BIOFISICA
BIOFISICA
. Studio dei fenomeni biologici in termini fisici e dell'azione di agenti fisici sugli organismi. In questo campo di studî ha particolare interesse e sviluppo il capitolo relativo all'azione biologica delle radiazioni, ossia agli effetti di diverse radiazioni (elettromagnetiche e corpuscolari) sugli organismi. Mentre gli effetti delle radiazioni elettromagnetiche a grande lunghezza d'onda (onde hertziane, radiazioni visibili) hanno dato risultati prevalentemente qualitativi e di interesse quasi esclusivamente clinico, quelli delle radiazioni a lunghezza d'onda più breve, come l'ultravioletto, e delle cosiddette radiazioni ionizzanti (raggi alfa, beta, gamma, X, protoni di rinculo da neutroni accelerati, ecc.) hanno fornito un complesso di conoscenze assai organico ed inquadrato in una teoria generale.
Nel venticinquennio successivo alla scoperta dei raggi X (1895) e della radioattività, lo studio degli effetti biologici di queste radiazioni fu di carattere eminentemente qualitativo e cercò di mettere in luce i cambiamenti osservabili in una grande varietà di materiali biologici, in seguito ad esposizione a diverse radiazioni, scelte arbitrariamente e dosate in forma molto grossolana. Malgrado queste ricerche non seguissero un programma ben precisato, pure misero in evidenza fatti di grande importanza.
A partire da circa il 1920 si cominciò a misurare quantitativamente le reazioni degli organismi alle radiazioni e, nel frattempo, venivano sviluppati metodi fisici accurati per la misura delle dosi di radiazione applicate: si giunse così alla definizione della unità r = roentgen (essa corrisponde ad una quantità di raggi capace di produrre in un cm3 d'aria - a 0° C ed a pressione normale - una conducibilità tale che la corrente di saturazione misurata, equivalga ad una carica elettrostatica unitaria) valevole per la misura dei raggi X e gamma. In tal modo la radiobiologia sperimentale si è sviluppata in una scienza, nella quale la dose fisica e la reazione biologica possono venire misurate con soddisfacente accuratezza.
Mentre in un primo tempo l'attenzione degli studiosi venne portata sulla più appariscente reazione biologica alle radiazioni ionizzanti, rappresentata dall'eritema prodotto sulla pelle dell'uomo (tanto che si è lavorato parecchio per determinare in unità r il valore della cosiddetta dose eritema), in un secondo tempo si sono cercati diversi reattivi biologici, che dessero una risposta più definita e più facilmente analizzabile che l'eritema della pelle. Si dispone così di una grande quantità di dati che dimostrano l'ampia variabilità della sensibilità di organismi diversi rispetto alle radiazioni ionizzanti (vedi tabella).
Unità biologiche elementari. - Durante gli ultimi decennî vennero individuate alcune entità biologiche - così piccole da essere al di sotto dei limiti della osservabilità diretta - che possono venir riconosciute e misurate ricorrendo a diversi metodi indiretti, biologici e fisici. Tali entità, dato che sono caratterizzate dalle principali proprietà dei fenomeni vitali, e a causa delle loro esigue dimensioni e della semplicità dei processi a cui dànno luogo, sono attualmente considerate come le u. b. e. (unità biologiche elementari). Esse rappresentano il limite inferiore della organizzazione vitale; al di sotto, la materia comparirebbe soltanto in forma inanimata. Alla categoria delle u. b. e. appartengono tre gruppi di entità: i geni, i virus - che comprendono anche i batteriofagi, considerati come virus batterici - ed i nuclei in miniatura dei batterî o loro costituenti.
Nel 1927 H. J. Müller dimostrava che le radiazioni ionizzanti sono capaci di provocare la mutazione del gene, e da allora molti ricercatori hanno raccolto numerosi dati quantitativi in proposito, utilizzando soprattutto la Drosophila melanogaster e diverse piante. L'azione delle radiazioni su tali u. b. e. diviene suscettibile di analisi quantitativa esatta, essendo la reazione biologica che noi misuriamo - la mutazione del gene, o la morte del virus o del batterio - nettamente distinguibile, e senza via di mezzo, rispetto allo stato di partenza: una reazione, come si usa dire, "alternativa" o del "tutto - o - nulla". Variando la dose di radiazione applicata, si può tracciare una curva di mortalità o di mutabilità, in cui la dose di radiazione è indicata in ascissa, e la frequenza di reazione biologica, in ordinata. Le curve ottenute in tali casi sono tutte praticamente del medesimo tipo, e cioè di tipo esponenziale.
Teoria dell'urto. - Si è cercato di dare una interpretazione generale al meccanismo di azione delle radiazioni sui materiali biologici e ne è così risultata una teoria, oggi generalmente accettata, nota sotto il nome di teoria dell'urto (ted. Treffertheorie; ingl. hit theory).
Sulla base delle osservazioni che si deducono dalla conoscenza dei fenomeni che hanno luogo all'atto dell'interazione di una radiazione con la materia, si ritiene che l'evento fisico primario responsabile degli effetti biologici consista nel fenomeno della ionizzazione; e, corrispondentemente, è stata sviluppata la teoria dell'urto, secondo la quale, nella cellula e nei suoi costituenti o nelle u. b. e. esistono dei volumi specialmente sensibili, entro i quali le ionizzazioni sono biologicamente efficaci, ed esse sono quindi rese responsabili degli effetti biologici osservati. Per produrre un effetto biologico può essere necessaria più di una ionizzazione, ma qualsiasi ionizzazione che avvenga nella cellula (o nella u. b. e.) ma al di fuori del suo volume sensibile, sarebbe inefficace. Data la distribuzione casuale dei quanti o delle particelle entro il fascio di radiazione, il numero degli urti determinati entro un certo volume sensibile sarà evidentemente una funzione del numero di quanti o particelle alfa, ecc., che lo attraversano; poiché questo numero ci è noto in base alla nostra conoscenza sulla natura fisica delle radiazioni, la frequenza di reazione sarà proporzionale a tale numero e dipenderà pure dalle dimensioni del volume colpito. Se tutti gli individui in gioco reagiscono in modo praticamente identico alle radiazioni ed hanno perciò tutti uguale probabilità di essere colpiti, la frequenza di reazione è una misura delle probabilità di reazione ad una data dose, vale a dire che la frequenza di reazione osservata è una stima empirica della probabilità teorica che questa reazione avvenga in quelle condizioni sperimentali. In tal modo è stato possibile interpretare le curve del tipo di quelle riportate su scala logaritmica, secondo una espressione del tipo: y = 1 − evd, nella quale y indica la frequenza di reazione, e la base dei logaritmi naturali, v il volume d'urto (o sensibile), d la dose. La teoria è stata ampliata per interpretare anche casi più complessi, e, in certi limiti, sembra soddisfare anche alcuni dati ottenuti con l'ultravioletto. Naturalmente non tutti gli effetti biologici delle radiazioni sono facilmente riconducibili a questa teoria, poiché spesso si osservano fenomeni assai più complessi di quello della produzione di mutazioni o di uccisione di batterî e di virus. Ad ogni modo la teoria dell'urto è oggi di largo impiego nello studio dell'azione biologica delle radiazioni e molti ricercatori stanno studiando i limiti della sua validità e della sua applicabilità.
Bibl.: Tra le opere riassuntive recenti, v.: A. Buzzati-Traverso e L. L. Cavalli, Teoria dell'urto ed unità biologiche elementari, Milano 1948; U. Fano e M. Demerec, Genetics physical aspects, in Medical Physics, Chicago 1944; P. Jordan, Physik und das Geheimnis des organischen Lebens, Braunschweig 1941; D. E. Lea, Actions of radiations on living cells, Cambridge 1946; F. G. Spear, D. E. Lea, Actions of radiations on living cells, Cambridge 1946; F. G. Spear, The biological effects of penetrating radiations, in British Medical Bulletin, 1946; E. Schroedinger, What is life?, Cambridge 1944; N. W. Timoféeff-Ressovsky, Mutabilità sperimentale in genetica, Milano 1939; G. Viale, Le azioni biologiche delle radiazioni, Milano 1934.