Appunti di Biologia animale

Zoologia: l'officina della diversità dietro le quinte della vita

L'evoluzione del vivente ci appare come un romanzo pieno di emozionanti colpi di scena. Lo aveva capito Darwin nel corso del <<lungo ragionamento>> che sarebbe sfociato nel suo capolavoro del 1859, L'origine della specie. Aveva lasciato l'Inghilterra per viaggiare sul brigantino Beagle, convinto che le specie animali e vegetali fossero <<fisse>> e al suo ritorno aveva elaborato la concezione opposta che queste mutassero, seppure in modo graduale, per adattarsi a nuove esigenze ambientali.

La nascita e l'evoluzione della vita

Ma occupiamoci di un altro romanzo con trama ambiziosa: la nascita e l'evoluzione della vita. I protagonisti promettenti sono l'onnipresente idrogeno, il duttile carbonio, il prezioso azoto, e l'assai reattivo ossigeno, insieme all'acqua allo stato liquido e l'energia erogata da fulmini, in tutto sei personaggi in cerca d'autore verrebbe da dire... Ma quale concatenazione di eventi porta, partendo da questi elementi, ad una struttura che nasce, si nutre, cresce, interagisce, si riproduce?

Deve intervenire un principio aggregante che conduca nell'organizzazione e successivamente nella organizzazione per ripetizione di moduli: si giunge alla produzione di catene lineari di molecole, in particolare biopolimeri, vale a dire catene orientate di RNA e aminoacidi. Nel ribollire del brodo primordiale, casualmente una aggregazione più stabile diventa portatrice di informazione cioè della capacità di orientare i processi.

Il palcoscenico è allestito: catene di RNA diventano capaci di fare copie complementari di se stesse. Altre operazioni, come tagliare, separare, aggregare. Adesso entra in scena lui, il DNA, perfezionamento dell'RNA, più stabile, grazie ai due filamenti complementari appaiati. Messo in fila, sarebbe lungo quasi 2 metri e invece riesce a stare dentro il nucleo della cellula, avvolto in uno spazio da dieci a mille volte inferiore al millimetro cubo.

La trama ormai diventa un gioco fra tre biopolimeri: il DNA replicante e affidabile, l'operativo RNA, replicante meno stabile ma indispensabile intermediario tra genoma e proteine nonché regolatore dei processi, ed infine gli aminoacidi non replicanti che svolgono operazioni funzionali.

Altro colpo di scena: una membrana si chiude su se stessa, proteggendo al suo interno uno spazio acqueo in cui nuotano catene di RNA, enzimi catalizzatori e catene di aminoacidi. In questa bolla si instaurano reazioni biochimiche. La membrana non è impermeabile: scambia materiali con l'esterno, nutrienti in ingresso e scarti in uscita. Le membrane in espansione acquisiscono la capacità meccanica di scindersi in due membrane figlie, che contengono entrambe gli stessi ingredienti e soprattutto due copie dello stesso materiale genetico, inizialmente a base di RNA soltanto.

I proto-bionti e LUCA

Siamo giunti allo stadio di proto-bionti, dai quali si sono evoluti i temibili virus, in una fase precocissima dell'evoluzione che precede la comparsa dell'antenato comune universale di tutti i viventi, il noto LUCA, Last Universal Common Ancestor. Siamo al punto culminante. In qualche discendente di LUCA circa 3,8 miliardi di anni fa ebbero inizio la duplicazione a base di DNA e la sintesi proteica. Nacque insomma la cellula: la più piccola struttura vivente.

La sintesi proteica

La sintesi proteica è un processo circolare in cui proteine (gli enzimi) sovrintendono al processo di produzione di altre proteine. Questa circolarità uovo-gallina è difficile da spiegare (chi è nato prima?) e implica che alcune proto-proteine dovevano già esistere prima del DNA. Comunque sia andata, per tentativi ed errori venne fuori un macchinario biochimico stupefacente: una porzione del doppio filamento di DNA (gene) si disaccoppia; uno dei due filamenti disaccoppiati produce per copiatura un filamento di RNA complementare, attraverso l'enzima polimerasi; questo filamento trascritto (RNA messaggero) viene scannerizzato dai ribosomi e ne produce un altro costituito da una catena di aminoacidi, attraverso il codice genetico di corrispondenze ridondanti tra le triplette di RNA (che sono 64) e gli aminoacidi (che sono 20).

L'origine della vita

Infine, le catene tradotte dall'RNA diventano proteine assumendo anch'esse elaboratissime conformazioni spaziali, attraverso le quali eseguono le informazioni contenute nel DNA di partenza e fanno funzionare tutti i processi vitali.

Le prime teorie: generazione spontanea

Le molecole degli acidi nucleici sono lo stadio che precede l'origine della vita. Siamo di fronte all'essenza della vita stessa. In che modo il DNA e la vita hanno avuto origine?

Le prime teorie – Generazione spontanea – Aristotele vi credeva e molti altri studiosi successivamente. Il primo a sperimentare fu Francesco Redi (1668). Contenitori di vetro aperti e chiusi con delle garze: all'interno vi era carne. Poi furono scoperti i microbi. La carne andava in putrefazione anche nei contenitori chiusi con la garza. Queste forme di vita dovevano avere origine dalla materia morta.

Due secoli dopo Redi, si pensava che i microrganismi potessero svilupparsi per generazione spontanea. Lazzaro Spallanzani avanzò una serie di dubbi a questa teoria. Nel 1765 preparò due serie di recipienti contenenti del brodo: lasciò i primi aperti, chiuse ermeticamente gli altri dopo averli fatti bollire per uccidere qualsiasi forma di vita preesistente. Microrganismi nel primo recipiente e sterilità nel secondo. Gli organismi non potevano avere origine dalla materia inanimata. Molti però non erano ancora convinti. Essi sostenevano che la bollitura distruggeva qualche "principio vitale" e di conseguenza nessuna forma di vita poteva svilupparsi.

Le scoperte di Pasteur

Pasteur nel 1862 risolse il problema con la sua beuta. L'aria poteva entrare, ma la polvere e i microrganismi, no. La bollitura e il vapore sterilizzavano il brodo ed il condotto. Il brodo rimase sterile. Non c'era nessun principio vitale nell'aria. Tutto questo creò scompiglio.

Nel 1907 sorse e prese piede la teoria di Arrhenius. Pubblicò "Mondi in formazione". La vita si spostava sotto forma di spore che sfuggivano dall'atmosfera di un pianeta, trascinate dalla pressione della luce solare. Le spore batteriche sono molto resistenti. Però l'ipotesi di A. cadde quando si scoprì nel 1910 che la luce ultravioletta uccide rapidamente le spore batteriche (nello spazio la luce ultravioletta del sole è intensa). Comunque resta il problema di come è nata la vita negli altri pianeti da cui provengono queste spore.

La teoria dell'evoluzione chimica

L'evoluzione chimica si ritorna alla generazione spontanea, ma con una differenza. La teoria della generazione spontanea prima di Pasteur sosteneva che il processo avveniva velocemente e continuativamente; la teoria moderna sostiene che il processo sia avvenuto in un lontano passato e molto lentamente. Il processo non potrebbe avvenire oggi. Atmosfera primordiale: CH₄, NH₃, vapore acqueo (H₂O) ed H₂ – Atmosfera I tramite fotodissociazione si passa a CO₂ e N₂ (Atmosfera II). Poi l'ozono blocca tutto. La vita si è formata dalle due atmosfere primitive.

L'esperimento di Stanley Miller

Esperimento di Stanley Miller, 1952. Oltre a semplici composti azotati si formano glicina e alanina, amminoacidi più semplici. Si produce anche HCN. Se si aggiunge all'origine dell'esperimento, si ottengono altri aminoacidi e persino alcuni peptidi. Aggiungendo formaldeide, si formano ribosio e desossiribosio. Poi anche le basi azotate. Col fosfato poi si forma anche ATP.

Questi composti non venivano utilizzati da organismi viventi e quindi si accumulavano. Manca l'O₂. Nel brodo primordiale, si formano gli zuccheri, i nucleotidi, acidi nucleici e proteine. Poi si forma la molecola acido nucleico in grado di replicarsi. Quel momento segnò l'origine della vita. Così si ipotizza un periodo di evoluzione chimica prima dell'evoluzione stessa della vita.

Le prime cellule

Evoluzione organica – Le prime cellule. Complesso resta il passaggio da una molecola vivente al tipo di vita che conosciamo oggi. Come si è formata la prima cellula? Questo problema viene chiarito da S.W. Fox. La terra era molto calda e quindi l'energia termica deve essere stata in grado di trasformare composti semplici in composti più complessi.

Nel 1958 Fox, per provare questo, riscaldò una miscela di aminoacidi e scoprì che avevano formato delle lunghe catene, simili a quelle delle molecole proteiche. Questi proteinoidi venivano demoliti dagli enzimi che degradavano le normali proteine e potevano venire utilizzati per nutrire i batteri. Il fatto straordinario fu che sciogliendo i proteinoidi in acqua calda e lasciando raffreddare la soluzione, Fox scoprì che si aggregavano in microsfere che avevano le dimensioni di piccoli batteri.

Le cellule animali

Le forme di vita primitiva potevano esistere solo a costo di scindere complesse sostanze chimiche in altre più semplici e immagazzinare l'energia che si liberava da queste reazioni. Le sostanze si ricostituivano grazie all'azione dei raggi ultravioletti del sole. Quando l'Atmosfera II e lo strato di Ozono furono formati, si presentò il problema della mancanza delle sostanze nutritizie.

A questo punto si era formato un aggregato simile ai mitocondri che contiene clorofilla: era il precursore del cloroplasto. Nel 1966 Baker dimostrò che partendo da pirrolo e paraformaldeide (che si possono ottenere da sostanze più semplici in esperimenti come quelli di Miller) si otteneva la formazione di anelli porfirinici, la struttura base della clorofilla, dopo solo tre ore di leggero riscaldamento. La luce visibile poteva penetrare facilmente lo strato di Ozono e la minore energia della luce visibile era sufficiente per attivare i sistemi contenenti clorofilla.

Ci sono infatti 2000 specie di organismi unicellulari fotosintetizzati. Man mano che i cloroplasti si moltiplicavano nei mari primitivi, l'anidride carbonica venne gradualmente consumata e sostituita da ossigeno; si formò l'attuale Atmosfera III. Le cellule vegetali più efficienti giunsero a contenere numerosi cloroplasti. Nel frattempo cellule prive di clorofilla non potevano più nutrirsi. Tuttavia cellule con mitocondri potevano, ingerendo cellule vegetali, e digerendole, sopravvivere. Se qualche molecola organica si formasse, verrebbe subito inglobata dalle altre cellule.

Microcosmo

Testimonianze fossili di una vita microbica primordiale. I microbi o microrganismi si trovano anche in ogni struttura vivente nota e sono indispensabili per la sua sopravvivenza. La vita non prese il sopravvento sul globo con la lotta, ma istituendo interrelazioni! Per i primi 2 miliardi di anni la vita fu rappresentata esclusivamente da microrganismi batterici. In questo periodo i procarioti continuarono a trasformare la superficie terrestre e l'atmosfera. Inventarono tutti i sistemi chimici miniaturizzati. Quest'antica "alta biotecnologia" portò allo sviluppo della fermentazione, della fotosintesi e della respirazione aerobica e alla fissazione dell'azoto dell'aria.

Interazione di tre dinamiche dell'evoluzione

Scoperte di recente:

• Capacità di orchestrazione del DNA. Identificato nel 1944 da O.T. Avery; 1953 – Watson e Crick.
• Ingegneria genetica naturale. Trasferimenti di materiale genetico ad altri individui. Il DNA che riceve nuovi geni svolge funzioni per le quali il DNA precedente non era competente. La velocità di ricombinazione è superiore a quella di mutazione: gli eucarioti potrebbero aver bisogno di 1 milione di anni per adattarsi a un cambiamento su scala universale al quale i batteri riescono, invece, ad adattarsi soltanto in pochi anni. "Superorganismo" costituito dai batteri che comunicano e cooperano tra loro su scala universale. Tuttavia la mutazione ed il trasferimento di geni nei batteri non riescono a spiegare da soli l'evoluzione di tutte le forme di vita sulla terra.
• Meccanismo più brusco della mutazione: alleanza simbiotica che divenne permanente. Forma importante per il cambiamento della vita sulla terra. Nei particolari della loro struttura le cellule rivelano i segreti dei loro antenati. Le immagini al microscopio elettronico di cellule nervose mettono in evidenza in tutti gli animali, numerosi organelli "i microtubuli". Le ciglia delle vie aeree, e la coda degli spermatozoi, hanno la stessa struttura che hanno le ciglia dei cigliati, un gruppo di microrganismi che comprendono più di 8000 specie. Questi microtubuli, sono presenti nelle cellule animali, vegetali e dei funghi, ogni qualvolta esse si dividono. E sono costituiti dalle stesse proteine che sono presenti nel cervello umano. Sono molto simili a quelle che si trovano nelle spirochete.

Comportamento istintivo

Comprende 3 fasi:

• Fase di accumulazione di energia specifica di azione → comportamento appetitivo (o di ricerca) → ricerca attiva di situazione stimolo-chiave → meccanismo scatenante innato → azione consumatoria → rigida sequenza (stereotipia).

Il concetto di membrana

Per introdurre il concetto di membrana in seguito alla polimerizzazione del metano atmosferico la superficie dell'oceano doveva essere coperta da immense chiazze di idrocarburi dello spessore di una sola molecola, formata da acidi grassi con terminazioni idrofobiche e da altre sostanze con terminazioni idrofile. Come è stato dimostrato anche in laboratorio, i venti ed il moto ondoso frammentano questi strati monomolecolari in piccolissime sacche chiuse e a doppia parete, di qualche micron l'una: una struttura che ricorda quella dei liposomi.

Queste sacche microscopiche formate da una membrana lipidica molto simile a quella biologica, che chiudeva una goccia del brodo primordiale, potrebbero essere state le progenitrici non ancora viventi delle cellule.

Il metodo scientifico

Introduzione

L'intero processo evolutivo dipende in prima istanza da due fattori: la variabilità del materiale genetico da un lato, e la selezione naturale dall'altro. Vale a dire caso e necessità. Il fattore casuale agisce sul genotipo, la selezione naturale, che garantisce tra l'altro l'aderenza dell'evoluzione al secondo principio della termodinamica, opera sul fenotipo.

Per tale ragione bisogna avere una grande attenzione alle caratteristiche fenotipiche degli animali e non considerare superate tutte quelle osservazioni accumulate in secoli di studio, di carattere morfologico, sia strutturale che ultra strutturale, ma anche embriologico, biochimico, fisiologico, ecologico ed etologico e via dicendo. E anche le informazioni dirette che vengono dagli studi paleontologici. Quando si vuole descrivere la struttura e la complessità del regno animale, diventa necessario analizzare contemporaneamente ogni cosa da più punti di vista differenti per non incorrere in inevitabili errori.

L'errore diventa la norma quando l'oggetto è osservato da un unico punto di vista ma le possibilità di errore si riducono quando l'oggetto stesso è visto da angolazioni diverse. La tendenza sempre più diffusa ad affrontare qualunque tipo di ricerca nel quadro di un riduzionismo mentale sempre più accentuato ci induce tuttavia ad illustrare scherzosamente questa affermazione con la seguente immagine: Tutti sanno che è possibile ottenere da mani opportunamente disposte delle ombre che simulano animali; ma è anche possibile che un coniglio burlone ci prenda in giro disponendosi davanti ad una sola sorgente luminosa in modo tale da proiettare su uno schermo l'ombra di una mano. Quando si studia una materia così complessa come la zoologia, se non si ricorre ad analisi integrate provenienti dalle più diverse discipline si farà inevitabilmente la stessa fine.

Le osservazioni verificabili e i dati quantitativi derivati dalle misurazioni rappresentano il substrato della scienza. La scienza è in effetti non solo il risultato del processo che porta al sapere, ma anche il metodo per acquisire la conoscenza. Il percorso compiuto dai ricercatori per acquisire la conoscenza dei fenomeni naturali è fondamentalmente lo stesso in tutte le discipline; esso prevede: l'osservazione descrittiva e/o quantitativa e il metodo ipotetico/deduttivo. La maggior parte dei ricercatori mette in atto una combinazione di queste due forme di indagine.

La scienza implica il compiere delle osservazioni, cioè raccogliere dati o fatti circa l'universo degli eventi che in esso si verificano (vedi schema). Quando uno scienziato progetta e poi attua un esperimento, cerca di produrre una particolare sequenza di eventi; secondo la sua speranza, ciò lo porrà nella condizione di compiere osservazioni che saranno a favore o contro la teoria che egli sta verificando. Va detto che nella scienza non esistono fatti che non possono essere messi in discussione.

Per esempio, in biologia, è esistito per lungo tempo un "fatto" che sembrava ovvio: che la carne in putrefazione spontaneamente generasse larve di mosca vive. Attenti esperimenti dimostrarono però che le larve vive derivano da uova vitali, e queste a loro volta dalle mosche che si posano sulla carne putrefatta. Con l'andare del tempo, questo fatto entrò a far parte di una generalizzazione più vasta, vale a dire della concezione che la vita può prendere origine solo dalla vita. Una generalizzazione riassume in sé numerose osservazioni simili, nessuna delle quali la contraddice.

Metodo scientifico

Attraverso il metodo scientifico gli scienziati eseguono osservazioni accurate, riconoscono le problematiche, sviluppano ipotesi, formulano teorie che possono essere comprovate e a questo scopo elaborano esperimenti. Alla fine studiano i risultati dei loro esperimenti e ne traggono le conclusioni. I risultati che non confermano le ipotesi possono servire per formularne di nuove.

I ragionamenti sui quali si basa il pensiero scientifico sono di tipo deduttivo e induttivo. Nel ragionamento deduttivo si inizia da alcune informazioni, chiamate premesse, giungendo a conclusioni che si basano su queste informazioni. Il sistema deduttivo parte da principi generali per arrivare a conclusioni specifiche. Ad esempio, se si accettano le premesse che tutti gli uccelli hanno le ali e che i colombi sono uccelli, allora si può dedurre che i colombi hanno le ali.