell'ipotiz-zare tre e non due linee evolutive. Caratteristica degli archeobatteri, identificati in sorgenti calde suboceaniche, è la loro possibilità di sopravvivere in ambienti ipertermofili. Si è ipotizzato che la loro presenza in periodi arcaici datati 3 miliardi e 800 milioni di anni fa sia da attribuire al fatto che, in quanto ipertermofili, essi

Fìg. 2 - Rappresentazione dello scenario evolutivo comunemente accettato fino al 1977. Si assumeva che gli eucarioti si fossero sviluppati dai procarioti in epoca relativamente recente dell'evoluzione cellulare. *"

ARCHE06ATTERI EUCARIOT

Animali -

EuflarchMII

Creircheotl '"'•' ¦¦--)¦ ¦ Wolih

Fig. 3 - Albero filogenetico universale “con radice” (vedi Fig. 1). abbiano potuto sopravvivere a condizioni climatiche inaccettabili da organismi quali i mesofili. Woese e altri evoluzionisti ritengono che gli archeobatteri vivessero in un ambiente ostile e caldissimo molto simile alle sorgenti termali del Parco Nazionale di Yellowstone. In questo ambiente si sono potute identificare, tra il 1994 e il 1996, ben 32 nuove sequenze di RNA ribosomiale presenti in differenti specie di archeobatteri. Inoltre molti degli organismi dell'albero di Woese sono autotrofi: il loro metabolismo è basato su composti inorganici, quali l'anidride carbonica e l'idrogeno solforato. I domini degli archeobatteri e degli euca-rioti avrebbero avuto, secondo queste ipotesi, un passato in comune (nel sistema di trascrizione dei geni e nelle diverse proteine ribosomiche), ma queste tracce sono assenti nel dominio dei batteri.

L'importanza di questa scoperta è triplice: aver fissato l'origine della vita a un periodo datato a

700 milioni di anni prima di quello desunto dai re

perti fossili; aver messo in evidenza che la materia oggi vivente ri

sale non a due ma a tre domini; l'ipotesi che i procarioti, appartenenti al dominio de

gli archeobatteri ipertermofili, ancora oggi esistenti,

possano rappresentare i primi organismi viventi del

globo terrestre. Il risultato di eccezionale interesse della scoperta di Woese è stata la rivelazione dello schema che comprendeva una varietà di procarioti. Il fisiologo Christian De Duve,ll in una recente trattazione sulla nascita della cellula eucariote, afferma che “ attualmente queste cellule sono rafforzate da strutture... che consentono loro di muoversi e di azionare il traffico interno. Nei procarioti non si trovano equivalenti delle molte proteine che costituiscono questi sistemi. Lo sviluppo del sistema citoscheletrico deve quindi aver richiesto un gran numero di sostanziali innovazioni. Nulla si sa di questi eventi evolutivi chiave tranne che, con tutta probabilità, essi hanno accompagnato l'ingrandimento della cellula e l'espansione della membrana... La scienza sta cominciando a sollevare il velo che nasconde questa fondamentale trasformazione, senza la quale la maggior parte del mondo vivente, compresi gli esseri umani, non esisterebbe”. Prima di questi nuovi sviluppi molecolari, le sole informazioni delle quali ci si poteva awalere erano basate sui ri-

trovamenti fossili. I più antichi scoperti in sedimenti del periodo Precambriano nel Transvaal, in Sudafrica, nelle formazioni stratificate di Fig Tree, risalirebbero a 3 miliardi e 200 milioni di anni fa. La scoperta di questi fossili, da parte del paleobotanico E.S. Barghoon12 e collaboratori, dimostrò che non sono dissimili dai batteri attualmente viventi. Altre formazioni, ritrovate negli stessi giacimenti e di pari età geologica, sono di struttura sferica e si reputa che corrispondano ad alghe blu-verdi, simili anche queste a forme attuali. Sia i batteri sia le alghe primordiali sarebbero stati dotati di attività fotosintetica. La liberazione di ossigeno derivato dai processi fotosintetici avrebbe iniziato una nuova efa geologica e biologica nella storia della Terra. E tuttavia importante tenere presente che queste formazioni fossili non rappresentano il primo, ma il secondo stadio di transizione dall'evoluzione chimica a quella organica. Altre formazioni fossili del tutto simili a quelle più arcai-che, ma molto più numerose e diversificate, erano state scoperte in sedimenti rocciosi del periodo Precambriano nel-l'Ontario, in Canada, e denominate Formazioni di Gunflint. La loro datazione dimostra che risalgono a circa 2 miliardi e 360 milioni di anni fa, e cioè sarebbero di circa un miliardo di anni posteriori a quelle ritrovate nel Transvaal. A differenza delle precedenti, quelle dell'Ontano sono di maggiore grandezza e migliore stato di conservazione. Tuttavia non differirebbero da quelle più ancestrali degli stessi batteri e delle alghe blu-verdi ritrovati in quei sedimenti. Le une e le altre sono a loro volta simili a forme attualmente

viventi. Se per le formazioni fossili dei giacimenti di Fig Tree può sussistere qualche dubbio sulle capacità fotosintetiche, esse risultano provate per le formazioni dei sedimenti di Gunflint. Comune a entrambi è inoltre la mancanza di un nucleo e di organelli noti, nel regno vegetale, come cloroplasti, ne) regno animale, come mitocondri. La prima cellula nucleata o eucariote era stata scoperta nelle formazioni australiane di Bitter Spring, datate un miliardo di anni fa e appartenenti al Precambriano superiore. Si tratta di alghe verdi che differiscono da quelle blu-verdi appunto per la presenza del nucleo. Con la segregazione del materiale genetico in questo compartimento cellulare, il nucleo, compare il primo organismo dotato potenzialmente delle possibilità di riproduzione sessuata. Tutte le cellule vegetali e animali posseggono, oltre al corredo genetico principale localizzato nel nucleo, un secondo corredo genetico rappresentato da una frazione molto piccola del DNA cellulare, presente nei mitocondri. Questi sono organelli delimitati da membrane e sono specializzati nella produzione di energia a partire dalla respirazione. La maggior parte delle proteine mitocondriali sono codificate nel nucleo, sintetizzate nel citoplasma e importate negli organelli. Un piccolo numero di proteine essenziali dei mitocondri è codificato invece dal DNA degli organelli e sintetizzato dalla loro macchina specifica di sintesi proteica. Pertanto, la formazione dei mitocondri risulta dalla cooperazione dei due sistemi genetici della cellula, quello nucleo-citoplasmatico e quello mitocondriale. Il DNA mitocondriale umano è presente in ogni cellula in migliaia di copie identiche e distribuite nei numerosi mitocondri. L'analisi della struttura e del contenuto informativo di
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