Appunti completi e dettagliati di Biologia – Preparazione all’esame

BIOLOGIA

Appunti rielaborati dal materiale fornito

BIOLOGIA

Capitolo 1

Le barriere coralline svolgono un ruolo centrale per la biodiversità marina e per la protezione di circa un miliardo di persone, ma negli ultimi

vent’anni circa la metà dei coralli è stata distrutta dall’aumento delle temperature marine. I coralli ospitano alghe chiamate dinoflagellati, che

forniscono nutrimento mediante la fotosintesi; quando le temperature sono troppo alte, i coralli espellono queste alghe in un processo

chiamato sbiancamento, che può portarli alla morte. Rachel Bay e il professor Steve Palumbi della Stanford University hanno studiato coralli

nelle Samoa Americane e hanno osservato che quelli esposti a temperature più alte sviluppavano maggiore resistenza allo sbiancamento.

Esperimenti in laboratorio e in natura hanno suggerito due possibili spiegazioni: i coralli più resistenti potrebbero avere variazioni genetiche

specifiche, oppure potrebbero adattarsi mediante la regolazione dell’espressione genica pur condividendo lo stesso patrimonio genetico.

Comprendere questi meccanismi potrebbe aiutare a sviluppare strategie per proteggere i coralli dai cambiamenti ambientali.

1.1 Gli organismi viventi condividono somiglianze e origine in comune

Chiamiamo organismi le cose viventi. Esse, diversamente da quelle non viventi, si autosostengono e si rinnovano. La perdita dell’abilità di

sostentamento e rinnovo significa la perdita della vita, e gli organismi che muoiono entrano a far parte dei non viventi. La biologia è lo studio

scientifico degli organismi, sia durante la vita sia dopo la morte, con l’obiettivo di scoprire e comprendere la diversità e i processi complessi

che formano la vita. Concetti chiave

• Alcune caratteristiche fondamentali sono condivise da tutte le forme viventi.

• Gli organismi viventi hanno influenzato la storia del pianeta Terra.

• Le popolazioni biologiche cambiano nel tempo.

La vita sul nostro pianeta è piuttosto diversificata, eppure tutte le sue forme presentano caratteristiche comuni, come conseguenza la

maggior parte degli organismi:

• sono costituiti da un insieme di componenti chimici, tra cui alcuni carboidrati, acidi

grassi, acidi nucleici e amminoacidi;

• sono costituiti da cellule;

• sfruttano le molecole ottenute dall’ambiente per sintetizzare nuove molecole

biologiche;

• estraggono energia dall’ambiente e la sfruttano per compiere lavoro;

• contengono informazioni genetiche (genomi) che permettono loro di svilupparsi,

alimentarsi, funzionare e riprodursi;

• sfruttano un codice molecolare universale per costruire proteine prendendo come punto di partenzalle

informazioni genomiche;

• autoregolano il proprio ambiente interno;

• esistono in popolazioni che si evolvono con il passare del tempo.

Tutti gli organismi viventi condividono caratteristiche fondamentali — composizione chimica simile, struttura cellulare, funzioni biologiche di

base e codice genetico — che indicano con forza un’origine comune della vita sulla Terra. Se la vita fosse nata più volte in modo

indipendente, non ci si aspetterebbe di osservare somiglianze così profonde e universali. di conseguenza, le evidenze scientifiche portano

alla conclusione che tutte le forme di vita attuali discendano da un unico antenato comune vissuto circa 4 miliardi di anni fa. Eventuali

organismi con un’origine completamente separata, ad esempio provenienti da un altro pianeta, potrebbero presentare analogie superficiali

con i viventi terrestri, ma difficilmente condividerebbero lo stesso codice genetico, la stessa base chimica o le medesime strutture e funzioni

cellulari che caratterizzano la vita sulla Terra. Esistono nonostante ciò casi particolari che sembrano mettere alla prova la definizione di

“vivente”. Un esempio è rappresentato dai semi delle piante del deserto, che possono rimanere per anni in uno stato di inattività senza

svolgere apparenti funzioni vitali come metabolismo, crescita o riproduzione; nonostante ciò, sono considerati vivi perché mantengono la

potenzialità di riattivare tali processi quando le condizioni ambientali diventano favorevoli. Un altro caso particolare è quello dei virus. Essi

non sono costituiti da cellule e non sono in grado di svolgere autonomamente le funzioni biologiche, poiché dipendono interamente da cellule

ospiti che sfruttano per replicarsi. nonostante ciò, i virus possiedono materiale genetico e le loro popolazioni evolvono nel tempo, come

dimostrano le continue variazioni dei virus influenzali. È molto probabile che si siano evoluti prendendo come punto di partenza forme di vita

cellulari; di conseguenza, la maggior parte dei biologi li considera comunque parte del mondo dei viventi, pur riconoscendone la natura

particolare. La biologia studia le caratteristiche comuni degli esseri viventi, la loro origine e il modo in cui tali caratteristiche cooperano per

garantire sopravvivenza e riproduzione. Poiché non tutti gli organismi hanno lo stesso successo nel sopravvivere e riprodursi, queste

differenze costituiscono la base dei processi evolutivi. L’evoluzione, come conseguenza, è il principio centrale della biologia ed è il

meccanismo che ha generato l’enorme diversità della vita sulla Terra e la sua capacità di adattarsi a molteplici ambienti. La vita è comparsa

dalla materia inanimata mediante l'evoluzione chimica. La Terra si è formata tra 4,6 e 4,5 miliardi di anni fa, ma inizialmente era un ambiente

inospitale. Solo dopo circa 600 milioni di anni, grazie al raffreddamento del pianeta e alla formazione di acqua liquida in superficie, si

crearono le condizioni adatte alla comparsa della vita. Se si immaginasse l’intera storia della Terra come un mese di 30 giorni, la vita

apparirebbe già verso la fine della prima settimana, pertanto relativamente presto su scala geologica.

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Le condizioni primitive della Terra erano molto diverse da quelle attuali: atmosfera, oceani e clima avevano caratteristiche chimiche differenti.

nonostante ciò, esperimenti che simulano tali condizioni hanno dimostrato che la formazione spontanea di molecole organiche complesse

prendendo come punto di partenza composti chimici semplici non solo si può, ma può essere un processo naturale e probabile. Il passaggio

decisivo per l’origine della vita fu la comparsa degli acidi nucleici, molecole capaci sia di autoreplicarsi sia di fungere da stampo per la sintesi

delle proteine. Le proteine, grazie alla loro struttura tridimensionale complessa ma stabile, poterono svolgere un numero crescente di

funzioni chimiche, catalizzando reazioni e rendendo il sistema biologico sempre più efficiente e articolato. Un ulteriore passaggio

fondamentale fu l’organizzazione di queste molecole in compartimenti delimitati da membrane. Alcune molecole, come gli acidi grassi,

tendono spontaneamente a formare strutture chiuse in ambiente acquoso, poiché non sono solubili in acqua. Analogamente a quanto

accade quando si mescolano olio e aceto, gli acidi grassi possono aggregarsi in pellicole che, se agitate, formano vescicole sferiche

chiamate liposomi. Nell’oceano primordiale, strutture simili potrebbero aver racchiuso insiemi di molecole biologiche, creando un ambiente

interno separato dall’esterno. Questa compartimentazione permise di concentrare reagenti e prodotti delle reazioni chimiche, aumentando

l’efficienza dei processi e portando alla formazione delle prime cellule capaci di riprodursi: nacquero così i primi organismi cellulari. Per oltre

metà della storia della vita sulla Terra, esistettero soltanto organismi unicellulari. Le prime cellule erano semplici e prive di compartimenti

interni delimitati da membrane: questi organismi sono chiamati procarioti. Nel corso dell’evoluzione, i procarioti si differenziarono in due

grandi gruppi distinti fin dalle prime fasi della storia della vita: i Batteri (Bacteria) e gli Archei (Archaea). Molto tempo dopo, da un gruppo di

Archei ebbe origine il terzo grande ramo della vita: gli eucarioti. Le cellule eucariotiche si distinguono per la presenza di membrane interne

che formano compartimenti specializzati chiamati organuli o organelli. Il più caratteristico è il nucleo, che racchiude il materiale genetico e da

cui deriva il nome “eucariote” (“vero nucleo”). Altri organelli svolgono funzioni specifiche, come la produzione di energia o la sintesi di

molecole complesse. Questa compartimentazione interna rese le cellule eucariotiche più complesse ed efficienti. L’origine degli eucarioti

prendendo come punto di partenzai procarioti è spiegata da due ipotesi principali. Una suggerisce che ripiegamenti della membrana cellulare

abbiano formato progressivamente compartimenti interni. L’altra, nota come teoria endosimbiotica, propone che cellule procariotiche

differenti abbiano instaurato rapporti di cooperazione stretta: ad esempio, un procariote capace di produrre energia potrebbe essere stato

inglobato da un altro specializzato nella sintesi di molecole, senza essere digerito. Questa relazione vantaggiosa per entrambi avrebbe

portato alla trasformazione del procariote inglobato in un organello stabile all’interno della cellula ospite.

A un certo punto dell’evoluzione, alcune cellule eucariotiche, dopo la divisione, non si separarono completamente ma rimasero unite,

formando colonie. In queste aggregazioni, alcune cellule iniziarono a specializzarsi in funzioni specifiche, come la riproduzione, la nutrizione

o il movimento. Questa divisione del lavoro rese possibile l’evoluzione degli organismi pluricellulari, che potevano raggiungere dimensioni

maggiori, sfruttare meglio le risorse e adattarsi in modo più efficace a diversi ambienti. In sintesi, la storia della vita sulla Terra è

caratterizzata da una progressiva crescita di complessità: dalla formazione di molecole organiche alla comparsa delle prime cellule, dalla

distinzione tra procarioti ed eucarioti fino all’evoluzione della multicellularità, ciascun passaggio ha ampliato le possibilità di organizzazione e

adattamento degli esseri viventi. La Fotosintesi permette ad alcuni organismi di catturare energia del Sole Le cellule viventi necessitano

costantemente di energia per sostenere il metabolismo e svolgere le proprie funzioni. I primi procarioti soddisfacevano questo fabbisogno

assorbendo dall’ambiente piccole molecole organiche e ricavando energia dalla rottura dei loro legami chimici. Questo metabolismo, basato

su reazioni anaerobiche, è ancora oggi sfruttato con successo da molti procarioti. nonostante ciò, circa 2,5 miliardi di anni fa, l’evoluzione

della fotosintesi segnò una svolta fondamentale nella storia della vita. La fotosintesi consente di convertire l’energia luminosa del Sole in

energia chimica sfruttabile per sintetizzare molecole complesse. Queste molecole possono essere impiegate per costruire strutture cellulari

oppure degradate per produrre energia metabolica. Le prime cellule fotosintetiche erano probabilmente simili agli attuali Cyanobacteria

(cianobatteri). Con il tempo, la loro attività portò all’accumulo nell’atmosfera di quantità elevate di ossigeno (O■), inizialmente assente e anzi

tossico per molti organismi anaerobi dell’epoca. L’aumento dell’ossigeno provocò pertanto una massiccia estinzione, ma favorì la diffusione

di organismi capaci di tollerarlo e sfruttarlo. La presenza di ossigeno rese possibile il metabolismo aerobico, molto più efficiente dal punto di

vista energetico rispetto a quello anaerobico. Questo vantaggio aprì nuove prospettive evolutive e oggi la maggior parte degli organismi

sfrutta processi aerobici. a ciò si aggiunge che, l’accumulo di ossigeno nell’atmosfera portò alla formazione graduale di uno strato di ozono

(O■) nella parte alta dell’atmosfera, che schermava le radiazioni ultraviolette solari. Circa 500 milioni di anni fa, questo scudo protettivo era

sufficientemente sviluppato da consentire agli organismi di colonizzare la terraferma, fino ad allora inospitale a causa dell’intensa radiazione

UV . Il secondo grande tema riguarda la natura dell’informazione biologica. Già prima della nascita della biologia moderna si sapeva che i

figli somigliano ai genitori, ma fu grazie agli esperimenti di Gregor Mendel nel XIX secolo che si dimostrò che i caratteri ereditari sono

trasmessi mediante unità discrete, successivamente chiamate geni. Nel XX secolo nacque così la genetica. Solo a metà Novecento si scoprì

che il materiale ereditario è il DNA, la cui struttura fu chiarita da James Watson e Francis Crick. Il DNA costituisce il genoma di un organismo,

cioè l’insieme completo delle informazioni necessarie per determinarne struttura e funzionamento.

Il DNA è costituito da lunghe sequenze di quattro nucleotidi differenti. I geni sono segmenti specifici di DNA che contengono le istruzioni per

produrre proteine. L’informazione genetica viene espressa mediante un processo in due fasi: prima la trascrizione, in cui una porzione di

DNA viene copiata in RNA; poi la traduzione, in cui la sequenza di nucleotidi dell’RNA viene convertita in una sequenza di amminoacidi che

forma una proteina. Il codice genetico è il sistema che permette questa corrispondenza tra nucleotidi e amminoacidi. Le proteine, a loro volta,

svolgono la maggior parte delle funzioni cellulari: regolano le reazioni chimiche e costituiscono gran parte delle strutture dell’organismo.

Un’analogia efficace paragona il genoma a un libro: i nucleotidi sono le lettere, le proteine sono le parole, le combinazioni di proteine che

formano strutture e regolano processi sono frasi e paragrafi, mentre l’organismo completo è il libro intero. Nell’uomo, il genoma comprende

oltre 3 miliardi di “lettere” e potrebbe riempire circa mille volumi. Negli organismi pluricellulari tutte le cellule possiedono sostanzialmente lo

stesso genoma, ma esprimono geni diversi a seconda della loro funzione. Cellule muscolari, globuli rossi o cellule intestinali producono

proteine differenti perché attivano porzioni diverse del DNA. Il controllo dell’espressione genica è pertanto fondamentale per lo sviluppo e il

funzionamento di organismi complessi ed è uno dei principali campi di studio della biologia contemporanea. Infine, quando le cellule si

dividono, il genoma deve essere replicato. Questo processo non è perfetto e può generare mutazioni, cioè cambiamenti nella sequenza del

DNA. Le mutazioni possono essere spontanee o causate da agenti esterni come radiazioni o sostanze chimiche. Nella maggior parte dei

casi sono neutre o dannose, ma talvolta possono conferire un vantaggio in un determinato ambiente. Queste variazioni costituiscono la base

dell’evoluzione. Le scoperte sul DNA e sui meccanismi di trasmissione dell’informazione genetica hanno pertanto trasformato

profondamente la biologia, fornendo una spiegazione unificata dei processi vitali e dell’evoluzione. Le popolazioni di tutti gli organismi viventi

si evolvono Una popolazione è un gruppo di individui dello stesso tipo di organismo che si incrociano tra loro. Il processo dell'evoluzione

produce cambiamenti nel corredo genetico delle popolazioni biologiche con il passare del tempo. L'evoluzione è uno dei più importanti

principi della biologia. Charles Darwin raccolse le prove fattuali dell'evoluzione nel suo libro Sull'Origine delle Specie del 1859. Darwin

sostenne che le differenze, in termini di sopravvivenza e riproduzione, fra gli individui in una popolazione, che chiamò selezione naturale* ,

potessero spiegare la maggior parte dell'evoluzione della biodiversità. Pur ipotizzando che tutti gli organismi discendessero da un antenato

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comune e pertanto fossero imparentati fra loro, Darwin non comprese i meccanismi dell'eredità genetica. nonostante ciò, riuscì a

comprendere il processo di allevamento selettivo di piante e animali per ottenere specie con i tratti voluti. I passaggi dell'allevamento

selettivo possono essere così riassunti:

• osservazione delle variazioni dei tratti in una popolazione;

• accoppiamento selettivo sulla base dello specifico tratto da prodursi nella prole;

• ripetizione di questi incroci nelle generazioni successive per poter amplificare il tratto

in questione. Charles Darwin comprese che, così come l’uomo può selezionare artificialmente determinati caratteri in piante e animali

domestici, anche in natura può avvenire un processo analogo, che chiamò selezione naturale. Questo meccanismo si basa sul fatto che gli

organismi producono più discendenti di quanti possano sopravvivere; di conseguenza, solo una piccola parte della prole riesce a riprodursi.

Se un individuo possiede una caratteristica che aumenta anche di poco la probabilità di sopravvivenza e riproduzione, tale caratteristica

tenderà a diffondersi nella popolazione nel corso delle generazioni. in tal modo si originano gli adattamenti, cioè tratti strutturali, fisiologici o

comportamentali che migliorano l’idoneità di un organismo nel proprio ambiente. Oltre alla selezione naturale, favorisconolla diversità

biologica anche altri processi evolutivi, come la selezione sessuale (basata sulla scelta del partner) e la deriva genetica (variazioni casuali

nella frequenza dei geni dovute a eventi fortuiti). L’insieme di questi meccanismi, operando per milioni di anni, ha prodotto l’enorme varietà di

forme di vita presenti sulla Terra. Tradizionalmente la diversità biologica veniva descritta sulla base delle caratteristiche morfologiche. Oggi,

grazie alla genomica, si può confrontare direttamente le sequenze di DNA degli organismi. ad esempio, una differenza nei capelli tra

popolazioni europee/africane e popolazioni dell’Asia orientale è legata a una variazione nel gene EDAR: una singola sostituzione di

nucleotide determina un cambiamento in un amminoacido della proteina prodotta, con effetti sullo spessore e sulla forma del capello. La

possibilità di sequenziare interi genomi ha generato enormi quantità di dati, favorendo lo sviluppo della bioin