The enemy within

Ho già trattato l’argomento carbonio e radioattività in precedenza, nell’articolo “Ma tu quanti anni hai?”, questa volta provo ad approfondire, partendo da un episodio simpatico…

Un chimico ungherese, Gyorgy Hevesy (1885-1966) nel 1911 ebbe una disputa con la propria padrona di casa. Egli lamentava il fatto che gli avanzi di torta servita abitualmente la domenica venissero poi mimetizzati in altri cibi e riciclati durante il resto della settimana (personalmente non la considero un’operazione criminale, ma a quei tempi, prima che un sistema efficiente di refrigerazione diventasse comunemente presente in ogni casa, la conservazione del cibo per il riciclo poteva presentare qualche rischio). Naturalmente l’affittacamere respinse l’accusa.

All’epoca Hevesy lavorava a Cambridge nel laboratorio di Rutherford. Rutherford e i suoi studenti erano intensamente occupati in ricerche sulla radioattività e questo significava per Hevesy la possibilità di procurarsi minuscole dosi di sostanze radioattive. Quelle che effettivamente usò erano tracce dei prodotti di decadimento del torio.

Alla fine del pranzo domenicale, mentre nessuno lo stava guardando, Hevesy aggiunse alla torta un pizzico di sostanza radioattiva. Il mercoledì seguente, affrontò il soufflé servito quel giorno con il suo elettroscopio.

Un elettroscopio consiste in due lamine d’oro in un involucro. Le lamine sono collegate a un’asta, un’estremità della quale sporge all’esterno dell’involucro. Se si tocca la parte esterna dell’asta con un oggetto elettricamente carico, le due lamine d’oro acquistano una uguale carica e quindi si respingono a vicenda, assumendo la forma di una V rovesciata. Se un elettroscopio carico è assoggettato a una radiazione del genere prodotto dalle sostanze radioattive, la carica viene rimossa e le due lamine collassano l’una sull’altra.

Quando l’elettroscopio fu avvicinato al soufflé, le lamine cominciarono immediatamente a collassare. In altre parole, il soufflé era radioattivo, e poteva esserlo unicamente in virtù di qualche pezzo di torta domenicale in esso contenuto.

Hevesy in pratica aveva marcato la torta con un indicatore radioattivo e quindi aveva potuto rintracciare il percorso in quella sorta di etichetta. Si trattò del primo esempio di uso di un “tracciante radioattivo”, anche se per futili motivi. Hevesy stesso considerò l’episodio privo di importanza, ma non era tale. Se non altro, lo spinse a riflettere sui traccianti radioattivi e sulle loro possibili implicazioni.

Nel 1913, applicò il principio del tracciamento radioattivo ad un problema chimico. Molti composti del piombo sono scarsamente solubili ed ottenere delle misurazioni precise del grado di solubilità è assai complicato. Per farlo, si polverizza del piombo e si aggiunge dell’acqua; si mescola tutto finché il composto si è sciolto il più possibile e poi, filtrando la polvere che non si è sciolta si analizza il fluido in cerca del soluto. Le qualità di composto presente saranno così modeste da renderne difficile determinarne l’esatta concentrazione.

Hevesy, ispirato dagli studi e dal soufflé, pensò che sarebbe bastato aggiungere del piombo 210 (quindi radioattivo, ricavato dal decadimento dell’uranio) al piombo comune; la miscela così ottenuta, avendo le stesse caratteristiche chimiche i due tipi di piombo, si sarebbe comportata come una miscela omogenea: conoscendo la proporzione tra i due all’inizio e seguendo al stessa procedura descritta prima, l’unica cosa da fare sarebbe stata misurare la percentuale di piombo 210 presente nella soluzione in modo da ottenere automaticamente la percentuale totale di composto discioltosi. In questo modo si riusciva a misurare il grado di solubilità in modo più accurato che con i metodi tradizionali. Nel 1918, Hevesy impiegò sia piombo radioattivo sia bismuto radioattivo per studiare il comportamento di composti di idrogeno di questi metalli.

Poi, nel 1923, Hevesy applicò per la prima volta i traccianti radioattivi alla ricerca biochimica. Egli aggiunse piccole dosi si una soluzione al piombo all’acqua usata per innaffiare le piante con cui stava lavorando. Le piante estraggono i Sali minerali dal terreno, per cui era presumibile che avrebbero assorbito insieme anche delle minime quantità di piombo. Nel caso specifico Hevesy impiegò dei composti di piombo contenenti delle quantità note di piombo 210 radioattivo. A vari intervalli, le piante venivano bruciate e la loro cenere analizzata per saggiarne la radioattività. In tal modo si potevano seguire con cura il procedere dell’assorbimento di piombo ed il contenuto di piombo di diverse parti della pianta.

C’è però un limite a quello che si può fare con piombo e bismuto, specialmente in campo biochimico, dal momento che nessuno di questi due elementi è presente nei tessuti viventi allo stato naturale. Per questa ragione gli esperimenti di Hevesy sembravano giunti ad un punto morto. Fu solo nel 1943 che le conseguenze del suo lavoro (e della torta della sua padrona di casa) apparvero nella loro importanza e fu allora che a Hevesy venne assegnato il premio Nobel per la chimica.

Come avevo detto nell’articolo “Ma tu, quanti anni hai?“, il periodo di dimezzamento del carbonio 14, cioè il periodo nel quale esso dimezza la propria quantità tramite emissione di particelle beta è di 5730 anni. Dal momento che la sua vita dura così a lungo e che il carbonio è l’elemento maggiormente coinvolto nei processi vitali, fu normale che il carbonio 14 diventasse il più importante tracciante in campo biochimico.

Se dovessimo far conto solo sul suo periodo di dimezzamento, oggi il carbonio 14 non esisterebbe più nell’ambiente naturale, per quanto 57 secoli (e rotti) possano apparire un lungo periodo rispetto alla durata della vita umana (5730 anni fa l’uomo inventava la scrittura, tanto per dirne una). Se un chilo di carbonio 14 fosse stato posto sotto la prima tavoletta incisa con caratteri cuneiformi ed entrambi gli oggetti fossero stati conservati fino ai giorni nostri, oggi ci sarebbe in quella tavoletta ancora mezzo chilo di carbonio 14.

Questo periodo di dimezzamento, tuttavia, non è lungo rispetto alle ere geologiche. Se la Terra fosse stata composta interamente da carbonio 14, ogni suo frammento si sarebbe disintegrato nel volgere di un milione di anni, lasciando solo pochi atomi dell’isotopo originario. Niente, se pensiamo che un milione di anni rappresenta solo lo 0,02% della vita della Terra.

Non conosciamo alcun modo di formazione del carbonio 14 che possa aver agito in passato sulla Terra e quindi il carbonio 14 non dovrebbe essere presente se non per le quantità esigue prodotte nei laboratori; ma in natura c’è una piccola quantità di carbonio 14 e ci può essere solo in virtù di un qualche processo di formazione attivo ora.

Il chimico Aristid Grosse suggerì che i raggi cosmici interagissero con gli atomi dell’atmosfera, innescando reazioni nucleari il cui risultato era la produzione di radioisotopi senza intervento da parte dell’uomo. Studi successivi confermarono questa ipotesi. I raggi cosmici che penetrano nell’atmosfera superiore sono nuclei di atomi carichi positivamente che viaggiano a una velocità che è circa il 99% della velocità della luce. In pratica sono dei protoni velocissimi, quindi carichi di energia, che quando entrano in collisione con altri atomi li frantumano producendo una radiazione chiamata “secondaria” (la primaria sono appunto i raggi cosmici); tra le particelle della radiazione secondaria ci sono i neutroni.

Di tanto in tanto, uno di questi neutroni colpisce un nucleo di azoto 14, che è il principale componente dell’atmosfera, scalzando un protone dal nucleo e prendendone il posto. Ora, il nucleo dell’azoto 14 è costituito da 7 protoni e da 7 neutroni. Dopo lo scambio di posizione si ha un nucleo con 6 protoni ed 8 neutroni, cioè il carbonio 14, o radiocarbonio.

A quel punto il radio carbonio si combina con l’ossigeno e forma il biossido di radiocarbonio, emette una particella beta e ridiventa azoto 14, riseparandosi dall’ossigeno. Si torna così alla posizione di partenza. Nel frattempo però le particelle di raggi cosmici continuano a produrre neutroni che convertono altro azoto 14 in carbonio 14. Viene raggiunto un equilibrio e si formano tanti atomi di C14 quanti se ne disintegrano, cosicché la quantità totale di carbonio 14 nell’atmosfera rimane costante. Così nell’atmosfera ci ritroviamo un atomo di carbonio 14 ogni 540 miliardi di carbonio. Potrebbe sembrare poco, ma l’atmosfera terrestre è immensa, e in totale sono contenuti dall’atmosfera circa 1300 kg di carbonio 14.

E il carbonio 14 non è presente solo nell’atmosfera. E’ presente negli oceani e quindi anche nelle piante. E da qui passa agli esseri viventi. Lentamente, il carbonio 14 presente nei tessuti viventi si disintegra ma viene rimpiazzato da altro c14 proveniente dalle altre fonti, almeno finché i tessuti rimangono in vita. Quando un organismo muore, invece, non può più assumere carbonio 14 né dall’atmosfera né dal cibo. Dal momento della morte, quindi, in base a quanto dicevamo prima sul periodo di dimezzamento, la quantità di carbonio 14 presente nei tessuti comincia inesorabilmente a calare. E’ questo il famoso metodo di datazione con il radiocarbonio di cui parlavo anche nell’altro articolo.

Ma come dicevo appunto allora, ci sono elementi di incertezza che potrebbero variare la quantità di radiocarbonio di partenza o addirittura la velocità con cui decade. Proviamo ora a chiederci in quale misura il corpo umano subisce la radioattività naturale.

Abbiamo intorno a noi, nelle rocce e nel terreno che ci circondano, piccole dosi di uranio e di torio; la loro disintegrazione produce piccole quantità di radon, che potrebbe essere accumulato nel materiale che usiamo per costruire le abitazioni. Poi, come dicevo, ci sono i raggi cosmici e la radiazione secondaria da essi prodotta.

Tutte queste radiazioni possono disgregare delle molecole nel nostro organismo, producendo occasionali mutazioni che nelle loro forme più drastiche possono portare allo sviluppo di tumori o a malformazioni alla nascita. L’umanità, tuttavia, è stata soggetta a questi fenomeni per tutta la sua storia e gli effetti distruttivi delle radiazioni esterne sono stati senza dubbio inferiori a quelli costruttivi. Inoltre, nel penetrare nel nostro corpo, la radiazione esterna ha probabilità molto scarse di colpire molecole che indurrebbero in mutazione; d’altra parte siamo composti per lo più di acqua, quindi sono quelle le molecole che hanno la maggior possibilità di essere colpite.

Ma perché ho detto “radiazioni esterne”? Vorrebbe forse dire che abbiamo radiazioni “interne”? E’ proprio così! C’è un nemico al nostro interno!

Il corpo umano si compone di vari elementi, alcuni dei quali contengono normalmente radioisotopi. Ad esempio, un elemento assolutamente indispensabile per il funzionamento dell’organismo è il potassio. In natura e quindi anche nel nostro corpo, sono presenti tre isotopi del potassio : potassio 39, 40 e 41. Di questi, il potassio 40 è il più raro, infatti solo uno su 8400 atomi di potassio è potassio 40. Esso ha un periodo di dimezzamento molto lungo, circa 1,3 miliardi di anni.

Il nostro corpo è formato circa per l’1% di potassio, quindi una persona che pesa 70 chili contiene 700 grammi di potassio, dunque 83 milligrammi di potassio 40. Uno scienziato sarebbe in grado di conteggiare il numero di atomi corrispondente a 83 milligrammi e, in base al periodo di dimezzamento, calcolare quanti di questi atomi si disintegrano emettendo particelle beta ogni secondo. E c’è chi l’ha fatto! E la risposta è stata: 1900 al secondo!

Vediamo la cosa da un altro punto di vista. E’ vero che le particelle beta disgregano e danneggiano atomi e molecole; tuttavia, nel corpo umano ci sono 50.000 miliardi di cellule e mediamente, una cellula viene esposta all’effetto di una singola particella beta di potassio 40 una volta l’anno. E di solito questa particella consuma la propria energia in modi innocui…

Nessun altro elemento essenziale al funzionamento del nostro organismo possiede isotopi radioattivi di così lunga vita. Due, però, possiedono isotopi radioattivi di breve vita. Uno è l’idrogeno 3 e l’altro è il famigerato carbonio 14, che si ripropone a noi come neanche la peperonata…

Tralasciando l’idrogeno 3, fidatevi, è innocuo, rimane il carbonio 14. Il 15% del nostro corpo è composto da carbonio, quindi quel famoso uomo del peso di 70 kg ne ha 10,5 chili al suo interno. La proporzione tra carbonio è C14 è nota, quindi il corpo umano contiene mediamente 190 milionesimi di grammo di carbonio 14. Dato il periodo di dimezzamento (lo so, vi sto annoiando, ma seguitemi, ne vale la pena…), anch’esso noto, vengono prodotte 3.100 particelle beta al secondo dal C14. Sempre in un corpo di 70 kg, quel numero sale a circa 22.100 particelle beta al secondo.

Ora, le diverse parti del corpo non sono da considerarsi tutte ugualmente vitali. Lo sappiamo. Nello stesso modo, una particella energetica che passa attraverso una cellula può colpire una quantità di molecole di acqua, o grassi, o amidi, senza per questo causare danni irrimediabili. Certamente, se venisse colpita una molecola di DNA il danno sarebbe maggiore. La molecola danneggiata, visto che il DNA controlla la parte vitale dei meccanismi cellulari, può indurre a mutazioni che possono essere responsabili di tumori o malformazioni alla nascita.

La massa molecolare del DNA in una cellula è tuttavia lo 0,07% di quello dell’intera cellula (abbiamo un sacco di spazio vuoto nel nostro corpo, a quanto pare…), per cui la maggior parte delle particelle beta sarà innocua o comunque ininfluente. In pratica, la maggior parte delle radiazioni “interne” non ha effetti diversi da quelle “esterne”. Solo se un atomo radioattivo è proprio vicino alla molecola di DNA che ci troviamo al cospetto del nostro “nemico interno”.

Ma nel DNA non ci sono atomi di potassio, quindi lo possiamo eliminare. Ci sono invece atomi di carbonio e di idrogeno, quindi anche di carbonio 14 e idrogeno 3. Quest’ultimo però, produce solo un millesimo delle disintegrazioni del carbonio 14, quindi l’idrogeno 3 si può non considerare. Concentriamoci sul C14.

Ogni volta che un atomo di carbonio 14 decade, diventa un atomo di azoto 14. Già questo cambiamento modifica di per sé la natura chimica della molecola di DNA, ma questa è una mutazione che potrebbe non cambiare nulla. Il problema vero è che la disintegrazione di un atomo di carbonio 14 può spezzare i legami che lo tengono unito ad altri atomi. Questa potrebbe essere una modificazione pericolosa.

Il solito scienziato zelante ha calcolato quanti atomi di carbonio ci sono nelle molecole di DNA e quanti di questi sono di carbonio 14. Più o meno ci sono 14 atomi di C14 ogni 20 cellule e una disintegrazione l’anno ogni 24.000 cellule. Non sembra molto, ma ricordiamo che nel corpo umano ci sono 50.000 miliardi di cellule, quindi il calcolo finale porta a un numero che ci fa pensare: in un corpo di 70 kg, ci sono circa 6 disintegrazioni di carbonio 14 ogni secondo!

E’ senza dubbio possibile che queste disintegrazioni portino a mutazioni innocue, come è possibile che mutazioni portino alla morte di cellule poi facilmente rimpiazzate. Alcune cellule, però, potrebbero non essere sostituite, come succede alle cellule cerebrali e a quelle nervose. Altre mutazioni potrebbero portare la cellula a diventare cancerosa.

Isaac Asimov lo conosciamo soprattutto come autore di libri di fantascienza ma pochi sanno che era anche uno scienziato. Non uno scienziato   di semplice  nomina come molti assistenti universitari che si fregiano del titolo unicamente per rientrare nell’organigramma universitario ma un vero e proprio ricercatore.

Tra le sue varie pubblicazioni ve ne fu una “La radioattività del corpo umano” pubblicato nel febbraio 1955 da “The Journal of Chemical Education” nella quale  Asimov fu il primo al mondo a sottolineare il pericolo costituito dal Carbonio 14 nelle molecole di DNA. Il passaggio più significativo dell’articolo era il seguente:

“Alla luce di ciò sarebbe interessante vedere se una dieta ricca di Carbonio 14 può fare aumentare il tasso di mutazione in un animale come la Drosophila, oppure il tasso di formazioni tumorali in ceppi di topi predisposti al cancro e se esiste una qualche correlazione tra l’aumento di mutagenesi o carcinogenesi e l’aumento di carbonio 14 nei geni”.

Questa teoria  venne successivamente confermata dal grande scienziato e amico di Asimov , Linus Pauling. Per capire la portata delle sue intuizioni basti dire che fu lui il primo al mondo a lanciare l’allarme “esperimenti nucleari”. Era proprio a causa alle radiazioni delle esplosioni atomiche che gli atomi di azoto 14 presenti in atmosfera si trasformavano in radiocarbonio 14 aumentandone la loro percentuale nell’aria. Asimov dimostrò a  che ciò era in relazione statistica con l’aumento abnorme dei casi mondiali di tumore degli anni 60 e 70.

Per quello ritengo che la scienza sia fondamentale per la vita umana. Come ho già detto in un altro articolo di questo blog, “Carbonaro di calcio“, « L’Italia è l’unico paese al mondo con tre quotidiani sportivi (forse è più corretto dire “l’unico paese al mondo con 3 quotidiani che, al 90%, parlano solo e soltanto di calcio”) che insieme hanno circa cinque milioni e 700 mila lettori al giorno.» Di contro, non ci sono pubblicazioni scientifiche serie. Pensate allo spazio riservato dai giornali all’astrologia e alla mancanza di notizie di astronomia. Pensate ai resoconti dettagliati sugli avvistamenti UFO e alle imprecisioni scientifiche di certi articoli pubblicati solo per vendere più copie.

La scienza, ovviamente, se mal impiegata, può creare nuovi problemi e portare alla distruzione della civiltà e addirittura all’estinzione della nostra specie. Ma se ben impiegata, può risolvere problemi e portare benefici.

Penso solo ai progressi degli ultimi trent’anni nel campo della medicina, o nel settore delle comunicazioni. Ovvio che l’uso che si fa degli strumenti a volte supera il valore degli strumenti stessi, quindi, come ho detto prima, abbiamo un nemico dentro di noi, ma cerchiamo di non essere noi stessi “the enemy within”, ma soprattutto, cosa di primaria importanza, ricordiamoci di controllare i soufflé!

 

 

 

 

Fonte: Isaac Asimov – Grande come l’universo –Oscar Mondadori 1996

7 pensieri su “The enemy within

  1. Grazie per questo completo resoconto. Ovviamente tutte informazioni di cui non ero a conoscenza, ma certamente interessanti.
    Innanzitutto utile perché così ho imparato a come “tracciare” il cibo che mangio in mensa (viene il dubbio di grandi ricicli).
    Certamente più interessante dal punto di vista scientifico/documentale, dato che non avevo la minima conoscenza dell’ordine di grandezza e di presenza delle sostanze di cui parli nei nostri organismi.

    Una cosa non ho capito: gli elementi come il potassio (che tu citi) hanno un decadimento. Ma questo significa che a lungo tempo si esuriranno? O potranno essere ricreate artificialmente? O si ricreano in natura?

    Grazie

    K!

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    • Per dirla in breve, nulla si crea e nulla si distrugge. Cioè una qualunque forma di materia non sparisce, ma si converte in qualcos’altro. In genere energia che, interagendo con l’ambiente circostante, crea una modificazione in qualcos’altro. Alcuni elementi (in genere non presenti in natura) in effetti si sono già esauriti, ma grazie agli acceleratori di particelle e alle collisioni ad alta energia se ne creano degli altri. Spero di non aver aumentato la confusione 🙂

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        • Leggi questo: http://www.pnas.org/content/112/14/4257.abstract . Parla dell’utilizzo massivo di elementi molto rari. Quello che invece dico io è semplice: alla fine un atomo è composto fondamentalmente da protoni, neutroni ed elettroni e quindi con la giusta tecnologia e la giusta energia (e magari un giorno non avremo carenze nè di una nè dell’altra), tutti gli elementi potrebbero venire creati dalla combinazione di quei tre “mattoncini”. Comunque il primo deputato a sparire è l’elio, visto che ci tieni 😉

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            • Se potremmo anche rassegnarci ad avere palloncini senza elio, il vero problema è che l’elio è insostituibile nelle applicazioni sulle tecnologie del freddo. Ha un punto di ebollizione molto basso (-268,93 °C), il che lo rende insostituibile per i sistemi di refrigerazione a temperature molto basse, come nel raffreddamento delle macchine per la risonanza magnetica.
              Rispetto all’idrogeno non è infiammabile, motivo per cui viene anche utilizzato per pressurizzare i serbatoi di combustibile liquido. Mischiato all’ossigeno riduce il rischio di embolia durante la fase di decompressione seguente a un’immersione, poiché è scarsamente solubile nel sangue. Ma gli scienziati stanno già studiando una molecola che lo sostituirà. Per trent’anni comunque, viste le riserve esistenti, siamo ancora tranquilli, rassicura il vicino.

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