La viscosità dell’uomo ragno



Quali sono i collegamenti tra le formiche e i post-it da ufficio?


Questo articolo è un estratto da La natura lo fa meglio (e prima), di Giorgio Volpi. Pubblicato da Aboca Edizioni. Ringraziamo l’autore e l’editore per la gentile concessione.


In copertina Disegni psichedelici di Marcia Blaessle, adolescente tossicodipendente. dal libro Rausch im Bilderrausch

 

di Giorgio Volpi

 
Non si poteva cristallizzare quella brodaglia, né purificarla in una composizione costante, né in effetti fare qualcosa con essa una volta prodotta.”
Leo Henricus Arthur Baekeland

 

 

Come chimico, ho da sempre subito il fascino delle strutture molecolari più che della loro funzione. È di certo una deformazione professionale e, come tale, è difficilmente eliminabile o modificabile. Nello stesso modo in cui un architetto o un ebanista restano spesso incantati da ciò che disegnano e creano, così il chimico subisce il fascino delle strutture molecolari che può assemblare, restando meno colpito dalla loro funzione o da quanto risultano utili. Sono sicuro che non sia nemmeno possibile pensare a una ideale sfida tra uomo e natura, intesa come forza evolutiva capace di sviluppare forme adattive, sul piano della capacità di creare strutture molecolari. Per un chimico, formato in una qualsiasi università moderna, ogni esempio, ogni conquista appresa è ricondotta all’uomo, a grandi menti e instancabili sperimentatori che hanno trovato il modo di ottenere, a seconda dell’esame che si sta preparando nel proprio percorso di studi, particolari reattività e prodotti o stratagemmi per stabilizzare una certa struttura molecolare. Proprio in questo modo, lo studente di chimica sviluppa una sorta di venerazione intellettuale e sperimentale per i suoi predecessori e per i legami chimici che ciascuno di loro è stato capace di creare, rendendoli disponibili per la fantasia dello scienziato attuale. L’esterificazione di Fischer è la reazione che crea un legame tra atomi di carbonio e ossigeno, mentre, in modo diverso, la reazione di Suzuki crea un legame tra due diversi atomi di carbonio, tanto per fare due celebri esempi. Altri altisonanti nomi ricordano, invece, all’apprendista chimico il legame presente nei reattivi impiegati, o intermedi di reazione; proprio così ci si rammenta che il reattivo di Grignard prevede un legame tra carbonio e magnesio, quello di Stille tra carbonio e stagno, il Negishi tra carbonio e zinco, e così via, secondo una miriade di reazioni che insegnano all’apprendista chimico come creare legami. Si tratta proprio di assemblare gli atomi come in un gioco con le costruzioni, i mattoncini o i Lego; un gioco grazie al quale, collegando gruppi di atomi diversi secondo reazioni come quelle indicate, si possono ottenere farmaci, coloranti, droghe, veleni e qualsiasi altra cosa il chimico abbia intenzione di produrre per possibili applicazioni industriali o, come più spesso accade, per una qualche sfida accademica, un diletto intellettuale che rappresenta la versione più elevata del gioco dei Lego sulla scala dell’infinitamente piccolo. Il chimico gioca incastrando questi mattoncini, cioè creando legami chimici tra unità atomiche o molecolari, e per deformazione professionale, crede che l’abilità scientifica di creare legami tra atomi o unire molecole sia qualcosa di completamente sviluppato, mirabilmente progredito, saggiamente conseguito solo dall’ingegno e dalla testardaggine umana. I progressi della natura, invece, sono spesso sconosciuti o, peggio, ignorati; le abilità delle piante, degli animali e di tutti gli altri viventi, infatti, solo da poco sono oggetto di studio, motivo di progresso tecnologico o fonte di ispirazione; i percorsi di studio sono così separati che quello che sorprende lo scienziato naturale è del tutto ignoto al chimico di sintesi o allo scienziato dei materiali. Ciò che intuisce il biologo è celato al chimico, ciò che scopre il sintetista non arriva all’ecologo, perché le riviste specializzate hanno lettori che non comunicano tra loro, le collaborazioni sono difficili e le varie scienze procedono su binari molto distanti, spesso divergenti.

Quando si parla di creare un legame chimico, o una interazione molecolare, cioè quando si tratta di visualizzare questo concetto di legame che si crea tra diverse parti molecolari che interagiscono, il non addetto ai lavori corre con la mente al proprio vissuto, che coinvolge un mondo macroscopico, non in scala atomica o molecolare. Infatti, il mondo con cui abbiamo a che fare quotidianamente manca completamente di esperienza diretta di oggetti simili agli atomi. La nostra adattabilissima mente risolve il problema rimandandoci a qualcosa di più concreto, facile e pratico da gestire. Lo dico per esperienza diretta: quasi tutti gli studenti quando si parla di legami chimicie interazioni molecolaripensano alla colla, o meglio a oggetti (gli atomi) che vengono incollati; è una metafora estremamente pericolosa, limitante e odiosa per un docente, ma si scatena così frequentemente negli studenti che sarebbe ingenuo non affrontare il problema. Così lallievo immagina un adesivo disperso tra due solidi quando visualizza il legame chimico tra due atomi, o uno strato di silicone tra sfere metalliche quando immagina il legame metallico. Per chiarire le problematicità di questo parallelismo fantasioso, la mia reazione, didatticamente parlando, è stata quella di iniziare a interessarmi alle colle, o meglio ai diversi sistemi adesivi e alla loro chimica, e ho finito per scoprire che tutto intorno a me, nella natura, esistono sistemi di adesione o colle di varietà e potenza inimmaginabili, che prevedono reazioni molto complesse, e conseguono proprietà meccaniche mai ottenute dalluomo. Anche in questo caso la natura ci stupisce; o almeno di sicuro stupisce il chimico o larrogante scienziato, colpevoli di aver immaginato più varietà nelle opere dellingegno umano che in quelle dellevoluzione. In questo campo, infatti, la vera sorpresa e il divertimento per un ipotetico appassionato di colle, il curioso scienziato o il naturalista, non saranno di certo i sistemi adesivi umani della chimica moderna, ma le applicazioni che la natura ha saputo escogitare per le colle che alcuni viventi producono. Deformazione professionale a parte, la funzione, per quanto riguarda i collanti, supera senza dubbio la forma. È per esempio il caso dei tappi copulatori, spermatici o vaginali che vengono prodotti da molti animali (maschi), preoccupati o insicuri circa la paternità della prole. Questi maschi, dopo laccoppiamento, sigillano con un potente mastice multicomponente la vagina della compagna, in modo da evitare che si accoppi con altri possibili competitori. I tappi di colla per sigillare le vagine vengono prodotti da molti animali, compresi rettili, roditori, canguri, insetti, scorpioni e ragni, e persino da alcuni primati, con formulazioni e potenza diverse. Alcuni chimici hanno analizzato la composizione dei tappi copulatori dei bombi (Bombus terrestris) scoprendone la composizione: una miscela di acidi grassi a lunga catena (acido stearico, oleico, linoleico e palmitico) e una certa quantità di cicloprolilprolina. Questi maschi (forse un pochino perversi) hanno evoluto questo strano comportamento (e le ghiandole per produrre la colla vaginale) come risultato di una intensa competizione spermatica, modificando spesso anche la forma del pene (talvolta simile a un cavatappi), per rimuovere il mastice del maschio arrivato prima di loro; in certi casi il sesso tra animali è molto complesso, e sicuramente la colla naturale non facilita il tutto. In definitiva, i tappi spermatici riducono il rischio di competizione spermatica, formando una barriera fisica che impedisce ad altri maschi di introdurre i loro spermi allinterno della femmina, una specie di profilattico al contrario. Daltra parte, lo stesso tappo impedisce anche la fuoriuscita dal tratto genitale femminile degli spermi inseminati dal primo maschio. Il maschio, però, deve produrre queste sostanze impegnando energie e risorse, tutto per assicurarsi la paternità della prole, sicuramente un processo dispendioso e faticoso energeticamente.

Un altro straordinario caso di colla naturale è quello delle formiche kamikaze (Colobopsis explodens e Colobopsis saundersi) che, in caso di pericolo, si avvicinano al nemico per poi esplodere e incollare il malcapitato ai substrati vicini. La colla tossicadella Colobopsis saundersi, composta da poliacetati, idrocarburi alifatici e alcoli, ha anche proprietà chimiche corrosive e irritanti; i soldati esplosivi fra queste formiche si suicidano con lintento di bloccare, incollare e uccidere i nemici per il bene della comunità grazie a una potente reazione che avviene in particolari ghiandole al loro interno, simile alla reazione delle colle bicomponenti.

È sorprendente pure la potenza di certi adesivi naturali: una delle colle più tenaci al mondo, per esempio, secreta dalla forma peduncolata del Caulobacter crescentus (un batterio acquatico comunemente riscontrabile in fiumi e laghi), è in grado di resistere a carichi di 70 Newton per millimetro quadrato, contro i 35 dei migliori adesivi epossidici commerciali. Il Newton per millimetro quadrato è lunità di misura utilizzata per misurare pressione, sforzo e carico di rottura per trazione. Per fare un esempio che renda chiaro il potere delladesivo di questo semplice batterio, la colla vinilica ampiamente usata da tutti ha un potere adesivo nellordine di 1-4 Newton per millimetro quadrato.

Di colle e adesivi nel mondo umano ne esiste veramente una varietà infinita; esistono colle che cercano di garantire una tenuta totale e irreversibile, utili per riparare oggetti rotti, ed esistono colle che, al contrario, creano interazioni deboli tra oggetti diversi in modo da formare un contatto assolutamente reversibile, utile per fissare un promemoria, un segnalibro, delle figurine, o della carta adesiva prima di dipingere o verniciare una superficie. Necessità differenti sfruttano processi chimici molto diversi. Nel mondo naturale esistono i corrispettivi di queste diverse strategie: per esempio, un mollusco può trovare il modo di incollarsi a una parete rocciosa in modo saldo e resistere alle peggiori tempeste marine, mentre un ragno cercherà di sviluppare una sostanza per la sua ragnatela sufficientemente adesiva da catturare la preda, ma non abbastanza da creare problemi quando la preda andrà consumata. Teniamo conto che la colla dellipotetico mollusco dovrà resistere allacqua, fare presa su una superficie bagnata e non sciogliersi mai, mentre quella del ragno non dovrà seccare sulla ragnatela e restare umida allaria e attiva per garantire la sopravvivenza del ragno, con la pioggia, il vento, il sole e tutte le altre possibili condizioni climatiche.

Sappiamo bene che, quando dobbiamo incollare due superfici, la colla che scegliamo dipende in modo molto specifico dal materiale da incollare. Compriamo prodotti diversi se dobbiamo riparare una tazza, incollare due parti di legno, vetro o plastica; non possiamo certo fissare del polistirolo con lo stesso prodotto che applichiamo sul cemento o sulla carta. Gli animali non hanno questa fortuna: se siete un mollusco, il vostro adesivo, per garantire la vostra sopravvivenza, dovrà aderire a legno, roccia, corde in un qualsiasi porto, materiale plastico galleggiante, magari la superficie di un altro animale o di una imbarcazione, e a ogni possibile oggetto un mollusco possa trovare nel suo vivere quotidiano. Se invece prendiamo, come mollusco, una chiocciola di terra, la questione del muco adesivocambia: il muco viscoso che ha la funzione di farla scivolare dovrà essere indipendente dal substrato, e la chiocciola dovrà produrne uno che le permetta di spostarsi (o restare labilmente adesa) su una pietra, un tronco, una foglia, sulla sabbia o su una bottiglia di vetro buttata da un maleducato, o comunque su tutto ciò che si possa trovare nellambiente naturale (o no) in cui la chiocciola vive e striscia, aderendoci sopra. Per qualsiasi mollusco si consideri o, più in generale, per qualsiasi animale che produce colle o adesivi per sopravvivere, la parola chiave è sempre versatilità, adattabilità, al contrario che per le nostre colle super specializzate e incapaci di agire su materiali diversi da quelli per cui sono state prodotte.

Lincredibile versatilità delle colle animali è ottenuta sfruttando un principio molto semplice: questi esseri producono componenti chimicamente varie e differenti tra loro per poi miscelarle in un muco; così facendo, ogni componente può interagire in modo diverso con il possibile substrato. Insomma, le colle naturali sono sempre miscele complesse e varie per ogni caso studiato, per ogni essere che le secerne, contenenti proteine, zuccheri e grassi, oltre a molti altri metaboliti. I molluschi bivalvi presentano, per esempio, nella porzione proteica estratta dal materiale adesivo, un alto contenuto di residui fenolici (ossia composti chimici contenenti il gruppo fenolo, cioè un anello aromatico che ha al suo interno un gruppo ossidrile, indicato come -OH); nel 1981 è stata infatti identificata la prima proteina polifenolica, la cui comprensione rappresenta il punto di partenza per lo sviluppo degli adesivi biomimetici, cioè adesivi ispirati a quelli di origine biologica, il cui interesse in ambito medico è altissimo. Gli adesivi naturali, e presumibilmente quelli biomimetici a essi ispirati, sono completamente biocompatibili, non tossici, con prestazioni superiori (tenuta nello sforzo e nel tempo) a quelli prodotti dalluomo. In un futuro non troppo lontano, suture, punti metallici e viti chirurgiche potrebbero essere sostituiti da colle e adesivi biomimetici ispirati a molluschi come le cozze, batteri o ragni, vermi marini, cetrioli di mare e cirripedi, solo per citare alcuni esseri abilissimi nellarte dellincollare e dellincollarsi.

Per capire le potenzialità di questo tipo di approccio, cioè lo studio della natura per produrre strumenti utili alluomo, è bene ricordare come è nato il velcro, il sistema di chiusura uncino-asola applicato su molti tessuti. Fu George de Mestral a brevettarlo nel 1955, di fatto dopo aver rubato lideaalla natura; durante una gita in campagna, osservò come i fiori della bardana (in generale le infiorescenze del genere Arctium) riescano ad attaccarsi fastidiosamente ai tessuti, in particolare a lana e feltro, in modo tenace e resistente. Grazie alluso del microscopio osservò, sulla struttura dei fiori, piccoli uncini capaci di agganciarsi ai fili di un tessuto o, come accade in natura, al vello degli animali. Il nome velcronasce, infatti, dalla combinazione delle parole francesi velours (velluto) e crochet (uncino). Mestral ideò un sistema basato su due elementi: una striscia di tessuto (cotone o poliestere) e una striscia complementare contenente minuscoli uncini per creare uninterazione reversibile grazie alla separazione meccanica delle due strisce, cioè attraverso un veloce strappo.

Le colle e gli adesivi, diversamente dal velcro, utilizzano di norma due sistemi per far aderire i substrati da incollare. Le colle più tenaci solidificano creando una rete di molecole (polimeri) che, interagendo con i substrati, li vincolano e bloccano; è come pensare a una nave da crociera che viene fatta attraccare in porto collegandola alla banchina con molte catene dacciaio, ognuna delle quali rappresenta le catene molecolari dei polimeri della colla. In questi casi, di catene polimerichese ne formano un numero sterminato, che unisce saldamente i due oggetti; nella colla sono presenti i singoli anelli (monomeri) delle catene (polimeriche) e, grazie alle reazioni chimiche, questi anelli si uniscono formando le catene che si avviluppano tra gli oggetti da incollare. In altri casi, però, le colle non prevedono formazione di legami forti, cioè non si formano le catene a partire dagli anelli (i polimeri a partire dai monomeri). Queste colle si basano su interazioni deboli (legami dipolo-dipolo o idrogeno): è come attaccare un fazzoletto di carta a una finestra appannata, in quel caso le minute goccioline di acqua condensata sulla parete interagiscono debolmente con il vetro e con la carta permettendo unadesione temporanea del foglio alla finestra. Ovviamente, se lacqua evapora, il foglio casca, proprio come accade con certe colle che col tempo seccano e perdono adesione. Non sempre, infatti, serve unire due oggetti con la colla per leternità. Si rese conto di questa strategia Stanton Avery, filantropo e inventore che, usando un prestito di cento dollari e combinando parti di un motore di una lavatrice, di una macchina per cucire e di una sega a sciabola, creò e brevettò la prima etichettatrice autoadesiva al mondo, ossia ideò quelli che oggi sono noti come stickers, disegni o illustrazioni adesivi facilmente applicabili. La società fondata da Avery nel 1936 fu battezzata Avery Adhesives. Similmente, nel 1968, Spencer Silver, un ricercatore dellazienda 3M, lavorò instancabilmente per sviluppare un nuovo potente adesivo, ottenendone solo fallimenti, cioè colle di bassa tenacia apparentemente prive di utilità. Lidea applicativa per i suoi fallimenti, però, venne nel 1974 a un suo amico, Arthur Fry, che, stufo di utilizzare per il coro della chiesa un innario zeppo di foglietti volanti, pensò bene di fissarli labilmente alle pagine con il nuovo adesivo fallimentaredi Spencer. Da questa semplice intuizione nacquero nel 1977 i Post-it, i foglietti di carta colorata o di altri materiali la cui caratteristica principale è essere semiadesivi; il marchio, depositato e registrato dalla 3M, è sostanzialmente basato sul completo insuccesso nel lavoro di ricerca di Spencer Silver. Stickers e Post-it muovono a oggi porzioni di mercato da milioni di dollari.

La differenza tra i due principali tipi di colle, quelle più resistenti e quelle temporanee, è semplice. Le colle forti e tenaci che solidificano sono utilizzabili una sola volta: quando forziamo il distacco tra le parti non è possibile tornare allo stato iniziale, sono cioè irreversibili. Al contrario, le colle liquide o semiliquide sono labili, reversibili e possono essere utilizzate molte volte per interazioni momentanee. Tra gli animali, troviamo lo stesso tipo di soluzioni. Per esempio, ogni zampa delle raganelle è ricoperta da una miscela di sostanze paragonabili alla colla dei Post-it, che garantisce ladesione a una foglia bagnata, un tronco o a un vetro perfettamente liscio. Al contrario, le forti colle adesive di molluschi o vermi marini devono garantire una resistenza elevata senza mai staccarsi; a loro non interessa la reversibilità, ma la tenuta per garantire la sopravvivenza. La raganella rappresenta, quindi, il corrispettivo naturaledel foglio attaccato al vetro con lumidità della cucina o del più moderno Post-it, forse persino migliore, e proprio per questo è un animale estesamente studiato. Si attacca tenacemente a qualsiasi substrato (ma si stacca anche con facilità quando deve saltare!), e la sua capacità di adesione permane anche dopo molti balzi, a differenza di molti adesivi umani che, se usati ripetutamente, smettono di aderire. La raganella produce un muco che forma un ponte liquido sullestremità delle sue dita a ventosa. In generale, la viscosità di un muco può essere valutata con una tecnica definita Laser-tweezer Microrheometry, un procedimento usato anche per valutare la viscosità di prodotti alimentari liquidi o gelificati. Misure effettuate sul muco della raganella, della specie Litoria caerulea, forniscono un valore di circa 1,43 mPa·s (in confronto, lacqua è 0.93 mPa·s, lolio vegetale 65 mPa·s e la maionese 8000 mPa·s rispettivamente a 23 °C), dove mPa·s indica milliPascal per secondo, che è lunità di misura della viscosità.13 Infine, il muco, che ha uno spessore di 5-10 μm, se depositato in goccioline, presenta un angolo di contatto statico molto basso: ciò indica una funzione capillare adesiva indipendente dalla natura del substrato, o meglio, unadesione indipendente dalle sue proprietà bagnanti, e ciò significa che la raganella aderisce a superfici secche, idrorepellenti o bagnate con la stessa abilità. Al contrario dei gechi, che non producono sostanze adesive, le raganelle secernono il muco presumibilmente per diverse funzioni: assorbimento epidermico (di acqua e ossigeno), adesione al substrato (capillare e idrodinamica), lubrificazione (riduzione dellusura abrasiva). Studiare le proprietà del muco è fondamentale per chiarire la capacità di attaccamento della raganella e forse in futuro sviluppare qualche tecnologia milionaria come fecero Spencer Silver e Stanton Avery.


Giorgio Volpi (Cuneo, 1983), si è laureato in Chimica presso l’Università di Torino, ha conseguito il dottorato in Scienza e Alta Tecnologia con una tesi sulla preparazione di nuovi complessi luminescenti. È tecnico presso il Dipartimento di Chimica dell’Università di Torino, dove svolge ricerche nell’ambito della luminescenza e dei complessi organo-metallici. Parallelamente all’attività lavorativa, ha proseguito gli studi laureandosi anche in Scienze Naturali. È autore di oltre 40 articoli pubblicati su riviste internazionali e citati più di 900 volte. Ha svolto numerosi seminari e docenze presso la Scuola Holden.

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