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Sei atomi di carbonio legati ad atomi di ossigeno e idrogeno: è la molecola del glucosio, fonte fondamentale di energia per tutti gli esseri viventi. Foto: Laguna Design/Scienze Photo Library

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Scienza. Una parola, tanti misteri

di Valentina Murelli

14 marzo 2012

Definire dal punto di vista scientifico l'energia non è facile. È un concetto con molte facce, che si incontra ovunque. E che contiene anche alcuni lati oscuri.

Che cos’è, dunque, l’energia? Bella domanda! Quello di energia è il classico concetto di cui intuiamo il significato, al punto da utilizzarlo senza incertezze nel linguaggio comune (“bevande energetiche”, “pieno di energia”, “non avere più energie”). Una definizione precisa, però, è tutt’altra faccenda. Sappiamo che energia è tutto ciò che lavora per noi: quel “qualcosa” che cuoce la torta in forno e ci permette di leggere la sera, a letto, o di ascoltare un CD di musica.

E naturalmente che fa muovere la nostra auto nel traffico. Sappiamo che è “qualcosa” che possiedono tutti gli esseri viventi: senza energia non c’è vita. L’etimologia può dare una mano: il termine viene dal greco enérgeia, a sua volta derivato da energós, cioè “attivo”, “dentro al lavoro” (enérgon). Non per nulla, per il filosofo greco Aristotele enérgeia è qualcosa che non si limita a esistere, a essere presente, ma è anche in grado di provocare effetti. Energia dunque non è una sostanza concreta, anche se parliamo di “immagazzinarla” o “conservarla”, ma piuttosto una capacità. Di fare che? Potremmo dire, semplicemente, “di provocare un cambiamento”.

Foto: A. Famsworth/Marka

Nei libri di fisica la definizione di energia è secca: capacità di un corpo di compiere lavoro. Dove “lavoro” (L) ha un significato ben preciso: quello di prodotto di una forza (F) per lo spostamento dal suo punto di applicazione (Δs). In formula: L = F x Δs. Insomma, in fisica il lavoro è la grandezza che misura il cambiamento di configurazione di un sistema. L’energia di conseguenza è la capacità di un corpo o di un sistema di indurre una trasformazione su un altro corpo o sistema iteragendo con esso. Per esempio una palla da biliardo toccata dalla stecca di un giocatore, che fa muovere un’altra palla da biliaro.

In fisica, l’energia, come il lavoro e anche il calore, si misura in Joule. Un Joule è il lavoro prodotto dalla forza di un Newton (altra unità di misura) quando il suo punto di applicazione viene spostato di un metro. Esistono tuttavia anche altre unità di misura dell’energia, più familiari rispetto alle attività della vita quotidiana: per esempio la caloria (quantità di calore necessaria per innalzare di un grado centigrado, da 14,5 a 15,5 °C, la temperatura di un grammo di acqua distillata) e il kilowattora, comunemente utilizzato per misurare i consumi di energia elettrica.

UN CONCETTO, TANTE FACCE
Di energia non ce n’è una sola. Al contrario, se ne contano diverse forme, benché tutte rientrino in due categorie principali: l’energia potenziale, che è in qualche modo “bloccata”, non espressa, e l’energia cinetica, che si esprime con il movimento di corpi e oggetti (per esempio la discesa di uno sciatore dalla cima di una montagna verso valle). Naturalmente, non si tratta solo dei movimenti macroscopici. Ecco una breve rassegna delle forme di energia potenziale.

  • Chimica. Energia immagazzinata nei legami chimici tra atomi e molecole, assorbita o rilasciata nel corso delle reazioni. Esempio: quando si brucia gas naturale o petrolio, si rilascia l’energia contenuta nei legami chimici che tengono insieme atomi e molecole di queste sostanze.
  • Elastica. Energia immagazzinata in un corpo (per esempio una molla o un elastico) che, dopo essere stato deformato da forze esterne, può tornare alla configurazione originaria. Rilasciando, appunto, energia.
  • Gravitazionale. Energia di posizione, posseduta da un corpo in virtù della posizione che occupa. Un esempio classico è quello dello sciatore sulla cima di una montagna: può scendere a una velocità elevatissima, ma finché rimane fermo in cima possiede soltanto energia potenziale.
  • Nucleare. Energia che tiene insieme i nuclei degli atomi e che può essere liberata quando i nuclei atomici vengono scissi (processo di fissione nucleare, quello che avviene nelle centrali) oppure fusi insieme (processo di fusione: si verifica per esempio nelle stelle). E ora, le forme di energia cinetica.
  • Elettrica. Energia che dipende dal moto di cariche elettriche (per esempio dal moto di elettroni lungo un cavo).
  • Radiante. Energia emessa sotto forma di onde elettromagnetiche. Ne sono esempi la luce, le onde radio, i raggi X e i raggi gamma.
  • Sonora. Energia che si trasmette sotto forma di onde in grado di indurre vibrazioni meccaniche di corpi (come gli ossicini dell’orecchio medio: è proprio questa vibrazione che ci permette di udire i suoni).
  • Termica. Energia dipendente dai movimenti e dalle vibrazioni di atomi e molecole all’interno di un corpo o sostanza. Tutti i corpi che si trovano a una temperatura superiore allo zero assoluto (-273 °C) possiedono energia termica, anche se ci sembrano freddissimi.
L'illustrazione della collisione di due atomi. L'energia atomica può essere prodotta sia attraverso la fissione che attraverso la fusione degli atomi. Foto: Visuals Unlimited, Inc./Carol & Mike Werner/SPL

L'illustrazione della collisione di due atomi. L'energia atomica può essere prodotta sia attraverso la fissione che attraverso la fusione degli atomi. Foto: Visuals Unlimited, Inc./Carol & Mike Werner/SPL

ENERGIA PER LA COMPLESSITA’ DELLA VITA

Se provate a chiedere a Nick Lane, biochimico dell’University College di Londra, quale sia la differenza principale tra procarioti ed eucarioti, di certo risponderà in prima battuta: i mitocondri. Per un rapido orientamento: i procarioti sono batteri e archebatteri, organismi costituiti da una sola cellula dalla struttura piuttosto semplice.

Gli eucarioti sono tutti gli altri viventi: da microscopici organismi unicellulari a giganteschi pluricellulari. Funghi, piante, animali. La cellula eucariote è complessa e caratterizzata da vari compartimenti interni, tra cui i mitocondri, organuli deputati alla produzione di energia a partire dalla demolizione di sostanze nutritive (respirazione cellulare).

L’interesse di Lane per i mitocondri nasce in realtà da una domanda piuttosto sottile: perché a un certo punto della storia evolutiva della vita sulla Terra le cellule eucariote sono “esplose” in una varietà impressionante di funzioni e di forme complesse (dai protozoi della malaria ai baobab, dai porcini ai pipistrelli) mentre quelle procariote sono rimaste sostanzialmente stabili? Per rispondere, il biochimico compie anzitutto un balzo all’indietro, fino alla nascita – circa due miliardi di anni fa – della prima cellula eucariote, dovuta molto probabilmente a un evento di endosimbiosi: un particolare procariote ne avrebbe ospitato al suo interno un altro che, con il tempo, si sarebbe trasformato in mitocondrio.

Ecco dunque entrare in scena l’organulo produttore di energia. Basta questo a giustificare la complessità degli eucarioti? In un certo senso sì, ma Lane prova a capire meglio perché (in fin dei conti, anche i procarioti possono produrre energia in modo efficiente), chiamando in causa un’altra differenza fondamentale tra procarioti ed eucarioti e cioè il fatto che i secondi hanno genomi tipicamente molto più grandi dei primi. Poter ospitare un genoma più grande significa anche potersi concedere il “lusso” di sequenze ripetute e sequenze non codificanti, che funzionano come materiale grezzo su cui l’evoluzione più sperimentare nuove varianti.

È un lusso molto costoso, in termini energetici: mantenere, duplicare ed esprimere grandi genomi non è impegno da poco. In questo scenario, secondo Lane, i mitocondri non sarebbero importanti “solo” per il loro ruolo di centrali energetiche, ma anche per il fatto che – possedendo un proprio genoma, con geni coinvolti nella produzione di energia – sono centrali autonome. Centrali in grado di lavorare e di moltiplicarsi senza gravare troppo sul resto della cellula e del suo DNA, che rimane quindi libero di crescere di dimensioni. Fino al punto di diventare un più efficace “banco di prova” per “esperimenti evolutivi”.

I mitocondri di cellule cardiache al microscopio elettronico: sono questi organelli a produrre l'energia necessaria alle cellule. Foto: Steve Gschmeissner/Science Photo Library

I mitocondri di cellule cardiache al microscopio elettronico: sono questi organelli a produrre l'energia necessaria alle cellule. Foto: Steve Gschmeissner/Science Photo Library

IL LATO OSCURO DELL’UNIVERSO
Tipicamente si considera come unica fonte di energia nell’Universo la materia, che appunto si traforma in energia secondo la ben nota equazione di Einstein:

E = mc2 (con c velocità della luce nel vuoto)

Si fa presto, però, a dire “materia” ed “energia”. Sappiamo infatti che solo il 10% della materia dell’Universo è nota, costituita da atomi e particelle conosciuti. Il restante 90% è di natura sconosciuta ed è chiamata materia oscura, perché è invisibile all’osservazione e alla misurazione diretta e la si può rilevare solo indirettamente, attraverso gli effetti gravitazioni che produce sulla materia “visibile”.

E non è finita, perché per i cosmologi esiste un’altra entità ancora più misteriosa e sfuggente: l’energia oscura, che rende conto del fenomeno dell’espansione dell’Universo. Una quindicina di anni fa si è infatti scoperto che, contrariamente a quanto previsto fino a quel momento, l’espansione dell’Universo anziché rallentare sarebbe oggi in accelerazione. Per spiegare questo fenomeno, si è ipotizzata l’esistenza di un’energia che agisce in modo opposto alla gravità e che sarebbe appunto l’energia oscura. Un’entità ancora tutta da conoscere.

Approfondimenti
Tutto si trasforma

Non consumare energia, risparmiala! In tempi di grave crisi economica, con le tradizionali fonti energetiche sul banco degli imputati come principali indiziati del fenomeno di riscaldamento globale, l’imperativo è quanto mai opportuno e necessario.

A guardarlo bene, però, è anche un’altra delle trappole linguistiche che hanno a che fare con il tema dell’energia. Già: perché in fisica l’energia non si consuma: al massimo cambia forma, si trasforma. Bruciando benzina, un motore converte l’energia chimica di questa sostanza in energia meccanica e termica. Allo stesso modo, una cella solare fotovoltaica converte l’energia radiante proveniente dal Sole in energia elettrica.

Ma se l’energia non si “consuma”, significa che la quantità totale di energia presente in un sistema chiuso, cioè che non scambia materia ed energia con l’esterno, rimane sempre la stessa. Ecco, in breve, il fondamentale principio di conservazione dell’energia. I primi a intuire il concetto di conservazione, di invarianza, furono gli atomisti greci, con un riferimento particolare alla materia (costituita da “atomi”, elementi microscopici e indivisibili) e alla sua indistruttibilità.

Diceva Democrito: «Niente viene dal niente e niente può diventare niente», e aggiungeva Epicuro «altrimenti tutto può venire da tutto». Concetti ampiamente ripresi dal latino Lucrezio nel suo De Rerum Naturae. Già allora, però, la conservazione non era attribuita solo alla materia, ma anche ai moti degli atomi, che venivano dunque visti come qualcosa che potesse essere indefinitamente ridistribuito. Nasce proprio da qui la straordinaria (e, ahinoi!, infondata) idea di costruire un motore perpetuo, una macchina in grado di fornire continuamente lavoro senza venire alimentata.

Per approfondire

 

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