Biologia - teoria (prima parte)

Premessa

I quiz di biologia rappresentano una frazione determinante del test di am-

missione, ed il loro superamento costituisce una parte importante della prova.

Ogni argomento di teoria è stato corredato da numerosi testi di quiz, presi dalle

prove di ammissione degli anni precedenti, i quali sono una componente essen-

ziale nell’adeguata comprensione degli argomenti svolti nella parte teorica, della

quale costituiscono sia un chiarimento, che un approfondimento ed un’integra-

zione.

Per ovvie ragioni di sintesi e di praticità la parte teorica in questione, che riguar-

da argomenti vari ed estesi, è stata realizzata in modo da essere il meno rigorosa

ed il più pragmatica possibile, in maniera quindi da presentare quanto necessa-

rio e sufficiente, e solo quanto necessario e sufficiente, per affrontare in modo a-

deguato i quiz d’ammissione.

Principi base della biologia I viventi I cicli della materia Cenni di ecologia

100. La biologia è una scienza naturale che si occupa della della vita e degli esseri viventi, dei qua-

li studia la struttura, le funzioni, la crescita, la genesi, l’evoluzione, la distribuzione e la tassonomia.

Si tratta di una materia vastissima costituita da tutta una serie di argomenti e discipline. Tra gli ar-

gomenti più importanti sono compresi cinque principi unificatori che possono essere considerati gli

assiomi della biologia moderna:

1) le cellule sono le unità di base della vita;

2) le nuove specie sono una conseguenza dell’evoluzione;

3) i geni sono l’unità di base dell’ereditarietà;

4) gli organismi sono in grado di mantenere costanti le caratteristiche del proprio ambiente

interno, omeostasi;

5) gli organismi viventi consumano e trasformano energia.

Le varie branche della biologia sono classificabili in funzione del livello a cui studiano gli organi-

smi e dei metodi di studio che esse impiegano:

la biochimica si occupa della chimica di base della vita;

la biologia molecolare studia le complesse interazioni tra le varie classi di biomolecole;

la biologia cellulare studia la cellula;

la fisiologia studia le funzioni chimiche e fisiche dei tessuti, degli organi e dei sistemi di organi di

un organismo e

l’ecologia studia come i vari organismi interagiscono e si associano con il loro ambiente.

101. A livello chimico i viventi sono riconoscibili per tutta una serie di caratteristiche.

Le loro cellule sono costituite da un numero ridotto di elementi, sei dei quali (C, H, N, O, P, S)

rendono conto del 99% della sua massa. Esse contengono una serie ridotta, ma peculiare, di piccole

molecole a base di carbonio che sono sostanzialmente le stesse in tutte le specie.

Si possono suddividere in zuccheri, acidi grassi, amminoacidi e nucleotidi.

Gli zuccheri costituiscono la fonte primaria di energia chimica per la cellula, e possono essere in-

corporati in polisaccaridi come riserve energetiche.

Anche gli acidi grassi hanno un ruolo importante come riserve energetiche, ma la loro funzione

essenziale è la formazione delle membrane cellulari.

I polimeri degli amminoacidi costituiscono molecole diverse e versatili note come proteine.

I nucleotidi hanno un ruolo importante nel trasferimento di energia, nel funzionamento degli en-

zimi, coenzimi, e sono le subunità costitutive delle macromolecole che trasportano l’informazione

genetica, DNA ed RNA.

Le macromolecole vengono sintetizzate come polimeri di subunità attraverso ripetute reazioni di

condensazione. La loro notevole diversificazione dipende dalla sequenza delle subunità che le ca-

ratterizza. Tra le diverse regioni di una macromolecola si formano legami deboli non covalenti che

la fanno ripiegare su sé stessa in modo che assuma una sua propria forma tridimensionale come, in

particolare, si osserva per le proteine.

102. Gli elementi costitutivi dei viventi derivano ovviamente dall’ambiente che li circonda ed esi-

stono tutta una serie di equilibri e cicli materiali tra i viventi e l’ambiente stesso.

Il ciclo dell’ossigeno consiste nella serie di reazioni tramite le quali l’ossigeno atmosferico viene u-

tilizzato e prodotto. Gli esseri viventi ottengono la maggior parte dell’energia necessaria ai loro pro-

cessi vitali da reazioni di ossidazione in cui l’agente ossidante è l’ossigeno atmosferico.

Anche i processi di ossidazione non biologici (combustioni) consumano una notevole quantità di

ossigeno atmosferico.

Le piante verdi, mediante la fotosintesi clorofilliana, sono in grado di liberare l’ossigeno dell’acqua,

reintegrando in parte quello consumato nelle ossidazioni biologiche e non, e consumando l’anidride

carbonica prodotta nei processi di combustione. Schematicamente : Alimenti glucidi

O legno

2

e glucosio petrolio

fotosintesi carbone

energia solare combustioni

CO , H O biologiche e non

2 2

Il ciclo dell’azoto consiste in quella serie di reazioni chimiche che trasformano l’azoto atmosferico

in composti azotati e viceversa.

L’azoto è un componente essenziale di tutta una serie di molecole indispensabili per la vita degli or-

ganismi superiori (amminoacidi, proteine, acidi nucleici, vitamine, ormoni…), i quali, però, non so-

no in grado di ricavarlo direttamente dall’atmosfera, cosa che è possibile solo a certi tipi di alghe, di

funghi e di batteri.

L’azoto dell’atmosfera, per effetto delle scariche elettriche che si verificano nel corso dei temporali,

reagisce con l’ossigeno per dare ossidi di azoto che, con le precipitazioni atmosferiche, arrivano sul-

la superficie terrestre sotto forma di acido nitroso e nitrico ( HNO , HNO ) i quali reagiscono per

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dare nitrati e nitriti utilizzabili dai vegetali, e solo dai vegetali, per la sintesi di amminoacidi e, quin-

di, di proteine.

La quantità di azoto coinvolta in questo processo è, però, del tutto trascurabile rispetto a quella che,

per azione delle alghe azzurre e verdi e dei batteri nitrificanti, viene trasformata dapprima in am-

moniaca e quindi in nitriti e nitrati che, disciolti nel terreno, vengono assorbiti dalle radici delle pi-

ante, le quali dopo averli nuovamente ridotti ad ammoniaca, utilizzano quest’ultima nella sintesi de-

gli amminoacidi.

Tutti i rifiuti animali e vegetali, per decomposizione danno ammoniaca, nitrati e nitriti che, in parte,

vengono riutilizzati dai vegetali ed in parte vengono ritrasformati in azoto elementare ad opera dei

batteri denitrificanti. Schematicamente: fulmini e

combustioni

Industria

N proteine proteine concimi ossidi di

2 vegetali animali azotati azoto

decomposizione

Nitriti

Batteri denitrificanti Precipitazioni

Nitrati atmosferiche

Batteri nitrificanti

Il ciclo dell’acqua: l’acqua esiste in natura allo stato solido,( ghiacciai, neve, grandine e brina), li-

quido,( mare, fiumi, laghi, acque sotterranee, acque biologiche negli esseri viventi) ed allo stato di

vapore (umidità nell’aria).

Per effetto della radiazione solare l’acqua liquida e solida passa allo stato di vapore e nell’atmosfera

(non oltre i 15000 metri) condensa per dare nubi dalle quali precipita al suolo sotto forma di

pioggia, neve o grandine.

Schematicamente: Atmosfera

Nubi,umidità

Evaporazione Piogge, neve, grandine

Ghiacciai, laghi, fiumi, terreni umidi

Superficie terrestre

Il ciclo del carbonio riguarda soprattutto i processi che sottraggono e riimmettono anidride carbo-

nica nell’atmosfera.

Gli organismi autotrofi, grazie alla possibilità di realizzare la fotosintesi clorofilliana, sono in grado

di trasformare l’anidride carbonica presente nell’atmosfera in glucosio ed altre molecole indispensa-

bili per la realizzazione dei loro processi vitali.

Diversi molluschi e microorganismi possono invece fissare l’anidride carbonica sotto forma di car-

bonato di calcio (CaCO ) che entra a far parte integrante del loro esoscheletro.

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Le sostanze sintetizzate dagli autotrofi vengono poi ossidate dagli stessi, o dagli organismi eterotro-

fi, nel processo della respirazione cellulare, con produzione di energia e di anidride carbonica, la

quale ritorna nell’atmosfera.

I vari rifiuti organici di origine animale o vegetale vengono processati dai bioriduttori che li trasfor-

mano in prodotti chimicamente più semplici, tra i quali acqua ed anidride carbonica.

Gli incendi spontanei trasformano la cellulosa dei vegetali (legno) in acqua ed anidride carbonica.

I detriti organici accumulatisi fuori dal contatto diretto dell’aria possono fermentare, in lunghissimi

periodi di tempo, per dare idrocarburi gassosi ( metano), petrolio o carbon fossile, e tutti questi pro-

. Schematicamente:

dotti combustibili possono essere bruciati con produzione di CO

2

H O fotosintesi glucosio cellulosa

2

CO O

energia alimenti legno

2 2

Combustioni petrolio, carbone

biologiche e non

carbonati

103. Gli organismi autotrofi sono quelli in grado di utilizzare l’energia solare, fotoautotrofi, o

quella chimica liberata da processi inorganici, chemioautotrofi, nella trasformazione di molecole i-

norganiche a basso contenuto di energia in prodotti organici.

I fotoautotrofi, detti anche produttori, tramite la fotosintesi clorofilliana, convertono anidride car-

bonica ed acqua in zuccheri, ed altre molecole organiche necessarie sia per il loro accrescimento

che per fornire loro l’energia necessaria a tutte le loro funzioni vitali.

Gli organismi eterotrofi, o consumatori, ricavano invece le sostanze organiche cibandosi dei pro-

duttori, erbivori, o di altri consumatori, carnivori. Esistono quindi tutta una serie di catene alimen-

tari, che sarebbe più corretto immaginare come reti alimentari, in cui ogni organismo ne preda un

altro e, con poche eccezioni, viene predato da un altro ancora.

Alla morte di produttori e consumatori le loro carcasse vengono aggredite da tutta una serie di altri

organismi, bioriduttori, che trasformano le loro sostanze organiche, ricavandone energia, in mole-

cole inorganiche quali, tra l’altro, anidride carbonica ed acqua.

Quindi, in sintesi, l’energia solare viene convertita in energia chimica dai produttori, e tale ener-

gia, a causa dei processi catabolici, sia dei produttori stessi, che dei consumatori e dei bioriduttori,

viene degradata a calore e molecole inorganiche, di modo che il ciclo materiale è in grado di rico-

minciare.

. Molecole organiche

Energia solare Calore

fotosintesi Processi catabolici nei vari organismi

Molecole inorganiche Molecole inorganiche

Contenuto di energia

104. Produttori, consumatori, bioriduttori ed ambiente (ecosistema) sono in equilibrio tra di loro, e

tale equilibrio è soggetto a modificazioni quando varia la presenza di uno dei componenti.

Ad esempio se, semplificando notevolmente, consideriamo un ecosistema in equilibrio in cui sia

presente un solo tipo di ognuno dei suoi componenti (un tipo di produttore, uno di consumatore di

prima specie, erbivoro, e uno di consumatore di seconda specie, carnivoro), immaginando che di-

minuisca la consistenza numerica dei carnivori, ciò avrà un effetto positivo sul numero degli erbi-

vori, che cresceranno di numero; questo fatto però avrà due conseguenze: una diminuzione dei pro-

duttori, consumati in maggiore quantità, ed un aumento dei carnivori che, essendo aumentato il nu-

mero degli erbivori, avranno più facilità a predarli.

Analogamente in una coltura batterica i microrganismi non potranno aumentare di numero all’infi-

nito perchè limitati dalle disponibilità di cibo.

In pratica questi meccanismi a feed back riporteranno il numero dei carnivori e quello degli erbivo-

ri al livello di partenza.

Naturalmente, se la diminuzione nel numero dei carnivori fosse stata troppo consistente, ciò avreb-

be potuto causare un eccessivo aumento degli erbivori, con conseguente scomparsa dei produttori e

quindi anche degli erbivori stessi (e dei carnivori) con scomparsa della vita nell’ecosistema.

In un ecosistema, una nicchia ecologica indica la posizione di una specie al suo interno, vale a dire

il modo in cui essa vive (trova il nutrimento e si riproduce), il ruolo che gioca in quell’ ecosistema e

tutte le condizioni, chimicofisiche e biologiche, che ne consentono la sopravvivenza (non va con-

fuso con habitat che si riferisce puramente allo spazio fisico occupato dalla specie). L’insieme di

tutte le specie che vivono in un dato ecosistema costituisce invece una comunità.

Tra i viventi di una comunità possono poi esistere delle relazioni a caratetre particolare.

Si parla di simbiosi qualora due, o più, specie, simbionti, instaurano tra di loro un rapporto di col-

laborazione in cui ciascuna ricava un vantaggio. Sono, per esempio, relazioni di qusto tipo, quelle

tra il pesce pilota e lo squalo, tra i batteri azofissatori e talune piante, tra l’uomo e la sua flora inte-

stinale. La simbiosi può essere poi, obbligata, o meno, a seconda che le specie possano, o non poss-

ano, sopravvivere anche indipendentemente l’una dalle altre. Nel secondo caso si parla anche di

mutualismo o di commensalismo.

Si ha, invece, parassitismo, quando la relazione tra due specie è tale che una delle due trae van-

taggio dalla relazione coll’altra, e questa viene danneggiata. Casi di questo tipo sono quelli relativi

ai rapporti tra certe specie di funghi e specie vegetali o animali, compreso l’uomo, le relazioni tra

varie specie di insetti ematofagi, per esempio la pulce o la zanzara e varie specie di mammiferi e

quelle tra una serie di microrganismi, batteri o protozoi, e i metazoi che essi infestano.

Un caso piuttosto importante di parassitimo è quello tra i virus e vari tipi cellulari. In questo caso si

parla di parassitismo obbligato in quanto il parassita non è in grado di sopravvivere, o almeno di

riprodursi senza disporre delle risorse della cellula ospite.

La cellula: l’unità fondamentale Microscopia ottica ed elettronica. La membrana Il nucleo Il citoplasma Gli organelli

105. Le cellule sono le unità fondamentali della vita.

Secondo la teoria abiogenetica i viventi potevano derivare da materiale inanimato, Aristotele, co-

me, per esempio, le mosche dalla carne guasta. Il primo a dimostrare sperimentalmente la falsità di

questa ipotesi fu Redi, ai primi del ‘600: i viventi possono derivare solo da altri viventi. È stato ana-

logamente dimostrato che una cellula può originare solo da un’altra cellula, teoria biogenetica.

µm di diametro, 1µm =

Le cellule dei tessuti animali e vegetali misurano generalmente da 5 a 20

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10 m, e si possono vedere al microscopio ottico, che riesce a mettere in evidenza alcuni dei loro

componenti interni alla membrana plasmatica (organelli).

Il microscopio elettronico permette di vedere gli organelli più piccoli, e persino le molecole, ma i

campioni richiedono una preparazione complicata e non si possono osservare in vivo.

Nella maggior parte delle cellule eucarioti animali e vegetali il nucleo è l’organello più cospicuo:

esso contiene l’informazione genetica dell’organismo, immagazzinata nella struttura molecolare

del DNA (il restante contenuto cellulare costituisce il citoplasma).

Il citoplasma delle cellule eucarioti animali e vegetali contiene una serie di altri organelli interni

delimitati, come il nucleo, da membrane e specializzati in funzioni chimiche particolari.

Tra questi organelli si trovano i mitocondri che realizzano l’ossidazione delle molecole nutritive e,

nei vegetali, i cloroplasti che realizzano la fotosintesi.

A parte il nucleo, e gli altri organelli membranosi, tutto il restante contenuto cellulare forma il cito-

sol, che consta di una miscela concentrata di molecole di varie dimensioni che svolgono molti pro-

cessi biochimici essenziali.

Un sistema di filamenti proteici, detto citoscheletro si estende in tutto il citosol. Esso controlla la

forma ed il movimento cellulare e rende possibile il trasporto di molecole ed organelli da un punto

all’altro del citoplasma.

Si ipotizza che tutte le cellule attuali derivino, per evoluzione, da un tipo di cellula ancestrale esisti-

to più di tre miliardi di anni or sono.

Tutte le cellule contengono DNA come depositario dell’informazione genetica e lo usano per gui-

dare la sintesi delle proteine; le subunità elementari, amminoacidi e nucleotidi, con cui vengono

sintetizzate le proteine ed il DNA, sono comuni a tutte le cellule.

I batteri, le più semplici cellule attualmente viventi, sono procarioti: contengono DNA ma man-

cano di nucleo, di sistemi di membrane interni, endocellulari, e di diversi organelli. Hanno di-

m

mensioni intorno a pochi e sono al limite della osservabilità con il microscopio ottico.

Le varie specie di batteri sono molto diversificate, quanto ad attività biochimiche, ed occupano una

gamma impressionante di habitat. Sono riconoscibili due categorie evolutive fondamentali: gli eu-

batteri e gli archebatteri.

Le cellule eucariotiche posseggono un nucleo. Probabilmente si sono evolute in più fasi, a partire

da cellule simili ai batteri. Si ipotizza che un passo importante sia stato l’acquisizione dei mitocon-

dri, derivanti da batteri inglobati e acclimatati come simbionti in cellule anaerobie di maggiori di-

mensioni (teoria endosinbiontica avvalorata dal fatto che mitocondri e cloroplasti hanno DNA).

Tra le cellule eucariotiche più complesse che si conoscono, vanno inclusi i microrganismi eucarioti-

ci unicellulari, che conducono vita libera e sono in grado di nuotare, accoppiarsi, procurarsi il cibo e

fagocitarlo.

Altri tipi di cellule eucariotiche hanno la capacità di cooperare, per costituire organismi pluricellula-

ri complessi come l’uomo, formati da migliaia di miliardi di cellule.

Le cellule di un organismo pluricellulare, pur contenendo lo stesso DNA, possono risultare diversis-

sime tra di loro. Ciò perchè esse utilizzano parti diverse della loro informazione genetica, regola-

zione dell’espressione genica, a seconda degli stimoli ambientali incontrati nel corso dello svilu