Dagli atomi del Big Bang alle macromolecole della vita: idee e spunti per progettare moduli di didattica laboratoriale interdisciplinare

Quanto tempo fa sono comparse sulla Terra le prime forme di vita? Si sono originate spontaneamente a partire dalle “sostanze” chimiche che si trovavano negli oceani primitivi? O sono comparse sulla Terra in sottili lamine acquose su supporti o stampi di caolinite (argille)? Sono state trasportate da altri corpi celesti? Di sicuro esiste una stretta relazione fra la formazione delle prime forme di vita e le condizioni ambientali presenti sulla Terra miliardi di anni fa. Secondo una delle teorie più accreditate e moderne, di recente suffragata dalla prova sperimentale che ha rilevato l’esistenza dello ione molecolare di idruro di elio, l’Universo ha avuto inizio da una enorme esplosione (Big Bang) circa 13,8 miliardi di anni fa. Circa 100 milioni di anni dopo il Big Bang, «le prime stelle iniziarono a sintetizzare carbonio, ossigeno e altri elementi», «e nell’arco dei miliardi di anni che sono seguiti altre stelle hanno provveduto a popolare la nostra attuale Tavola Periodica». Oggi, quasi 14 miliardi di anni dopo, il 2 % dell’idrogeno e dell’elio dell’Universo si è trasformato nella vasta gamma di elementi classificati nella Tavola Periodica: progressivamente, la trasformazione ha permesso la nascita della chimica complessa e, in definitiva, della biologia. Nonostante l’enorme complessità dei sistemi biologici e il numero elevato di elementi chimici disponibili sul pianeta Terra, le macromolecole organiche tipiche della vita sono composte principalmente da idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno che sono fra gli elementi più abbondanti dei 24 della Tavola periodica. Sebbene in minore quantità anche fosforo e zolfo giocano ruoli fondamentali nella struttura e nel metabolismo delle cellule di tutti i microorganismi e di tutte le cellule sia animali sia vegetali che si comportano come sistemi altamente selettivi che concentrano al loro interno gli elementi della nutrizione minerale prelevandoli dall’ambiente circostante (aria e suolo). Migliaia di atomi costituiscono le macromolecole che costituiscono il 90% del peso secco di tutto il nostro organismo entrano nella costituzione delle macromolecole biologiche sia informazionali (acidi nucleici e proteine) sia non informazionali (lipidi e carboidrati). Sodio, potassio, magnesio, calcio zolfo e fosforo rappresentano non più del 18%. Oltre a questi, un pizzico di litio, l’elemento che come ci dicono i neuroscienziati, mantiene il nostro buon umore, un profumo di metalli o alogeni; tutti (tranne l’idrogeno, l’elio) sintetizzati nelle stelle! Tutti questi elementi, presenti nel corpo umano, si differenziano molto in percentuale da quelli che sono i costituenti della crosta del pianeta Terra, alcuni di essi, come il Silicio, non sono affatto presenti, altri sono addirittura tossici per la vita così come la conosciamo sul nostro pianeta. La maggior parte delle macromolecole biologiche è polimerica è costituita da molecole costituite a loro volta da uno o pochi tipi di molecole più piccole, i cosiddetti monomeri che si condensano con legami covalenti con la perdita di una molecola di acqua, il magnifico e munifico solvente, una molecola speciale costituita da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Saranno proposti moduli didattici per la correlazione fra composizione chimica, struttura, funzione e finalità informazionali delle macromolecole di interesse biologico. Il flusso e l’espressione dell’informazione genetica dal DNA alle proteine. Saranno proposti esperimenti, filmati, racconti e articoli dalla letteratura scientifica più o meno recenti anche in lingua inglese per l’interdisciplinarietà e un training sull’utilizzo di tool di bioinformatica (in silico lab) per uno dei moduli didattici proposti (Il flusso e l’espressione dell’informazione genetica: dal DNA alle proteine) utile per implementare la didattica della biologia nell’era della biologia sintetica.