Giovanni Villani

L’approccio chimico al vivente, lungo il percorso dalla chimica biologica alla biochimica e, infine, alla biologia molecolare, ha cercato di mettere in relazione la prospettiva meccanica di una materia passiva con la prospettiva chimica di una materia attiva, approcci da sempre presenti, e spesso contrapposti, nel discorso sul vivente.
Oggigiorno, questi due approcci al vivente possono trovare una sintesi in un’ottica chimica che tiene conto delle riflessioni generali sulla complessità e sulla sistemica, in un’ottica della «complessità sistemica» che permetta di superare l’implicito riduzionismo dell’approccio chimico al vivente.

Si è svolto a Pisa il congresso nazionale organizzato dalla Divisione Didattica della Chimica della Società Chimica Italiana, edizione 2016. Tra i temi affrontati: la didattica della chimica nelle scuole di ogni ordine e grado, la didattica universitaria, la formazione degli insegnanti e la didattica in contesti non formali.

Hydrogen atom transfer and the related electronic rearrangement in the hydrated C–G base pair have been studied in order to understand the role of the hydrogen bonds between the bases and those with the water molecules in these processes. The modification of hydrogen transfer due to the first shell and bulk hydration has been analysed. The different structures, when the hydrogen atom moves in a H-bond or in another bond, have been studied. Two naïve schemes, where the water molecules are only indirectly or directly involved in the hydrogen atom transfer, have been considered. The results support the idea that the actual mechanisms are more complex than these schemes. Hydration modifies the potential energy curves of both tautomers and zwitterionic structures, but does not generate new stable structures (minimum PES) of these types. We find a new stable structure due to both a reorganization of the two down water molecules and other global changes of the system. This new system is generated from a zwitterionic structure. The charges, during hydrogen transfer, of the hydrogen donor and of the hydrogen acceptor part of the base pair and of the hydrogen atoms between the bases have been determined and their modifications, due to the first shell and bulk hydration, have been analysed. The qualitative and quantitative behavior has been studied.

Three different dimers of the adenine-thymine (A-T) base pair are studied to point out the changes of important properties (structure, atomic charge, energy and so on) induced by coupling between the movement of the atoms in the hydrogen bonds and the stacking interaction. The comparison of these results with those for the A-T monomer system explains the role of the stacking interaction in the hydrogen-atom transfer in this biologically important base pair. The results support the idea that this coupling depends on the exact dimer considered and is different for the N-N and N-O hydrogen bonds. In particular, the correlation between the hydrogen transfer and the stacking interaction is more relevant for the N-N bridge than for the N-O one. Also, the two different mechanisms of two-hydrogen transfer (step by step and concerted) can be modified by the stacking interaction between the base pairs.

ABSTRACT The coupling between the hydrogen atoms transfer and the base pair opening processes in the adenine–thymine system have been studied with a quantum-dynamics theoretical approach in a four-dimensional model. The modifications induced by the explicit inclusion of the out-of-plane hydrogen atom position in the two bridges have been evidenced and the consequences on the biological properties suggested.

Three different dimers of the adenine-thymine (A-T) base pair are studied to point out the changes of important properties (structure, atomic charge, energy and so on) induced by coupling between the movement of the atoms in the hydrogen bonds and the stacking interaction. The comparison of these results with those for the A-T monomer system explains the role of the stacking interaction in the hydrogen-atom transfer in this biologically important base pair. The results support the idea that this coupling depends on the exact dimer considered and is different for the N-N and N-O hydrogen bonds. In particular, the correlation between the hydrogen transfer and the stacking interaction is more relevant for the N-N bridge than for the N-O one. Also, the two different mechanisms of two-hydrogen transfer (step by step and concerted) can be modified by the stacking interaction between the base pairs.

Il concetto di struttura è fondamentale in molti campi del sapere e, tanto in ambito epistemologico quanto in quello scientifico, ha acquisito di recente ulteriore importanza con il tramontare dell’approccio riduzionista ed il sorgere delle Scienze della Complessità e della Teoria Generale dei Sistemi. In chimica il concetto di struttura è utilizzato in più contesti: si parla di struttura cristallina, di struttura molecolare, ecc. Qui noi ci occuperemo solo della struttura molecolare, evidenziando sia le problematiche storiche, e concentrandoci in particolare sul XIX secolo fondamentale per questo concetto, che quelle recenti, come la chimica supramolecolare o le sovrastrutture biologiche. Scopo principale di questo lavoro è mostrare che la molecola non è un aggregato di atomi ed è, quindi, diversa dalla somma dei suoi costituenti proprio in virtù del concetto di struttura. Andrebbe, quindi, utilizzata e valorizzata la dizione di “sistema molecolare”, nel senso della Teoria Generale dei Sistemi.

In questo lavoro si vuole sottolineare che un docente di area scientifica, sia esso della scuola primaria o dell’università, non può non conoscere “per grandi linee” le problematiche generali e l’evoluzione storica della disciplina che insegna. Nell’impostazione del lavoro didattico, infatti, consciamente o meno, accetta un particolare substrato culturale in cui posizionare i concetti e le applicazioni scientifiche specifiche.

L’epistemologia è quella parte della gnoseologia (teoria della conoscenza) che studia sia gli aspetti comuni a tutte le discipline scientifiche e/o più in generale, al sapere scientifico (i fondamenti, la validità, i limiti della conoscenza scientifica), sia gli aspetti specifici di ogni dominio scientifico disciplinare e i loro rapporti.
Entrambe queste declinazioni sono parte fondamentale della formazione di un insegnante di scienze, il quale deve avere consapevolezza della natura, della struttura logica, dell’origine e dell’evoluzione storica del sapere che insegna; inoltre, laddove insegni più di una disciplina, deve conoscerne le mutue interazioni.

This paper examines the theory of Mendeleev as is set forth illustrated by its main text. We note that it is based on three problems, the first two corresponding to those of thermodynamics in the formulation of his founder, Sadi Carnot. For both theories, the chemistry of Mendeleev and the thermodynamics of Carnot, the first problem is of quantitative nature (to study all chemical reactions and all forms of energy, respectively) and generates invariants (the elements of matter and the different forms of energy); the second problem, instead, is related to the quality (the limit bound on the convertibility among the substances and the limit bound on the convertibility among the forms of energy). There is, finally, the third problem of the chemistry but not of the thermodynamics, of the various analogies among the elements. Moreover, both theories have also the same choice - in opposition to the infinitesimal analysis of mechanics - of a simple mathematics: that of the arithmetic of the natural numbers and of the continuous variations. The parallelism between these two theories continued through the chemical-physicist Broensted, who has founded anew the thermodynamics on the concept of work, conceived in analogy to the hyle of the alchemists. This setting of the foundations of chemical theory was disregarded since the birth of physical chemistry, also due to the greater confidence given by its increase in the level of mathematics used.

Prefazione
Troppo spesso la scuola, invece di accendere un fuoco, spegne la curiosità. Le motivazioni sono molte e variegate, e non sono soltanto intrinseche al mondo scolastico; tuttavia, è indubbio che prassi didattiche poco consapevoli, un’organizzazione scolastica e un quadro legislativo lontani dall’ideale, un’azione di formazione dei docenti non sempre adeguata sul piano pedagogico e didattico-disciplinare concorrano a realizzare una perdita d’interesse per gli argomenti studiati.

Questo numero speciale de La Chimica nella Scuola del 2010 da me curato è incentrato sulla caratterizzazione della Chimica e sul rapporto con le altre discipline scientifiche. È questo un argomento culturale di notevole rilevanza in sé, ma con notevoli risvolti sia verso l’interno della disciplina, e in questo contesto ci occuperemo principalmente degli aspetti didattici, sia verso l’esterno, e ci occuperemo principalmente di immagine della chimica e di comunicazione scientifica.

Nella seconda metà del secolo scorso, senza clamore giornalistico e senza che il grande pubblico se ne sia accorto, sono avvenute due “rivoluzioni” scientifiche che hanno modificato nella sostanza l’immagine del mondo offerta dalla scienza e, di riflesso, hanno posto fondamentali problemi alla didattica delle discipline scientifiche. Esse vanno sotto i nomi di “Scienze della Complessità” e “Teoria generale dei sistemi”. In questo lavoro si metteranno in evidenza i cambiamenti avvenuti in ambito scientifico a seguito di ciò e si accennerà al problema didattico.

Il concetto di sistema ha due accezioni diverse in ambito scientifico. In certi ambiti (per esempio in meccanica) per sistema s’intende un pezzo di realtà (un ente) in studio. Tale concetto non è per niente collegato ai concetti d’organizzazione o di strutturazione. In altre realtà, si pensi ai sistemi viventi, nel concetto di sistema è implicito che si stia parlano di un pezzo di realtà strutturata e/o organizzata. L’accezione di sistema che useremo in questo lavoro è la seconda, vale a dire quella di realtà
strutturata.
La valenza didattica del concetto di sistema è, a mio avviso, fondamentale in generale ed essenziale in chimica. Non credo sia, infatti, possibile introdurre correttamente i concetti di molecola (in ambito microscopico) e di composto chimico (in quello macroscopico) senza specificare che sono dei sistemi chimici, cioè delle frazioni strutturate/organizzate di realtà.

Lo scopo di questo lavoro è apparentemente limitato: proporre un cambiamento di dizione alla legge di Lavoisier della “conservazione della massa” che si dovrebbe chiamare legge di “conservazione delle masse”. In realtà, questa “piccola” modifica è possibile solo in una particolare ottica metascientifica e filosofica, dove il ruolo delle singole discipline è mutato e anche il loro rapporto è diverso da quello dell’ottica riduzionista, a lungo dominante.

Una corretta e coerente didattica delle scienze richiede di considerare, tra i tanti contributi che concorrono a costituirla, la storia e la filosofia della scienza. Il loro apporto alla didattica, attraverso l'introduzione nell'insegnamento di un approccio storico/epistemologico è, a mio avviso, fondamentale.

In the second half of the last century, two scientific "revolutions" occurred which substantially changed the image of the world offered by science. They go by the names of “Complexity Sciences” and “General Systems Theory”. The extent of these revolutions has not yet been totally "absorbed". To date, the vast majority of physicists, a good part of chemists and some biologists continue to think with nineteenth-century schemes, with the opposite paradigm of "simplicity". In this context, we propose chemistry as a lock pick to undermine the "simple" image of the material world that is currently proposed.

Galileo's scientific method, Galileo himself tells us, is built on two pillars: sensate esperienze and dimostrazioni necessarie. In modern terms, experiments and mathematical formalization. These two pillars played a fundamental epistemological/scientific role and demarcated natural science from philosophical interpretations at the birth of modern science. The other side of the coin of the Galilean cultural revolution was that this definition of science placed not only all the human and social sciences, but also the entire chemical-biological-medical scientific area outside the scientific boundary. This last area, over a three-century long journey, has built a third scientific pillar centered on chemical symbolism, essential for the modern definition of scientificity. This process of scientific "reappropriation" occurred in the animate, inanimate and in the world of artificial substances. Today we can certainly say that chemistry is the preferred language for a scientific description of matter, whether inanimate or animate, whether natural or artificial. It is to the example of chemical symbolism that the human and social sciences should refer for a complete reunification with the natural sciences.

Lo scopo di questo lavoro è duplice. Da un lato, analizzare nelle sue forme generali il rapporto tra la ricerca scientifica e l'etica; dall'altro, far vedere con tre esempi mirati (uno di Fisica, uno di Chimica e uno di Biologia) come lo stesso rapporto tra scienza ed etica si sia modificato nell'ultimo secolo e indicare delle specificità disciplinari. L'idea che sta alla base di questo lavoro è che l'immagine di una ricerca scientifica pura (e quindi senza o con pochi problemi di etica) e di una applicazione tecnica su cui scaricare questi problemi è sempre meno applicabile alla scienza odierna. La tecnoscienza, come è stata chiamata la scienza odierna, ha portato a ridurre, fin quasi ad annullarsi, la distanza tra la ricerca scientifica e la sua applicazione portando, di conseguenza, completamente all'interno del mondo scientifico le problematiche etiche.

The microscopic world of chemistry is varied and articulated and is distributed across three levels of complexity. In a first level of complexity we find atoms, both in their «elementary» forms and in ionic ones. For them we have a corresponding
atomic structure and these entities have spherical symmetry. In the second level we have molecules and, alongside the structure of the atoms that compose them, we have a global molecular structure. These entities are the smallest that are not spherically symmetric, therefore they have a «shape», and this poses quite a few epistemological problems for a Quantum Mechanics which has a spherosymmetric energy operator (Hamiltonian). Furthermore, molecules have a complex internal dynamics that conditions their transformation properties. Finally, in complex systems (and not just in the biological ones), we have macromolecules. Furthermore, biological ones present the conceptual problem of having different constituent molecular units, for example the twenty amino acids of proteins. Therefore, a global shape of the macromolecule is added to the shape of the constituent molecules and the sequence of constituents concretizes an essential specific content of information. The static and dynamic characteristics of microscopic chemical entities are then modified in the interaction of these entities with the environment.
In this report we will mention when and how these dynamic entities of the three levels of complexity were conceptualized and how this plurality of dynamic entities transformed the reductionist chemical perspective into a systemic perspective.

Da millenni si parla del concetto di trasformazione della materia e della sua rilevanza nel discorso sulla Natura delle Cose. Già Lucrezio si occupava di come “nessun oggetto nasce mai, per azione divina, dal nulla” e tutte le sue modifiche erano già ricondotte a livello atomico.
Oggigiorno, il concetto di trasformazione è diventato unificante tra le discipline scientifiche e non solo.

The process and the entity concepts in chemistry and in physics (with a few words to the same concepts in biology) have been analysed. A first aspect underlined in this paper is the relativity of these two concepts and their relations to the time—scales and to the measurement devises.
In mechanics “an object in transformation” can be studied by the help of a differentiation between the “system variables”, that they identify the system, and “configuration (or state) variables”, that they describe the dynamical state of the system. Instead, in chemistry an entity is an object with characteristic properties (static and dynamical) so particular than it has a proper name. There are entities in both the macroscopic (chemical substances) and the microscopic world (molecules and atoms).
A fundamental point underlined in the paper is that in the chemistry picture they exist million of these different objects. It is this complex world the material of the chemical explication of both inanimate and animate things.
Also the process concept is different in chemistry and in physics. In the paper we analyse the different interpretation of the substance transformation (reactivity) in these two disciplines: in physics this is considered a modification of the equilibrium condition of a syStem, due to a perturbation; in chemistry a modification of the system, due to the “death” and the “birth” of different substances. The couple transformation/transition can identify the point of view of the physics and the chemistry about the substance modification.
An important point underlined in the paper is that in the conceptual movement from the physics to the chemistry (and, finally, to the biology) the importance of the entity concept increases and that of the process concept decreases.
The entity and process concepts generate in physics and in chemistry two different explanations: the first based on the law and the second on the presence in the system of individual entity and on their properties. In the paper we underline that this implies two different approaches to the material world: that of the physics and that of the chemistry. Two general consequences are shown in the paper: the first about the relation between the chemistry and the physics and the second on the reductionism and about the inanimate—animate and animal—man dichotomies.

E' passato ormai più di un secolo da quando la quantizzazione dell'energia di inizio XX secolo rivoluzionò la fisica, provocando la transizione dalla Meccanica Classica newtoniana alla Meccanica Quantistica. Negli stessi anni, e spesso con gli stessi protagonisti, (si pensi ad Einstein) nasceva anche la Meccanica Relativistica. Queste due rivoluzioni della meccanica hanno cambiato la generale immagine del mondo (anche fuori del ristretto ambito scientifico), o avrebbero dovuto farlo, ma, a distanza di un secolo, la scuola secondaria italiana fatica ad adattarsi alla "nuova visione" del mondo.

ABSTRACT Aim of this paper is to present a computational revisitation of the main structural and spectroscopic features of quinhydrone, a prototype of complexes built on noncovalent interactions, with a view to proposing an accurate yet computationally convenient approach to the characterization of such kind of complexes. Several methods are compared in terms of energy profiles along selected coordinates, which involve the relative distance and/or orientation of the two aromatic rings. MP2 and DFT calculations agree in indicating that H-bonding and dispersion forces play a more important role than charge transfer in stabilizing quinhydrone. Distance- and orientation-dependent overlap of π clouds was found by TD-DFT calculations to be a major determinant of quinhydrone visible absorption and color.

Mary Jo Ondrechen,*J Alessandro Ferretti,+ Alessandro Lami,? and Giovanni Villanit ... Istituto di Chimica Quantistica ed Energetica Molecolare del CNR, Via Risorgimento 35, I-56126 Pisa, Italy; Department of Chemistry, Northeastern University, Boston, Massachusetts 021 ...

We present simulations of wave-packet dynamics for a model of a conical intersection in two dimensions. The potential energy surfaces and couplings are functions of a total symmetrical coordinate and of a symmetry breaking one. The wave packet crosses the coupling region once, moving essentially in the direction of the symmetrical coordinate. The dynamics are determined by two methods, one quantum mechanical and the other semiclassical, based on trajectories and surface hopping. The semiclassical approximation is quite adequate for low coupling strengths in the diabatic representation, less so for larger couplings. Approximate analytic solutions for the two-dimensional problem and for one-dimensional analogs are provided, in order to generalize the numerical results and to analyze the reasons of the discrepancies between semiclassical and quantum mechanical results.

In this paper we will analyze the transformation that thermodynamics underwent in the second part of the 20th century. This transformation is still on going and we do not know whether it will lead to a complete restructuring of physics, as Prigogine hoped, or only to a sub-discipline that allows us to study important, but still limited, systems. Even in the latter case, however, the relevance of the systems studied, such as open biological systems, and a "new" understanding of the concepts of order and organization configure this transformation of thermodynamics as "revolutionary".

In this article, we investigate the propagation of an intrinsic (not environmental) perturbation along the DNA chain. In particular, the conditions were sought so that a perturbation, in addition to moving in a coherent and complete manner, remained enclosed within a DNA fragment for a life time similar to those of biological interest of hundreds of picoseconds or in the time scale of nanoseconds. The conditions of closure of these pieces of DNA and the conditions of prolongation of the life time of the perturbation have allowed us to introduce the concept of time-island for the base-pairs sequences with these characteristics. The amount of such time-islands in human chromosomes and their coding parts has been calculated, and their uneven distribution has been highlighted. Finally, we study pieces of DNA made up of numerous replicas, as in the Huntington’s disease. These systems with a number of replicas of the tens of units are, in fact, time-islands, albeit different from the simple ones already studied. By increasing the number of replicas, however, these time-islands tend to disappear because the coherence of the movement of the perturbation within them is lost. In this perspective, Huntington’s disease, and other similar diseases, could be interpreted as the loss of a time-island. 

The concept of physical observation and its quantitative refinement, measurement, is one of the main scientific concepts because, after all, it constitutes the link between theory and experience. It is only with quantum mechanics that the measurement problem becomes part of a scientific theory, but, up to now, without a satisfactory general and universally accepted solution.
Many theories of measurement have been proposed in quantum mechanics following the first one due to von Neumann. A complete review of these theories is out of the aim of this paper; in fact, in the Section II, we revise only the principal (and oldest) ones; in particular the Copenhagen interpretation of measurement, the von Neumann conception with the extension of London and Bauer and, finally, the Everett interpretation. The purpose of this analysis is to show that, in spite of the different solutions given to the measurement problem, these theories have a common approach and philosophical substrate. This common area, that we name "absolute measurement", creates some specific problems and open questions, the most famous one being the reduction problem. In our opinion, these problems are not solved adopting this approach, and in Section III we propose a new approach starting from the concept of "relative measurement". The consequences of this new approach to quantum mechanics are investigated.
As far as more general ontological and epistemological problems are concerned, in Section IV, we study the relationship between physical objects on the one hand, and human consciousness on the other.

“La vita non è altro che chimica” e “la vita non è riducibile a chimica” sono due idee opposte dello storico problema di identificare la specificità del vivente. Sebbene siano due posizioni opposte, per entrambe la chimica è un punto di riferimento per “leggere” il vivente, è la prospettiva privilegiata in cui “interpretare” il vivente. La prospettiva di questo libro non è quella riduzionista, ma quella sistemica delle relazioni. La vita, come le altre proprietà emergenti, non si esaurisce nelle relazioni con l’interno (le sostanze chimiche costituenti) e con l’esterno (l’ambiente), ma senza di esse non è studiabile scientificamente. Il linguaggio chimico, infatti, è il linguaggio universale della materia, sia di quella che costituisce le rocce sia di quella degli organismi viventi e, parafrasando Galileo, la materia dell’universo è scritta in linguaggio chimico e i suoi caratteri sono atomi, molecole e macromolecole; senza queste conoscenze è un aggirarsi vanamente per un oscuro labirinto.

A statistical analysis of important DNA sequences and related proteins has been performed to study the relationships between monomers, and some general considerations about these macromolecules can be provided from the results. First, the most important relationship between sites in all the DNA sequences examined is that between two consecutive base pairs. This is an indication of an energetic stabilization due to the stacking interaction of these couples of base pairs. Secondly, the difference between human chromosome sequences and their coding parts is relevant both in the relationships between sites and in some specific compositional rules, such as the second Chargaff rule. Third, the evidence of the relationship in two successive triplets of DNA coding sequences generates a relationship between two successive amino acids in the proteins. This is obviously impossible if all the relationships between the sites are statistical evidence and do not involve causes; therefore, in this ...

In this paper we have analyzed the general characteristics of the scientific explanation, and of the chemical explanation in particular, and its relation with the science education. Starting with the deductivenomo logical model, which can be considered the standard model, we have shown that you cannot claim that this model of explanation can be gave in a unique form, in line with the methodological reductionism that could be called “radical”. The systemic view has allowed us to capture the specific object of study in the multiplicity of relations that it structure its and to inserting each specific scientific theory in the socioeconomic contextof its birth. The application, then, of the systemic view to the science education underlines the need of a deep change of both the scholastic and university education.

In this paper we have analyzed the general characteristics of the scientific explanation, and of the chemical explanation in particular, and its relation with the science education. Starting with the deductivenomo logical model, which can be considered the standard model, we have shown that you cannot claim that this model of explanation can be gave in a unique form, in line with the methodological reductionism that could be called “radical”. The systemic view has allowed us to capture the specific object of study in the multiplicity of relations that it structure its and to inserting each specific scientific theory in the socioeconomic context of its birth. The application, then, of the systemic view to the science education underlines the need of a deep change of both the scholastic and university education.

The redox and proton transfer processes involving the several dimers arising from quinones are studied by quantum mechanical methods using second order perturbation theory (MP2) and a medium size basis set optimized for reproducing dispersion interactions. Furthermore, bulk solvent effects are taken into account by the polarizable continuum solvent (PCM) approach possibly integrated by two explicit water molecules for an improved description of the cybotactic region. Our results indicate that several neutral and anionic dimers are kept together mainly by strong hydrogen bonds, but dispersion forces introduce additional non-negligible effects. The computed energy paths indicate that a proton transfer process should accompany the two-electron reduction of quinhydrone and that two dimers in the reduced form can be simultaneously present in solution, in agreement with available experimental data.

"From the Atom to Living Systems" represents an original historico-epistemological approach to follow the passage, in the microscopic analysis of reality, from the atomic to the molecular to the macromolecular levels and then to the threshold of life itself. Naturally, some parts of this journey have been developed in other works, some highly specialized and others of a more general nature. However, although this journey has often been traced in specialized scientific detail, the philosophical implications of the journey have not been discussed to any satisfactory degree. This scientific journey does have important philosophical consequences that constitute an integral part of this book, which is framed within the perspective of systems science and the so-called sciences of complexity, which are areas fundamental to 21st century science. In fact, the possibility of studying and understanding the material world through levels of complexity opens a great philosophical space that proposes to provide systemic and complex explanations, rather than reductive accounts that pretend to explain all phenomena through the interactions of elementary particles while considering all phenomena implicit and deterministic.

The systemic and complex approach implies substituting unique bottom-up explanations, which move exclusively from the microscopically simple to the macroscopically complex, with a series of explanations that are horizontal within planes of complexity, vertically bottom up between various levels of complexity, vertically top-down, as well as circular in a manner that renders all levels of reality and the disciplines that study them as both autonomous and interconnected.

“La vita non è altro che chimica” e “la vita non è riducibile a chimica” sono due idee opposte dello storico problema di identificare la specificità del vivente. Sebbene siano due posizioni opposte, per entrambe la chimica è un punto di riferimento per “leggere” il vivente, è la prospettiva privilegiata in cui “interpretare” il vivente. La prospettiva di questo libro non è quella riduzionista, ma quella sistemica delle relazioni. La vita, come le altre proprietà emergenti, non si esaurisce nelle relazioni con l’interno (le sostanze chimiche costituenti) e con l’esterno (l’ambiente), ma senza di esse non è studiabile scientificamente. Il linguaggio chimico, infatti, è il linguaggio universale della materia, sia di quella che costituisce le rocce sia di quella degli organismi viventi e, parafrasando Galileo, la materia dell’universo è scritta in linguaggio chimico e i suoi caratteri sono atomi, molecole e macromolecole; senza queste conoscenze è un aggirarsi vanamente per un oscuro labirinto.

Cosa ha di particolare la spiegazione chimica del
mondo materiale? In che cosa si differenzia da altre spiegazioni
scientifiche? Sono queste due domande generali a cui bisogna
dare risposta, per poi chiedere agli insegnanti di dare il “giusto
peso” formativo alla Chimica. È questa la specificità della
Chimica che, pur non essendo in opposizione ad altre discipline
scientifiche, richiede e pretende un peso culturale specifico
nella formazione del cittadino.

Nel mondo delle scienze lo studio di sistemi aperti all'ambiente e formati da componenti fortemente interagenti è al centro della teoria generale dei sistemi, che trova applicazione nello studio dei più diversi fenomeni, di natura sia fisica che economica e sociale. Per comprendere questi sistemi non è sufficiente analizzarne le componenti, ma occorre considerare anche l'interazione tra esse, nonché le influenze attive e passive sull'ambiente.
Questa sensibilità si sta trasferendo ora anche al mondo della scuola, il quale, per parte sua, si dibatte nella ricerca di una soluzione che garantisca la formazione degli studenti, la soddisfazione delle famiglie, le attese della società e la gratificazione dei docenti.
Dalle più recenti indagini è emerso che il rendimento scolastico dello studente è funzione non lineare di una serie di fattori che vanno al di là di quelli tipicamente scolastici, inglobando componenti socio-economiche, culturali ed anche affettive. Il sistema educativo manifesta cioè caratteristiche proprie dei sistemi complessi, e la sua progettazione non può prescindere dal considerare le interazioni con altri sistemi.
Questo testo rappresenta un tentativo di presentare al lettore italiano un quadro del sistema educativo e dei suoi problemi alla luce della teoria dei sistemi, in un momento in cui l'argomento è ancora oggetto di dibattito e di ricerca. Esso include contributi di docenti europei e americani di discipline molto diverse (filosofia, pedagogia, fisica, chimica, medicina, ingegneria, economia), raggruppati in sei parti (natura sistemica dell'educazione, sviluppo di creatività, relazioni tra scuola e Stato, valutazione, relazioni con il mondo economico, sviluppo di modelli quantitativi) corredate da introduzioni tematiche.

L'approccio analitico, che spiega gli individui focalizzandosi sulle parti di cui sono composti, non è in grado di comprendere l'unità, la regolarità, la stabilità che sono presenti nel mondo che ci circonda. A tale scopo si rivela particolarmente proficuo l'approccio sistemico, che riconduce l'identità per cui un ente è pur sempre se stesso - pur nei cambiamenti continui cui è sottoposto - al permanere dell'organizzazione; un ente è un sistema nel senso che le sue parti non sono disposte a caso, e neppure secondo incontri meramente probabilistici: sono invece vincolate da una rete di relazioni che dà loro un ordine e che consente di attribuire all'oggetto una identità. Il modello sistemico è studiato da una disciplina specifica, la sistemica, ma è applicato nei più svariati ambiti: dalla fisica quantistica alla chimica, dalla biologia all'economia, dalla neurologia alla filosofia. L'approccio sistemico è dunque tipicamente multidisciplinare; per questo motivo il volume, di carattere intersettivo, raccoglie i contributi di specialisti di settori diversi, accomunati dalla sensibilità teorica a questo nuovo modello.

Il libro trae origine da una serie di conferenze svoltesi presso il museo di Storia Naturale di Rosignano Marittimo (Livorno – Italy) nella primavera del 2019. I temi affrontati riguardano molti aspetti scientifici e psicologici correlati con la percezione del cambiamento. Gli autori discutono di complessità e informazione in sistemi così diversi come molecole, geni e organismi. Nessuno di questi sistemi può crescere in complessità senza l’interposizione di un confine che possa rendere cooperative relazioni inizialmente percepite come competitive. È soltanto in queste condizioni che nuovo ordine può emergere dal disordine, la complessità evolvere dall’entropia e nuove opportunità possono scaturire dalla crisi.

Il nome di Dmitrij Mendeleev è indissolubilmente legato alla sua più celebre e importante realizzazione, quella della tavola periodica degli elementi. Il grande merito di Mendeleev è stato quello di rivelare che la natura degli elementi chimici celava uno schema ben preciso. La sua tavola periodica ha permesso di evidenziare come le proprietà degli elementi siano stretta-mente dipendenti dalla loro massa e si ripresentino con una data periodicità. Un'altra grande intuizione del chimico russo è stata quella che i "buchi" presenti nella sua classificazione rappresentassero semplicemente elementi non ancora conosciuti: il tempo gli ha ampiamente dato ragione, al punto che ancora oggi, dopo che sono stati scoperti tanti elementi da raddoppiare il numero di quelli noti a Mendeleev e la meccanica quantistica ha dato un nuovo e definitivo volto al mondo subatomico, nel settore della chimica tradizionale la tavola periodica resta uno strumento indispensabile, offrendo una visione sintetica degli elementi chimici presenti e futuri tra il generale e l'individuale.

Prefazione
Introduzione


1a Parte: La materia

Capitolo 1: La materia per i filosofi: la sostanza
1. Introduzione
2. Il concetto di sostanza nei filosofi greci
a. Presocratici monisti: Talete, Anassimandro, Anassimene, Parmenide e Eraclito
b. Presocratici pluralisti: Empedocle ed Anassagora
c. Un filosofo in disparte: Pitagora
d. La concezione atomica: Leucippo e Democrito
e. Il concetto di sostanza in Platone
f. Il concetto di sostanza in Aristotele
g. Epicuro
h. La sostanza per gli Stoici
3. Critica medievale al concetto di sostanza: d’Autercourt
4. Il concetto di sostanza in Locke
5. Il concetto di sostanza in Kant
6. Conclusione

Capitolo 2: La materia per i fisici: la massa
1. Introduzione
2. Il concetto antico di massa
3. Il concetto di massa nel Medioevo e nel Rinascimento
4. Sistemazione della nozione di massa: da Cartesio a Kant
5. Il concetto moderno di massa
a. Il concetto di massa nella meccanica assiomatizzata
b. Il concetto gravitazionale di massa
c. Il concetto elettromagnetico di massa
d. Il concetto relativistico di massa
e. Massa ed energia
f. Il concetto di massa nella meccanica quantistica e nella teoria dei campi
6. Conclusioni


Capitolo 3: La materia per i chimici: i principi, gli elementi ed i composti
1. Introduzione
2. Alchimia
3. Concezione medioevale e rinascimentale di principio e di composto
a. Rivisitazione dei minima naturalia aristotelici
b. L’atomismo arabo
c. Intensio e remissio
d. Mixtum
e. Paracelso
4. L’atomismo e la scienza nuova
a. Gassendi
b. Boyle
5. I concetti di principio e di misto nei secoli XVII e XVIII
a. Il principio flogistico
6. L’atomismo del XVIII secolo
7. Il concetto di affinità chimica
8. Elemento secondo Lavoisier
9. Genesi dell’attuale concetto di composto chimico

Capitolo 4: L’atomo del XIX secolo: le rivoluzioni di Dalton e Mendeleev
1. La nascita dell’atomismo moderno: Dalton
a. L’ipotesi di Prout
2. L’atomo e l’elettricità: Berzelius
3. La forza del legame chimico: primi metodi di misura
a. Studi termodinamici dell’affinità chimica
b. Studi elettrochimici dell’affinità chimica
c. Il concetto di valenza
4. Atomi come visione metafisica e l’alternativa dell’equivalente
5. La tavola periodica degli elementi: individualità e proprietà di gruppo
6. Evoluzione del concetto di atomo e di elemento chimico

Capitolo 5: L’atomo del XX secolo: uno strano individuo
1. Il concetto di atomo all’inizio del XX secolo
2. Legame chimico: visione elettrostatica e visione non polare
3. Il concetto di atomo nella meccanica quantistica
4. Differenze ed affinità tra l’atomo classico e quelle quantistico
5. Il legame chimico nella meccanica quantistica
6. Caratteristiche dei legami chimici
7. Conclusione

Capitolo 6: Il concetto di struttura e sue modifiche quantistiche
1. Introduzione
2. Vitalismo e materia organizzata
3. Esempi di struttura
4. Olismo e riduzionismo
5. Meccanica quantistica e non separabilità in fisica: il problema della misura
6. Il concetto di struttura nella meccanica quantistica e le scale quantiche
7. Conclusioni

Capitolo 7: La struttura molecolare: storia, prospettive e problemi
1. Introduzione
2. Il concetto di struttura nell’atomismo antico e rinascimentale
3. Secolo XIX. Prime teorie della struttura molecolare
a. Filosofia dinamica
b. Teoria dei radicali e della sostituzione
c. La nascita del concetto di serie omologa
d. Teoria dei tipi e sistema unitario
4. Teoria della struttura molecolare e la stereochimica
5. Il concetto di struttura molecolare alla fine del XX secolo
6. Conclusioni


2a Parte: Le trasformazioni della materia

Capitolo 8: Il concetto di trasformazione
1. Introduzione
2. Il divenire per i filosofi greci
3. Il concetto di trasformazione alla nascita della scienza moderna: il moto in Galileo
4. Trasformazioni nella scienza odierna
5. Struttura e tempo


Capitolo 9: Trasformazione chimica: la reattività
1. Introduzione
2. Evoluzione storica del concetto di reattività
a. Reazioni catalitiche
b. Cinetica chimica
3. Attuali teorie sulla reattività
4. Analisi delle attuali teorie
5. Reattività molecolare
6. Conclusione


3a Parte: Mondo molecolare

Capitolo 10: Realtà del mondo molecolare
1. Introduzione
2. La disputa tra Bohr ed Einstein sulla realtà dell’atomo
3. Un filosofo nel mondo molecolare: Gaston Bachelard
4. Conclusioni

Capitolo 11: La spiegazione scientifica tramite molecole: la chimica
1. Introduzione
2. Aspetti generali della spiegazione quotidiana e di quella scientifica
3. Spiegazioni teleologiche e spiegazioni causali
a. Causalità e spiegazione causale
b. Intenzionalità e spiegazioni teleologiche
4. Modello nomologico-deduttivo di Hempel
5. La spiegazione in chimica
a. Leggi in chimica
b. Analogia e spiegazione in chimica
c. Spiegazioni chimiche alternative: equivalentismo ed energetismo
6. Conclusione

Capitolo 12: Rappresentazione molecolare
1. Introduzione
2. La nomenclatura di Lavoisier
3. Il problema della nomenclatura nel XIX secolo
4. Nomenclatura odierna
5. Conclusioni


Capitolo 13: Dalla “macchina meccanica” alla “fabbrica chimica”
1. Introduzione
2. Descartes e il meccanicismo biologico
3. La rivoluzione di Lavoiser e la chimica del vivente
4. Chimica organica e chimica fisiologica
a. Liebig
5. Dalla chimica fisiologica alla biochimica
a. Gli enzimi
b. I coenzimi
c. Le soluzioni colloidali
6. La chimica macromolecolare
7. La biologia molecolare
a. Il concetto di informazione nella biologia molecolare
8. Un esempio d’oggi: le molecole ed il cervello
9. Conclusioni


Conclusione

Bibliografia

Indice

Introduzione

1. Ente strutturato: il sistema
a. Introduzione
b. Sistemi ed aggregati
c. Cenni sulla Teoria dei Sistemi
d. Termodinamica di non equilibrio
e. Cenni sulle Scienze della Complessità

2. Parti e tutto
a. Definizione di “tutto”, “parte” e  “somma”
b. Olismo e riduzionismo
c. Parti e tutto in fisica: la misura in meccanica quantistica
d. Parti e tutto in chimica: la struttura molecolare
e. Parti e tutto nel vivente

3. Individuo e complessità
a. Introduzione
b. Spiegazione scientifica: causale, finale, storica e circolare
c. Spiegazione in fisica, chimica e biologia
d. Rapporto tra scienza e matematica
e. Complessità: un concetto da definire e spiegare
f. Conclusione

4. Sistemi in fisica
a. Il concetto di “sistema meccanico”
b. Il sistema in meccanica quantistica
c. Il concetto di struttura e sue modifiche quantistiche
d. La termodinamica: un’alternativa fisica alla meccanica
e. Conclusione

5. La meccanizzazione dell’immagine del mondo e la sua crisi
a. Nascita del meccanicismo
b. Meccanicismo e scienza moderna
c. Cartesio e Newton
d. Caratteristiche essenziali della filosofia meccanica
e. Crisi del meccanicismo: meccanica quantistica e meccanica relativistica
f. Due alternative al meccanicismo atomistico: equivalentismo ed energetismo

6. Sistemi chimici macroscopici e microscopici
a. Introduzione
b. Il misto medievale aristotelico
c. Genesi del concetto moderno di elemento e composto chimico: Lavoisier e Proust
d. La tavola periodica degli elementi: individualità e proprietà di gruppo
e. La nascita dell’atomismo chimico: Dalton
f. Evoluzione del concetto di atomo e di elemento chimico
g. Il concetto di molecola
h. È la molecola un sistema meccanico?
i. Conclusione

7. Il mondo della chimica
a. Introduzione
b. Un filosofo del mondo molecolare: Gaston Bachelard
c. Rappresentazione molecolare
d. La chimica nella biologia

8. Sistema biologico: l’organismo vivente
a. Introduzione
b. Autopoiesi
c. Conclusione

9. Fine e finalismo nei sistemi viventi
a. Introduzione
b. Finalismo e meccanicismo
c. Finalismo nella trasformazione ed evoluzione del vivente
d. Conclusione

10. Altre scienze naturali: neurologia, medicina ed ecologia
a. Introduzione
b. Il più complesso sistema biologico: il cervello
c. Oltre la biologia: la medicina
d. L’ecologia: una scienza sistemica per definizione

11. Oltre le scienze naturali: psicologia, sociologia e politica
a. Introduzione
b. Psicologia: il rapporto mente-corpo
c. Sociologia: fisica o biologia come scienza di riferimento?
d. Politica: le ideologie e l’idea di progresso

Conclusione

Modern science "travels" at a frantic pace. Newspapers reveal "exceptional" discoveries almost every day. In this whirlwind of novelties, not only the non-specialist public but also the "insiders" - researchers, innovators, and teachers - risk getting lost. It becomes both a problem and a resource to valorize the cultural heritage of individual scientific disciplines. Here we want to hint at the idea that both epistemological and historical studies can be an important resource within the scientific domain.

The problem of calculating the probability of formation of a given macromolecule has been approached in the same way for decades.
This approach often leads one to the conclusion that the age of the universe would not suffice to "explore" all possibilities. This is one reason why some people may be tempted to postulate intelligent design. What we want to highlight here is that, behind these arguments, there is a premise to be discussed: that of "all equally probable states".
We believe that the problem of calculating the probabilities of macromolecule formation needs to be reset.

The structure of DNA plays an essential biological role. The conceptual pair (structure/form)function has become the main paradigm on which almost all Molecular Biology has been based. The other fundamental and complementary aspect of macromolecules, the temporal one and, in particular, the coherent dynamics, has often been underestimated in Molecular Biology. This is also due to the fact that, until the development of modern computational biology, this aspect has always been much less modeled, studied, and viewed.

Un libro come questo è difficile da catalogare. Esso inquadra una problematica generale, quella del vivente e di un possibile approccio per interpretarlo, in tre prospettive: quella filosofica, quella storica e quella scientifica. Non si risolve in nessuna delle tre, ma solamente nella loro interazione. Questo libro è una riflessione storica-epistemologica su una problematica scientifica.
Un altro aspetto essenziale da mettere in evidenza di questo libro è di tipo metodologico: esso persegue con impegno un approccio sistemico allo studio chimico del vivente. Come è evidenziato nel sottotitolo, sebbene non completamente sviluppati, i “fondamenti” sistemici dell’approccio al vivente sono parte integrante del libro.