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Didattica: L'ACQUA: UN PERCORSO DIDATTICO

Associazioni
L'acqua: un percorso didattico
 di Maria Arcà* e Emiliano Degiorgi**

 

1 - Acqua per comunicare
2 - L'acqua negli animali
3 - Svilupparsi in acqua
4 - Acqua nelle piante
5 - Fotosintesi e respirazione
6 - Stabilizzare la temperatura
7 - Problemi di osmosi

 Il percorso che proponiamo, tentando di integrare aspetti didattici con aspetti più prettamente scientifici, cerca di mettere continuamente in evidenza il profondo legame fra le proprietà dell'acqua e il modo di funzionare della totalità degli organismi viventi che hanno avuto origine e si sono sviluppati sulla Terra nel corso degli ultimi quattro miliardi di anni.
 L'acqua, come tutti sanno, è indispensabile alla vita e le sue caratteristiche proprietà fisiche rappresentano al tempo stesso delle potenzialità e dei vincoli per lo svolgersi dei processi vitali. Così l'acqua ha un fondamentale ruolo di solvente e, nei suoi diversi stati, diventa anche un mezzo di trasporto per le molecole in soluzione. È un ingrediente fondamentale delle reazioni chimiche di base dalla fotosintesi alla ossidazione del glucosio, è un inibitore/attivatore di processi che dipendono dalle caratteristiche dell'ambiente, è uno stabilizzatore per i differenti processi omeostatici.

 1 - Acqua per comunicare
 "L'acqua era un mezzo d'informazione attendibile e preciso: mi portava sostanze commestibili che io sorbivo attraverso tutta la mia superficie, e altre immangiabili ma dalle quali mi facevo un'idea di quel che c'era in giro. Il sistema era questo: arrivava un'ondata, e io, da attaccato allo scoglio, mi sollevavo un tantino, ma una cosa impercettibile, mi bastava allentare un po' la pressione e slaff, l'acqua mi passava sotto piena di sostanze e sensazioni e stimoli".
 Nella vita di Qfwfq, indimenticabile protagonista de Le Cosmicomiche che in questo caso fa la parte del mollusco, l'acqua ha un ruolo importantissimo. A ben vedere è l'unico modo per un organismo senza occhi né orecchie, che vive "concentrato su se stesso" e addirittura "leggermente narcisista", per accorgersi che intorno a sé c'è dell'altro, o meglio gli altri. Altri "ostilmente diversi" oppure "disgustosamente simili", altri delle cui tracce grondava l'elemento liquido che lo circondava.
 Attraverso l'acqua Qfwfq sopravvive, stabilisce un contatto con mondo esterno, è in grado di accorgersi che c'e' il sole: "…non vi ho detto che io il sole lo sentivo, intiepidiva il mare e scaldava la roccia", e riesce anche a innamorarsi. All'inizio è tutta una scoperta e uno "struggimento": "l'acqua trasmetteva una vibrazione speciale, come un frin frin frin…" e "attraverso quel tanto di suo inconfondibile che restava in soluzione nell'acqua marina e che le onde mi mettevano a disposizione, ricevevo una gran quantità d'informazioni su di lei che non potete immaginare: non le informazioni superficiali e generiche che si hanno adesso a vedere e a odorare e a toccare e a sentire la voce, ma informazioni sull'essenziale, sulle quali potevo poi lavorare lungamente d'immaginazione". E con segnali analoghi, sempre veicolati dall'acqua, Qwfwq si preoccupa in qualche modo di rispondere ai segnali raccolti.
 Si può immaginare, al di là delle straordinarie suggestioni di Calvino, l'acqua, il vapor d'acqua come una rete impalpabile, pervasiva, che mette in comunicazione i viventi, tra loro e con il loro ambiente, trasportando molecole che solo in soluzione possono essere percepite come segnali olfattivi… capaci di orientare e modificare comportamenti. Gli odori, veicolati dal tessuto di goccioline invisibili, indicano la presenza di nemici, o di sostanze da mangiare, veicolano sensazioni di paura, sesso, voglia di riprodursi… È solo nell'acqua che si sciolgono e vengono trasportate sostanze, sia all'interno che all'esterno del corpo; nel velo di umidità si disperdono molecole che vengono raccolte da qualcosa che funziona come un organo di senso e che forniscono sensazioni e stimoli e quindi informazioni che generano comportamenti....

 2 - L'acqua negli animali
 Nell'organismo umano, l'acqua imbeve la carne, entra nel sangue… sta quasi dappertutto. Si beve per portare in soluzione sostanze alimentari, per renderle disponibili all'azione degli enzimi o dei 'succhi' secreti dalle varie ghiandole dell'apparato digerente, e solo in soluzione le molecole di zuccheri o aminoacidi possono entrare nei capillari sanguigni, essere trasportate in circolo. Solo accompagnate dall'acqua, cioè in soluzione, le sostanze necessarie alla nutrizione e alla respirazione cellulare possono attraversare le membrane ed entrare nelle cellule, dove verranno appositamente trasformate. I meccanismi per la diffusione e il trasporto delle sostanze in soluzione variano con la complessità biologica, ma sempre e solo in soluzione i nutrienti possono essere assorbiti e metabolizzati dai microrganismi, dagli organismi acquatici, dagli invertebrati e dai vertebrati terrestri.
 Anche i gas vanno in soluzione nell'acqua e parlando della respirazione 'aerea' degli animali, il paradosso cui ci si trova di fronte è che essa può avvenire solo… nell'acqua! Infatti, gli animali terrestri pur essendosi fondamentalmente emancipati dal loro ambiente marino d'origine conservano come prova evidente della loro lunga storia evolutiva la necessità di respirare "con l'acqua" e di sviluppare i loro embrioni nell'acqua. Ossigeno e anidride carbonica possono facilmente attraversare le pareti delle superfici respiratorie (branchie nei pesci, pelle negli anfibi, l'epitelio polmonare nei mammiferi…) solo se disciolti nel velo d'acqua che le riveste. Le singole molecole di ossigeno e di anidride carbonica non riuscirebbero da sole ad aprirsi la strada attraverso le membrane cellulari o le pareti dei vasi capillari.
 La solubilità dell'ossigeno in acqua è comunque scarsa perché le sue molecole formano legami debolissimi con le molecole di acqua, ed è solo grazie all'emoglobina che il sangue può trasportare una quantità di O2 fino a 67 volte maggiore di quella trasportabile solo dalla sua parte acquosa (il plasma). Anche l'anidride carbonica viene trasportata in un modo più efficiente di quanto sarebbe se fosse semplicemente in soluzione. Una parte della CO2 prodotta dal metabolismo cellulare si lega ai globuli rossi (carbossiemoglobina), ma la maggior parte entra nel sangue e attraverso le seguenti reazioni viene convertita in una forma assai più solubile: lo ione bicarbonato HCO3-.

CO2 + H2O  H2CO3 (acido carbonico)

H2CO3  H+ + HCO3- (ione bicarbonato)

Questa diminuzione di singole molecole di CO2 disperse nel solvente permette ad altre di passare dallo stato gassoso in soluzione, molto più di quello che sarebbe possibile se la CO2 non reagisse. È come se la formazione di acido carbonico fosse un deposito in cui si rinchiudono le molecole di CO2 lasciando 'spazio' ad altre molecole e permettendo loro di entrare in soluzione.
 Quindi, quasi i tre quarti dell'anidride carbonica del sangue è presente sotto forma di bicarbonato e solo il 5% è disciolta come tale nel plasma.

 3 - Svilupparsi in acqua
 Vivendo nell'ambiente acquatico, i pesci ossei hanno di solito fecondazione esterna. La femmina depone le uova nell'acqua o in un nido e il maschio le feconda cospargendole con il liquido spermatico: le prime tappe dello sviluppo avvengono nell'acqua del mare. I pesci cartilaginei, invece, hanno fecondazione interna, e alcuni di essi sono vivipari, cioè partoriscono piccoli vivi.
 Negli anfibi la fecondazione è esterna e avviene generalmente nell'acqua, e sempre nell'acqua si schiudono le uova da cui nascono piccole larve o girini.
 Nell'evoluzione biologica il passaggio dall'ambiente marino a quello terrestre ha conservato modalità di sviluppo embrionale piuttosto simili. Gli embrioni dei vertebrati terrestri presentano tutti un abbozzo di coda e le branchie e crescono in un liquido amniotico che ha una composizione non molto diversa da un'acqua di mare ricca di nutrienti. I rettili e gli uccelli sono animali del tutto terrestri, ma la fecondazione interna avviene in ambiente fisiologicamente umido. La femmina depone uova, ben protette da un guscio calcareo più o meno robusto, impermeabile, che separa l'ambiente interno da quello esterno. Intorno all'embrione si formano una serie di 'sacchi' che lo avvolgono. Il corion è una membrana che aderisce al guscio e racchiude tutto il sistema embrionale; al suo interno l'amnios contiene il liquido amniotico, che circonda e mantiene umido l'embrione. Il tuorlo è circondato da uno strato di cellule collegate a vasi sanguigni, che portano all'embrione le sostanze nutritive e l'ossigeno, ed eliminano l'anidride carbonica attraverso i pori del guscio. I rifiuti dell'embrione, invece, vengono raccolti nell'allantoide. Anche i mammiferi si riproducono con fecondazione interna e l'embrione, nutrito e ossigenato dalla madre per mezzo della placenta e del cordone ombelicale, si sviluppa all'interno di un sacco amniotico pieno di liquido, una sorta di 'piscina interna' in cui resta fino al momento in cui viene alla luce.

 4 - Acqua nelle piante
 Nelle piante non c'è nessuna struttura che spinge l'acqua fino alle foglie dei rami più alti e sono ancora le caratteristiche delle molecole di acqua che permettono il trasporto delle sostanze dalle foglie alle radici e dalle radici alle foglie.
 Nelle piante superiori, si sono sviluppati particolari tessuti di conduzione, ovvero delle strutture attraverso le quali l'acqua può raggiungere le foglie più alte e distribuire a tutte le parti della pianta le sostanze organiche sintetizzate nelle foglie. Anche nelle piante non vascolari il trasporto avviene nei due sensi, ma i tessuti di conduzione sono meno differenziati.
 Negli alberi ad alto fusto, come ad esempio le esemplari sequoie, l'acqua deve percorrere distanze che possono raggiungere anche diverse decine di metri. I meccanismi che contribuiscono alla risalita dell'acqua sono diversi, e ancora una volta ricollegabili alle sue caratteristiche microscopiche.
 L'acqua del terreno, infatti, passa per osmosi all'interno dei peli radicali attraverso la membrana costituita dalle cellule epidermiche. I peli radicali, quindi, assumono dal terreno soluzioni di ioni inorganici e di piccole molecole di sali minerali, permettendo l'instaurarsi di un flusso mantenuto dalle differenze di concentrazione tra l'esterno (soluzioni poco concentrate nel terreno) e l'interno della pianta (soluzioni molto concentrate nelle cellule). Si genera così quella che viene definita 'pressione radicale' che può essere sufficiente a spingere l'acqua fino ad altezze modeste, ma che non è certo in grado di farle raggiungere le sommità di grossi alberi o dei lunghi steli delle piante rampicanti. La pressione richiesta in questi casi è molto ingente e di gran lunga più elevata di quella sviluppata per osmosi, né il fenomeno può essere spiegato con l'aspirazione: anche il vuoto assoluto all'interno dell'albero non potrebbe sollevare una colonna d'acqua a più di 10 metri.
 Dati i minuscoli diametri dei vasi xilematici in cui scorrono acqua e sali minerali, le forze di capillarità possono svolgere un ruolo importante e, affiancandosi alla pressione radicale, contribuire a potenziare l'ascesa della linfa. Le caratteristiche polari delle molecole di cellulosa, costituente principale delle pareti cellulari delle piante, rendono questa sostanza altamente idrofilica e in grado, quindi, di instaurare forze di adesione particolarmente intense con le molecole d'acqua.
 Ma anche prendendo in considerazione la capillarità non si riesce a dar conto della risalita delle molecole d'acqua fino a quote considerevoli.
 C'e bisogno di un ulteriore forza trainante che faccia arrivare la linfa fino alla sommità della chioma. Così le piante sfruttano attivamente la perdita d'acqua che ha luogo a livello delle foglie, traendo vantaggio dalla tendenza alla disidratazione che rappresenterebbe un potenziale problema. Proprio dalla superficie delle foglie esposte all'aria l'acqua evapora continuamente attraverso particolari aperture: gli stomi. Questo fenomeno, chiamato traspirazione viene regolato dalla maggiore o minore apertura degli stomi stessi: se sono aperti l'acqua lascia la foglia in forma di vapore, se sono chiusi, l'acqua rimane trattenuta al suo interno e si evitano perdite eccessive di liquido.
 Il passaggio delle molecole dalla foglia all'atmosfera nel corso della traspirazione crea, a causa del grandissimo grado di coesione interno, una situazione di squilibro e di 'tensione' che concretamente risulta in una forza diretta verso l'alto che attrae l'acqua nella parte alta del sistema vascolare, vincendo la forza di gravità. Così il flusso d'acqua, trascinato dalle molecole che stanno evaporando, scorre senza frammentarsi dalla base dell'albero alla chioma.
 L'acqua resiste a questa tensione come un elastico teso che si deforma ma non si rompe a causa della fitta rete di legami idrogeno che la mantiene coesa. Il mantenimento di una colonna continua di liquido è fondamentale per la sopravvivenza della pianta: un'interruzione dovuta, per esempio, alla presenza di bolle che ostruissero il passaggio, provocherebbe la separazione in due spezzoni della colonna stessa con la parte inferiore che non potrebbe più essere richiamata verso la chioma. La struttura altamente interconnessa dei vasi xilematici (la possibilità cioè di trovare strade alternative in caso di interruzione), il piccolo diametro dei tubicini che li compongono, e una sostanziale impermeabilità delle pareti dei tubicini che non lascia disperdere l'acqua nei tessuti vegetali, garantendo che non ci siano perdite né di acqua né di pressione lungo il percorso, costituiscono le raffinate difese che le piante hanno evoluto per evitare la formazione di tali bolle e i loro effetti.
 Pressione radicale e traspirazione cooperano alla salita dell'acqua fino alle foglie: l'una spinge dal basso, l'altra tira dall'alto. Dalle radici che forniscono costantemente nuova soluzione salina fino ai germogli apicali, la pianta è quindi percorsa da un flusso continuo di acqua che, attraverso la traspirazione, si disperde nell'ambiente. Questo fenomeno ha delle dimensioni difficilmente immaginabili: un modesto albero di betulla traspira più di trecento litri d'acqua al giorno, molta più di quella che evaporerebbe dal suolo nudo; così anche una semplice pianta di grano, che pesa meno di mezzo chilo al momento del raccolto, ha assunto, trasportato e liberato nell'atmosfera quasi due quintali di acqua durante la sua vita.

 5 – Fotosintesi e respirazione
 Nel tessuto verde delle foglie avviene la fotosintesi che comprende a) i complicati processi endoergonici relativi all'attivazione e al trasferimento degli elettroni che dall'acqua vanno a ridurre l'accettore NADP + mentre si libera ossigeno molecolare nell'ambiente e b) le successive reazioni di organicazione del carbonio in cui la CO2 viene ridotta a carboidrato. I reagenti chimici sono dunque l'acqua che arriva alle foglie dalle radici e l'anidride carbonica che dall'aria entra nelle foglie attraverso gli stomi.
 Nelle foglie e nei fusti, in parallelo allo xilema, si trovano i tubi del floema, (comunemente detti vasi cribrosi) in cui avviene il trasporto delle sostanze costruite con la fotosintesi fino alle varie parti della pianta.
 Mentre l'acqua sale nello xilema per ragioni fisiche, sono i tubi del floema a mettere in comunicazione i luoghi di produzione e quelli di consumo che utilizzano di solito la sorgente più vicina. La soluzione con i prodotti della fotosintesi (linfa elaborata) deve essere distribuita in tutte le direzioni, e per questo servono i meccanismi del trasporto attivo che impiegano altra energia chimica.
 Le sostanze vegetali, formate a partire dagli zuccheri, sono alimento indispensabile per gli animali incapaci di sfruttare altre forme di energia e di costruire da soli le sostanze necessarie alla loro esistenza.
 Quando gli animali si nutrono e respirano, all'interno delle loro cellule (nei mitocondri), gli zuccheri (assunti con la nutrizione) e l'ossigeno (assunto con la respirazione) vengono reciprocamente trasformati. In presenza di ossigeno, infatti, circa il 50% della materia organica prodotta con la fotosintesi viene usata come combustibile per la respirazione cellulare e complessivamente ossidata ad anidride carbonica, liberando circa 686 kcal per mole di glucosio, con un rendimento di circa il 60%. Una parte dell'energia chimica rimasta nelle molecole fotosintetizzate viene trasferita ad altre molecole di ATP che si formano nel processo respiratorio, circa 32 per ogni molecola di zucchero: l'ATP, trasportato nei luoghi appropriati della cellula, servirà per il movimento, il calore e la vita dell'organismo.
 Al termine del processo respiratorio, l'accettore finale degli elettroni e degli ioni idrogeno che componevano la molecola dello zucchero è proprio l'ossigeno, fortemente elettronegativo, che viene così ridotto ad acqua. Contemporaneamente, il carbonio si ossida a CO2, e viene eliminato nell'ambiente con i meccanismi respiratori.
 Si ricostruiscono così, con una sorta di demolizione ossidativa degli zuccheri che coinvolge processi di fosforilazione e di produzione di ATP, le due molecole di acqua e di anidride carbonica utilizzate nella fotosintesi.
 Mentre fotosintesi e respirazione sono due processi che dal punto di vista della materia procedono in senso inverso e che - di conseguenza - fanno parte di un ciclo che si avvia e si conclude con acqua e anidride carbonica, considerazioni analoghe non si possono fare per l'energia che non ha una 'storia' ciclica, ma viene degradata nei processi vitali. L'energia solare, infatti, attraverso le sue successive trasformazioni in altre forme di energia (chimica, meccanica, ecc.) ha reso possibile il funzionamento dei viventi e infine, dissipandosi completamente in calore, si è dispersa nell'Universo - cosa che sarebbe successa ugualmente anche se i viventi non l'avessero per un momento bloccata e trasformata per il loro mantenimento.

 6 - Stabilizzare la temperatura
 A livello 'ecosistemico' l'acqua interviene nel determinare le condizioni adatte alla vita, stabilizzando la temperatura ambientale col suo alto calore specifico, formando strati di ghiaccio galleggianti che impediscono il congelamento delle vaste distese oceaniche, rispondendo alle variazioni di temperatura terrestre con la modificazione dell'equilibrio tra i suoi tre stati. Al livello dei sistemi biologici, dal più semplice al più complesso, è importante notare che mentre l'ambiente esterno può essere soggetto a fluttuazioni estreme delle variabili ambientali, l'ambiente interno tende a essere relativamente costante (in uno stato relativamente stazionario) e l'acqua - con le sue proprietà chimico fisiche - contribuisce al mantenimento dell'equilibrio omeostatico. Per esempio, nel corpo umano fino al livello cellulare, l'elevato calore specifico dell'acqua presente nei tessuti e nelle cellule, e la circolazione del sangue (composto, nella sua parte liquida, per il 90% di acqua) stabilizzano la temperatura corporea, controllata a livello dell'ipofisi, ma che comunque non può superare i 43°C senza gravissimi rischi per l'organismo. La termoregolazione è essenziale non solo per gli animali detti omeotermi, ma anche per gli eterotermi i quali, pur non disponendo dei complessi meccanismi termoregolativi degli altri, esercitano in vari modi un controllo sulla temperatura del proprio ambiente interno.
 Per esempio, tutte le reazioni chimiche che sostengono la vita coinvolgono soluti disciolti in acqua, e questo abbassa il punto di congelamento della soluzione-citoplasma. In climi estremamente freddi, i fluidi interni di pesci e invertebrati polari possono raggiungere i –1,9°C senza danno per l'animale. In questi casi, il soluto è principalmente uno zucchero, ma anche molte glicoproteine funzionano da antigelo, evitando la formazione di cristalli di ghiaccio nel citoplasma.

 7 - Problemi di osmosi
 Dunque l'acqua, costituente essenziale del citoplasma, può entrare nelle cellule. E allora perché le piante, o le nostre mani, immerse nell'acqua non si gonfiano come le spugne?
 Per capirlo, bisogna guardare come è fatta la membrana cellulare che lascia entrare e uscire, a seconda dei casi, le diverse sostanze. Le membrane, infatti, non sono completamente permeabili all'acqua ma - si dice - sono semi-permeabili: alcune sostanze come l'acqua, ioni inorganici (Na+, Cl-, K+…), sali minerali, e piccole molecole polari come gli zuccheri e gli aminoacidi possono attraversarle rapidamente.
 Le membrane cellulari sono formate da un doppio strato di molecole - chiamate fosfolipidi - composte da una testa 'polare' (i gruppi fosforici, idrofilici) e una coda formata da molecole di grassi (i lipidi, idrofobici). Le teste sono rivolte verso l'esterno acquoso che circonda le cellule, le code sono rivolte all'interno del doppio strato che compone la membrana. La polarità dello strato esterno della membrana permette il passaggio alle molecole polari dell'acqua e delle sostanze rivestite di acqua, cioè in soluzione. Le molecole non polari non possono passare direttamente attraverso la membrana, e per entrare sfruttano meccanismi di trasporto attivo che richiedono energia e consumando per questo grandi quantità di ATP.
 Altre sostanze non polari, liposolubili, possono attraversare la membrana sciogliendosi nello strato interno di lipidi.
 Per entrare nella cellula superando le barriere semipermeabili che la proteggono bisogna rispettare le regole dell'osmosi, che riguardano il gradiente di concentrazione attraverso membrane semipermeabili. Se una sostanza in soluzione (molecole, ioni o l'acqua stessa), è presente all'esterno della cellula in concentrazione più elevata che al suo interno, il passaggio all'interno è permesso. Se la concentrazione interna è più elevata, le molecole devono uscire. Quando le concentrazioni esterna e interna sono uguali, il passaggio è consentito nelle due direzioni, e si stabilisce una situazione di equilibrio tra flusso in entrata e flusso in uscita.

 *Responsabile del progetto di ricerca Cnr "Educazione scientifica e ambientale". Collabora con dipartimenti universitari di Scienze dell'educazione, circoli didattici ed enti locali.
 **Docente di Matematica e Scienze in una scuola media di Roma. Collabora con il progetto di didattica della scienza del Cnr, coordinato da Maria Arcà, partecipando a corsi di formazione per insegnanti.

Pubblicato il 23/2/2007
 
 








Postato il Lunedì, 26 febbraio 2007 ore 00:05:00 CET di Silvana La Porta
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