Biologia Animale, Zoologia

Biologia animale

La zoologia è una scienza multidisciplinare legata alla citologia che studia gli animali (sistemi di organi) nel loro habitat, luogo con caratteristiche fisico-chimiche che permettono all'animale di vivere.

Procarioti

Sono privi di nucleo, quindi il DNA è sparso nel citoplasma. Non ci sono membrane ma hanno i flagelli. Nascono circa 4 milioni di anni fa. I procarioti si dividono in:

• Bacteria: i cianobatteri sono presenti sia in acqua marina che dolce. La storia ha lasciato tracce tramite i fossili di cianobatteri detti stromatoidi. Stratificando i batteri del mare è possibile trovare in superficie coloro che effettuano la fotosintesi (tra cui i cianobatteri) e scendendo coloro che hanno intorno sostanze chimiche con cui produrre energia.
• Archea: organismi molto antichi tutt'oggi presenti. Vivevano senza ossigeno e al loro interno avevano un tasso molto elevato di zolfo, elemento tossico per l’uomo. Di essi fanno parte gli zolfobatteri e i chemiobatteri.

Gli eucarioti vengono differenziati a partire dai Protisti, organismi unicellulari, e da Eukaria, organismi pluricellulari, che comprendono i 4 regni animali.

Eucarioti

Le cellule di questi organismi sono formate da organuli e hanno un nucleo contenente DNA. Come si è passato dai procarioti agli eucarioti? In un mondo di procarioti, la creazione di eucarioti deriva dai procarioti.

L. Margulis, Teoria delle simbiosi sequenziali, 1970: un procariote anaerobio ha endocitato un procariote aerobio, molto più piccolo. Con l'inglobamento di questo procariote aerobio, quello anaerobio avrebbe sfruttato il procariote aerobio per la produzione di energia. Il procariote più grande non digerisce la parte inglobata ma la mantiene. Viene poi inglobato un secondo procariote per la fotosintesi. La prima simbiosi serve per acquisire il meccanismo aerobio mentre la seconda serve per acquisire quello della fotosintesi. Questa teoria comprende due simbiosi da parte di un procariote o protista.

I multicellulari che derivano dai protisti sono sicuramente discendenti da questi protisti formatisi per simbiosi. Vi sono quattro regni di eucarioti (animali, funghi, piante, protisti) e un regno di batteri (monere). Ci sono protisti che si mettono in simbiosi con batteri. Nei flagellati avviene la fotosintesi. Una delle prime distinzioni è la riproduzione. La colonia del Volvox forma piccole colonie fino a quando la colonia madre si apre. La colonia madre è formata da molti organismi che non si riproducono e pochissimi che procreano (fino a formare tante colonie).

Metabolismo cellulare e bioenergia

I componenti del cibo sotto forma di cellule entrano nel citoplasma tramite processi di endocitosi ed esocitosi. Entrati, vengono trasformati tramite due differenti vie:

• Catabolismo: demolizione di molecole grandi in più piccole (da proteine ad amminoacidi) con liberazione di energia sotto forma di ATP e calore.
• Anabolismo: sintesi di nuove macromolecole con utilizzo di energia partendo da piccole molecole.

Respirazione cellulare

Si usa l'ossigeno per ossidare (processo chimico). L'ossigeno viene introdotto e viene emessa anidride carbonica in modo passivo, cioè per diffusione.

Se il metabolismo è aerobio, cioè si verifica in presenza di ossigeno, abbiamo queste fasi:

1. Glicolisi: rottura del glucosio (G3P) che rompendosi libera energia e va a formare il piruvato, sostanza intermedia.
2. Il piruvato, che si trova nei mitocondri, va incontro al ciclo di Krebs, serie di reazioni biochimiche con andamento circolare che producono ATP.
3. Fosforilazione ossidativa: si formano acqua (acqua metabolica), anidride carbonica e 36 molecole di ATP.

Se il metabolismo è anaerobio, il piruvato va incontro alla fermentazione, processo che produce molta meno energia. La fermentazione viene usata molto dai batteri. Il prodotto di questo processo è l'acido lattico, prodotto anche dai muscoli quando non hanno abbastanza ossigeno all'interno. In questo caso viene prodotto in modo che ci sia comunque una produzione di energia per un certo tempo. Processo chiamato aerobiosifunzionale. Questo acido, visto che è tossico, viene portato via dai muscoli dal sangue il prima possibile e viene portato al fegato, dove viene trasformato in piruvato.

Il metabolismo anaerobio è meno frequente perché gli animali sono sempre in movimento. Il cibo nel metabolismo è come un combustibile. È la principale fonte di energia. Carboidrati: glucosio. Lipidi: acidi grassi e glicerolo. Proteine: formate da amminoacidi (hanno un’estremità amminica e una acida). Compongono tutte le parti della cellula e ne fanno parte anche gli enzimi.

Gli animali sono sistemi aperti dal punto di vista energetico, rimanendo in equilibrio dinamico con l’ambiente. Gli animali usano solo energia chimica per il metabolismo trasformando il cibo in energia cinetica, meccanica, chimica e termica. Nel processo di trasformazione del cibo in energia intervengono enzimi che catalizzano le reazioni (le fanno avvenire più facilmente). Questi organismi, detti eterotrofi, si alimentano mangiando piante, altri animali o i loro resti. Essi sono organismi onnivori, erbivori, carnivori, detritivori (lombrichi, lumache, insetti).

Questo vale per tutti tranne per gli organismi autotrofi che si autoproducono il cibo tramite fotosintesi. L'animale ha bisogno di mangiare e introdurre energia che deve eccedere rispetto al costo del metabolismo basale, cioè il metabolismo che consuma l'energia giusto per mantenere in vita l’animale. Più lo stile di vita è attivo, più l'animale consuma energia. Il cibo viene digerito (le macromolecole si rompono) e poi assorbito (ossidato). L’energia che si crea viene poi spesa. Più l'animale grande, più il metabolismo è costoso. Però ci sono anche vantaggi perché gli animali grandi hanno:

• Resistenza ai predatori.
• Gonadi (ovaie o testicoli).
• Maggior sfruttamento di risorse comuni.
• Ingestione maggiore e quindi maggior energia.

Il metabolismo basale per unità di massa diminuisce al crescere delle dimensioni dell'animale. Lo stesso uso che si fa di energia nei vari animali non ha uguali valori per tutti ma dipende dal tipo di enzimi che contengono gli animali. Se c'è l'enzima quel cibo viene decomposto, se l'enzima non c'è quel cibo come entra, esce. Le unità di cibo possono essere microfaghe (piccole unità) o macrofaghe (grandi unità) e per questo gli organismi si definiscono microfagi o macrofagi a seconda del tipo di cibo che ingeriscono.

Negli animali c’è la perdita di energia chimica per l’eliminazione di scarti tramite la via urinaria o quella anale, per la muta e il cambio dell’esoscheletro da parte di alcuni insetti, per il movimento e per la creazione di cellule da utilizzare.

Metodi di nutrimento

Protisti: fagocitosi di vapori alimentari in qualsiasi parte del corpo.

Poriferi: filtrazione in acqua. Questi organismi (spugne, crostacei fissi, balene) hanno dei buchi attraverso i quali le molecole di cibo contenute nell’ambiente acquoso circostante entrano. Gli organismi fissi hanno anche flagelli che, muovendosi, consentono all’acqua circostante di muoversi garantendone un ricircolo costante che fa sì che ci siano sempre nuove molecole di cibo.

Animali:

• Detritivori: si nutrono dei detriti che raschiano dal terreno grazie ad una radula (struttura boccale specializzata nella raschiatura del substrato costituita da un nastro chitinico ricoperto da dentelli che si muove avanti e indietro) o che trovano per terra (anche scavando). I detriti poi se li portano nella loro bocca.
• Assorbimento dalla pelle
• Fitofagia: mangiare i vegetali.
• Ematofagia: mangiare il sangue.
• Caccia: i cacciatori inseguono la loro preda, sia in ambiente terrestre che marino, e la attaccano, singolarmente o in branco.

• Le stelle marine si spostano su animali più sedentari di loro avvolgendoli con lo stomaco che può essere estroflesso attraverso la bocca.
• Gli cnidaria (meduse e polpi) sono formati da cilindri cavi fissi sul fondo con la bocca rivolta verso l'alto. Il cibo entra nella cavità gastrovascolare, il celenteron. Si chiama vascolare perché serve a far circolare l'acqua all'interno della cavità per ricambiare ossigeno e altre sostanze. Le scorie escono da dove entra il nutrimento.
• Gli aracnidi (ragni, animali con 8 occhi) hanno 2 appendici dotate di un uncino dove si trova la ghiandola velenosa. Le punture sono sempre fatte da entrambi gli uncini. Il veleno viene racchiuso nella cnidocisti (capsule). I ragni non ingeriscono la preda ma ci riversano sopra il contenuto del loro stomaco e poi succhiano. La loro tela, quando qualche insetto ci finisce intrappolato, vibra e il ragno si accorge che ha catturato qualcosa quindi lo punge. Il ragno aspetta la preda, non la insegue.
• Gli scorpioni immobilizzano la preda con le chele e poi la ingeriscono.
• I molluschi (gasteropodi e cefalopodi) inseguono la preda e hanno i tentacoli che la portano alla loro bocca. Quando prendono la preda iniettano nei suoi tessuti una sostanza tossica prodotta dalle ghiandole salivari.
• Gli uccelli (aves) non sono tutti predatori. Coloro che lo sono, per predare, usano il becco, corto ma robusto, per colpire la preda e poi smembrarla. Hanno anche le zampe posteriori con gli artigli per afferrare la preda. Gli occhi sono laterali e questo gli permette di avere un campo visivo più ampio. Se gli occhi fossero stati frontali, avrebbero avuto più senso della profondità.
• I mammiferi hanno i denti con forme e dimensioni diverse (dentatura eterodonta). Ai denti frontali, che servono per afferrare la preda, ci si aggiungono altri denti dietro chiamati molari che servono per masticare il cibo. La predazione per i carnivori può avvenire per inseguimento o per agguato ma quest’ultimo ha un costo energetico molto più basso.
• I serpenti hanno la mandibola e la mascella snodabili e per questo la preda viene mangiata intera e la digestione è molto lunga.

Digestione

La digestione trasforma la sostanza organica ingerita nei suoi componenti semplici che vengono poi assimilati e resi disponibili per il metabolismo cellulare. Questo processo avviene grazie a numerose categorie di enzimi prodotti a diversi livelli delle cellule dell'apparato digerente oppure da ghiandole specializzate nei gruppi più evoluti. Durante la digestione, il cibo, compartimentato, rimane esterno all'organismo e solo al termine del processo le molecole risultanti vengono assimilate, cioè immesse nell'organismo, mentre la parte indigeribile viene eliminata sotto forma di feci.

Si parla di digestione extracellulare quando gli enzimi idrolasi ci vengono immessi nel lume dell’apparato digerente, mentre si chiama digestione endocellulare la parte del processo che avviene all'interno delle cellule in seguito a fagocitosi.

• Nei protisti avviene una digestione chimica con collisione di macronutrienti in micronutrienti. La digestione è endocellulare.
• Nei poriferi le particelle di cibo sospese nell'acqua penetrano nei canali attraverso i pori, sono trattenute dal collaretto di microvilli dei coanociti (cellule flagellate che rivestono la cavità centrale) e poi fagocitate dalle stesse cellule.
• Negli cnidaria, il cibo viene immesso nella cavità gastrovascolare attraverso bocca e faringe, viene digerito in parte extracellularmente grazie agli enzimi prodotti da cellule zimogene in parte intracellularmente dopo esser stato fagocitato dalle cellule gastrodermiche. La porzione in digerita viene immessa nuovamente attraverso la bocca.

La complessità dell’apparato digerente è legata al tipo di alimentazione. Gli erbivori, in genere, hanno un intestino più lungo per permettere un efficace demolizione della cellulosa. I lombrichi, che digeriscono la sostanza organica presente nel terreno, hanno un potente stomaco muscolare e il lume dell’intestino ha una plica che aumenta la superficie di contatto tra il cibo ingerito e la parete.

L'apparato digerente è divisibile in varie parti, ognuna che svolge una diversa azione durante la digestione:

1. Faringe, estroflessibile e munita di denti o lame taglienti.
2. Stomaco, allungato e spesso dotato di una potente muscolatura che svolge principalmente un'azione meccanica il cibo.
3. Intestino, dove ci vengono immessi gli enzimi digestivi provenienti dalle diverse ghiandole e che ha anche una funzione assorbente. Può avere delle ramificazioni a fondo cieco che servono ad aumentare la superficie. Le superfici cieche dell'intestino sono i diverticoli, spesso sede di batteri, che aumentando la superficie dell’intestino facilitano la digestione. L'ultima parte si chiama proctodeo e serve anche recuperare alcune sostanze.
4. Ciechi intestinali, parti presenti nei quali il cibo può permanere per lungo tempo.
5. Ano, organo che permette di espellere le feci.

I vertebrati sono divisi in gruppi in base al loro apparato digerente. Nei ruminanti c'è un adattamento dello stomaco molto complesso, infatti, esso è diviso in quattro parti:

1. Reticolo
2. Rumina
3. Omaso
4. Abomaso

Le prime due parti sono ricche di batteri anaerobici che digeriscono per fermentazione rilasciando metano e CO₂. Le altre due parti sono le parti alle quali arriva il cibo ingerito.

Respirazione

A livello animale e cellulare significa scambio. Il principale scopo della respirazione è quello di fornire alle cellule un'adeguata quantità di ossigeno per soddisfare le loro necessità metaboliche ed eliminare l'anidride carbonica prodotta dalla degradazione dei substrati. L'ossigeno disponibile varia a seconda degli ambienti ed anche la quantità richiesta dal metabolismo non è uguale per tutti gli organismi. L'ossigeno per poter essere utilizzato deve essere in soluzione: gli organismi acquatici lo respirano disciolto nell'acqua mentre negli organismi terrestri l'ossigeno si scioglie nelle superfici umide degli organi respiratori arrivando così all'interno dell'organismo. La respirazione cutanea quando è possibile è sempre presente negli organismi.

• Protisti: utilizzano l'ossigeno per ossidare le sostanze ingerite eliminando l'anidride carbonica, tossica. L'ossigeno e l'anidride carbonica attraversano la membrana secondo gradiente di concentrazione quindi usando la diffusione senza un consumo di energia. Respirano attraverso la superficie corporea (respirazione cutanea). Ex. plancton; lumache; lombrichi
• Piccoli animali: utilizzano la respirazione cutanea. Questo avviene se la superficie è tanta rispetto al volume e la cute è molto sottile. In stadi giovanili soprattutto.

La diffusione da sola non è sufficiente a fornire la necessaria quantità di ossigeno ad animali in cui il rapporto tra la superficie e il volume è sbilanciato a favore del volume. Per questo, alcuni organismi hanno risolto il problema non aumentando le dimensioni corporee mentre altri hanno sviluppato forme che aumentano la superficie respiratoria. Se le dimensioni aumentano, sono necessario organi specifici che ampliano la superficie adibita agli scambi gassosi: gli animali acquatici hanno delle estroflessioni dette branchie, gli organismi terrestri aspirano l'aria in tubi detti trachee o in sacchi interni detti polmoni, strutturati in modo da formare un’amplissima superficie. Il sistema tracheale è molto efficiente ma può limitare le dimensioni dell’organismo.

Gli organismi legano l'ossigeno a composti organici detti pigmenti respiratori che aumentano la capacità di trasporto di ossigeno. Questi pigmenti tra di loro sono diversi per l'architettura molecolare e per affinità con l'ossigeno ma hanno tutti uno ione metallico al quale si lega l'ossigeno. Un esempio di pigmento respiratorio è l'emoglobina. Nei muscoli scheletrici rossi e in quello cardiaco, la proteina che trasporta l'ossigeno è la mioglobina.

Le branchie: sono gli organi respiratori dei grandi organismi acquatici che possono integrare anche altre superfici respiratorie eventualmente presenti. Generalmente esterni e visibili. Se il sistema circolatorio può trasportare i gas, le branchie sono vascolarizzate. Organi delicati composti da lamelle o da filamenti che, nel tipo più semplice, sono estroflessioni della superficie corporea. La superficie lamellare fa aumentare la superficie di scambio. La funzione primaria è quella di fare scambi di gas ma possono anche essere utilizzate per l’alimentazione per filtrazione o escrezione.

Dato che l’ossigeno disciolto nell'acqua è relativamente poco, la superficie delle branchie deve essere necessariamente ampia per fornire un adeguato apporto di ossigeno. Il movimento dell'acqua attraverso le branchie viene assicurato dall'azione di ciglia, muscoli e dalla locomozione dell'animale. L'efficienza del sistema branchiale viene aumentata se il flusso dell'acqua portatrice di ossigeno è in direzione opposta alla circolazione del fluido corporeo dentro le branchie perché, in questo modo, il sangue all’interno dei capillari incontra acqua sempre satura di ossigeno. Serve per ottimizzare la diffusione dell’ossigeno del sangue.

• Gli anellidi hanno le branchie ramificate verso l'esterno di colore rosso poiché sono vascolarizzate.
• Nei molluschi bivalvi (con conchiglia divisa a metà in due parti) le branchie sono ramificate verso l’esterno e hanno la funzione di trattenere l’ossigeno e di far muovere la corrente d’acqua per filtrare il cibo.
• I pesci ossei hanno una zona vicina alla testa, dietro l’occhio, chiamata opercolo (piastra ossea) che copre e protegge le branchie. Questa zona si muove grazie a dei muscoli.