Appunti esame Biologia animale

A cura di Gaia Ilari: biologia animale

Biologia e vita

La biologia è la scienza che studia la vita e i vari processi dei sistemi viventi. La biologia si occupa in particolare di:

• Interazioni tra diversi sistemi biologici;
• Struttura e funzione - la reciproca relazione tra esse;
• Informazioni: il trasferimento di informazioni (all’interno e all’esterno dell’organismo);
• Energia: il trasferimento di energia;
• L’evoluzione.

Vita e differenze tra esseri viventi e non viventi

La differenza tra un essere vivente e un essere non vivente, quindi ciò che descrive la vita, risiede:

• In un particolare tipo di organizzazione gerarchica,
• Crescita, sviluppo e apoptosi;
• Autoregolazione del metabolismo (omeostasi = equilibrio interno),
• Interazione con l’ambiente e reazione agli stimoli,
• Riproduzione (sessuata o asessuata)
• Adattamento ed evoluzione.

La cellula

Tutti i sistemi viventi sono costituiti da un’unità di base detta cellula. Le cellule, secondo la teoria cellulare, derivano dalla divisione di cellule preesistenti e sono le unità anatomo-funzionali degli organismi animali e vegetali.

I sistemi viventi in base al numero di cellule che possiedono si classificano in:

• Unicellulari - se sono costituiti da un’unica cellula;
• Pluricellulari - se sono costituiti da più cellule i cui processi vitali derivano dall’interazione tra le cellule stesse del sistema vivente, le quali sono organizzate in strutture, definendo così: tessuti, organi, sistemi, apparati e organismi.

Esistono due tipologie di cellule:

• Cellule procariotiche: sono tipiche di quei sistemi biologici molto semplici e sono costituite da una membrana plasmatica che avvolge e separa la cellula dall’ambiente esterno, permettendo solo il passaggio di alcune sostanze, contenendo l’informazione genetica sottoforma di DNA o RNA;
• Cellule eucariotiche: sono tipiche di quei sistemi biologici più complessi e sono costituite esternamente da una membrana citoplasmatica, mentre all’interno presentano un’organizzazione in diversi compartimenti cellulari detti organuli citoplasmatici (di cui ognuno svolga una funzione diversa) e un nucleo centrale in cui è contenuta l’informazione genetica.

I livelli di organizzazione biologica

Atomi → Molecole → Organuli → Cellula → Tessuti → Organi → Sistemi e apparati → Organismi → Popolazioni → Comunità → Ecosistema → Biosfera

Accenni di ecologia

Il Sole fornisce la maggior parte dell’energia che garantisce la vita sulla Terra. L’insieme delle reazioni chimiche e delle trasformazioni energetiche che avvengono all’interno di una cellula determinano il suo metabolismo cellulare. Durante gli scambi energetici, una certa quantità di energia viene convertita in calore mentre altra viene dispersa nell’ambiente.

Un ecosistema autosufficiente è costituito da:

• Produttori (o autotrofi)
• Consumatori (primari e secondari)
• Decompositori

Produttori

Tra i produttori vi sono ad esempio piante, alghe, alcuni batteri, quindi in generale organismi autotrofi in grado di ricavare i nutrimenti necessari a partire da composti inorganici e attraverso la fotosintesi clorofilliana vengono convertiti in composti organici. Nella fotosintesi clorofilliana grazie all’energia luminosa avviene tale reazione, in cui l’energia luminosa viene convertita e conservata all’interno dei legami chimici:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

Quando i legami chimici si rompono durante la respirazione cellulare, l’energia di legame immagazzinata viene messa a disposizione per i diversi processi vitali (come la sintesi di nuovi componenti cellulari).

Consumatori eterotrofi

I consumatori sono organismi che dipendono dagli autotrofi per ricavare energia, cibo e ossigeno. Essi si distinguono in:

• Consumatori primari: mangiano i produttori (bruchi);
• Consumatori secondari: mangiano i consumatori primari.

I consumatori ricavano energia dalla rottura dei legami chimici degli zuccheri e altri nutrienti ottenuti dalla fotosintesi degli autotrofi. In più, è necessario il metabolismo dei consumatori insieme a quello dei produttori per il mantenimento dell’omeostasi delle componenti gassose nell’atmosfera.

Decompositori

I decompositori sono principalmente batteri e funghi, ovvero organismi eterotrofi in grado di ricavare energia e nutrimenti dalla degradazione di materiali organici non viventi (come organismi morti). I loro rifiuti possono essere riutilizzati dai produttori come nutrimenti, completando così il ciclo.

Accenni di tassonomia

L’evoluzione è il processo attraverso il quale le popolazioni di organismi cambiano nel tempo al seguito di una modifica a livello genico e/o culturale.

Tassonomia

La tassonomia studia la nomenclatura e la classificazione degli organismi.

Specie

La specie è data da un insieme di popolazioni che vivono in uno stesso ambiente e sono in grado di accoppiarsi solo tra loro, generando prole fertile. I membri di una popolazione contribuiscono al pool genico, ovvero l’insieme di tutti i geni presenti in una popolazione, e derivano tutti da un antenato comune.

Dalla specie si passa al genere: un livello di classificazione superiore che viene usato nella nomenclatura binomiale degli organismi.

La prima parte del nome indica il genere, mentre la seconda parte corrisponde all’epiteto specifico che indica una particolare specie appartenente a quel determinato genere, mettendo in evidenza una particolare caratteristica dell’organismo.

Specie → Genere → Famiglia → Ordine → Classe → Phyla (Phylum) → Regno

Taxon (taxa) → Clade (antenato comune) → Dominio

I 3 domini

In particolare distinguiamo:

• Dominio Bacteria
• Dominio Archea
• Dominio Eukarya

A partire dai 3 domini, vengono riconosciuti 5 regni: il dominio degli eucarioti si suddivide in 4 regni:

• Regno Protisti: batteri e protozoi unicellulari o pluricellulari;
• Regno Animale: eucarioti pluricellulari eterotrofi;
• Regno Piante: eucarioti pluricellulari autotrofi fotosintetici;
• Regno Funghi: eucarioti pluricellulari decompositori.

Al dominio dei procarioti corrisponde 1 regno:

• Regno Monere: cianobatteri semplici.

Adattamento ed evoluzione

Ciascun organismo è il prodotto di complesse interazioni tra i geni ereditati dagli antenati e le condizioni ambientali: gli adattamenti alle variazioni ambientali sono il risultato di processi evolutivi che avvengono in lunghi periodi e coinvolgono cambiamenti a livello di intere popolazioni, non di singoli individui. L'evoluzione è un meccanismo intelligente di tipo adattativo dove chi è più adatto a gestire le modificazioni dell'ambiente circostante riesce ad evolversi e a procedere nella sua vita, essendo anche influenzato dallo sviluppo del sistema nervoso.

Evoluzione

I primi a parlare di evoluzione furono:

• Hutton → Teoria del gradualismo: tale teoria afferma che la Terra subisce delle variazioni anche se essa è inanimata;
• Lamarck → Legge dell’uso e del disuso, l’ereditarietà dei caratteri acquisiti: secondo queste due teorie, la variazione di una condizione ambientale influenzava il cambiamento nel comportamento di un organismo, permettendo lo sviluppo e il potenziamento di alcuni organi a discapito di altri (che sarebbero sparite nel tempo); quei caratteri maggiormente sviluppati, potranno, poi, essere trasmessi alla progenie e perfezionarsi lungo le generazioni successive; quanto studiato da Lamarck non era del tutto errato, ma erano errate le conclusioni da lui dedotte;
• Charles Darwin → Legge della selezione naturale e adattamento evolutivo. La selezione naturale è il successo riproduttivo dei diversi fenotipi derivante dalle differenti modalità di interazione degli organismi con l’ambiente. Fenotipo = aspetti esteriori di un individuo, ciò che è tangibile e verificabile immediatamente. Darwin porta molte prove a sostegno della sua ipotesi in cui afferma che molte forme di vita presenti sulla Terra discendono da forme di vita preesistenti, esponendo il tutto in 4 punti:
  • Variabilità: ogni membro appartenente ad una specie è diverso da un altro poiché possiede geni differenti e questi possono essere trasmessi alla prole;
  • Sovrapproduzione: nascono molti più organismi di quelli in grado di sopravvivere;
  • Lotta per l’esistenza: a causa della limitata disponibilità di risorse i vari individui devono competere tra loro, vale la legge del ‘più forte’;
  • Successo riproduttivo differenziale: gli individui in grado di sopravvivere a diverse condizioni sono quelli che, evolutivamente parlando, sono più adatti e avvantaggiati, e trasmetteranno i propri geni alle generazioni successive.

Tutti i geni presenti in una popolazione definiscono il pool genico: la selezione naturale agisce sugli individui facenti parte di una popolazione e favorisce quegli organismi in grado di resistere alle variazioni ambientali circostanti, di conseguenza, questi organismi avranno maggior successo riproduttivo e saranno in grado di trasmettere i loro caratteri vantaggiosi alle generazioni successive. Quando i membri di una popolazione si adattano, essi si distanziano sempre più dal genoma dell’antenato comune e permettono la nascita di nuove specie. (esempio uccelli Honeycreeper delle Hawaii).

Galton si occupa dell’eugenetica, diffondendo l’idea che vi fossero geni migliori di altri e quindi le specie diverse o ‘difettose’ dovevano essere eliminate [pensiero applicato nel filone nazista nel corso del Novecento]; Lorentz → imprinting e condizionamento: secondo questi studi ogni organismo è soggetto all’azione di impulsi particolari esterni che vengono ‘registrati’ e ‘impressi’ nell’inconscio per tutta la vita.

Il meccanismo dell’evoluzione

Il meccanismo dell’evoluzione dipende da diversi fattori:

• Ereditarietà dei caratteri: essi sono variabili nel tempo e nell’ambiente e si riferiscono sia alla variazione delle sequenze genomiche che ambientali;
• Mutazioni: spontanee o indotte, vantaggiose o svantaggiose;
• Migrazioni: l’interazione del genoma di una specie con un habitat diverso dal proprio accresce la differenza tra le specie o la nascita di nuove;
• Isolamento geografico: l’isolamento di specie in una determinata area geografica fa si che vengano sviluppate caratteristiche utili alla sopravvivenza su quel determinato habitat ambientale.

Ritornando al concetto di selezione trattato prima, esso si differenzia in:

• Selezione individuale: si differenzia in naturale e sessuale;
• Selezione collettiva: si ha la condivisione del proprio genoma con quegli individui che risultano essere molto simili a noi, con l’intento di trasmettere tali geni alle generazioni future;
• Altruismo reciproco: gli individui della stessa specie devono decidere se collaborare o ostacolare il successo riproduttivo.

Excursus sull’origine della vita

La vita sulla Terra si è originata circa 5 miliardi di anni fa al seguito dell’esplosione di una massa incandescente, fenomeno passato alla storia con il nome di Big Bang, che nel corso di miliardi di anni si è raffreddata dando origine alla crosta terrestre e ponendo così le condizioni ideali per la nascita e lo sviluppo dei primi sistemi viventi.

Originariamente si ipotizzava che la vita nascesse per generazione spontanea; successivamente, però, questa ipotesi venne smentita dagli esperimenti condotti da Pasteur nel 1862 giungendo alla conclusione che la vita nasce solo se vi è altra vita preesistente.

Esperimento di Pasteur: egli prese un pallone in vetro dotato di un lungo collo di cigno chiuso, contenente una soluzione portata ad ebollizione. L’aggiunta di calore non ha fatto che uccidere i microorganismi presenti nella soluzione, eliminando così ogni forma di vita; allo stesso tempo i ‘residui’ rimasti potevano essere il nutrimento per altri microrganismi, infatti nel momento in cui la soluzione venne in contatto con microrganismi provenienti dall’esterno, cominciò a crearsi della muffa nel palloncino, dimostrando così che la vita può essere generata solo da altre forme di vita preesistenti.

Ma la vera domanda da porsi è: se la Terra nacque dall’esplosione di una massa incandescente e Pasteur dimostrò che vi può essere vita solo se esiste già una forma di vita primordiale, com’è possibile che si sono generate le cellule? La risposta è molto semplice. Se da un lato questa massa incandescente, nel corso dei miliardi di anni, ha cominciato a raffreddarsi, dall’altro cominciava a crearsi di pari passo una sorta di atmosfera terrestre primordiale composta da:

• Metano
• Anidride Carbonica
• Ammoniaca
• Idrogeno
• Zolfo
• Vapore acqueo

Essendovi scarsa quantità di ossigeno, le prime cellule a originare la vita furono cellule procariotiche in condizioni anaerobiche.

Nel 1953 Urey e Miller, scienziati, condussero altri esperimenti a riguardo: ricrearono quest’atmosfera primordiale sottoponendola a scariche elettriche, per poter così simulare gli effetti dei fulmini, e il composto veniva fatto poi condensare in una sorta di serpentina ottenendo così una sorta di brodo primordiale. Dall’analisi di quest’ultimo si scoprì che a partire da molecole inorganiche si sono generate molecole organiche, le quali fungono da base per l’assemblaggio delle biomolecole attraverso reazioni di condensazione dei monomeri. (Sintesi abiotic).

Le prime cellule a comparire prendono il nome di protobionti e non sono altro che microsfere lipidiche con un rivestimento esterno in grado di inglobare amminoacidi al proprio interno; brevi peptidi cominciavano a divenire complessi composti proteici con attività enzimatica, e si distinguono anche i ribozimi, ovvero acidi ribonucleici con attività enzimatica catalitica, oltre che contenere materiale genetico. (Un mix tra acido nucleico e proteine).

Metabolismo iniziale di Shapiro

A partire dall’ipotesi dei protobionti, segue l’ipotesi di Shapiro: un metabolismo molto semplice dove gocce oleose contengono biomolecole ad attività enzimatica in grado di svolgere un metabolismo primordiale abbastanza semplice. Gli acidi nucleici contenuti nei protobionti pian piano, attraverso mutazioni (da cui proviene il DNA e proteine) e perfezionamenti, raggiunsero complessi livelli di organizzazione dando così origine alle prime cellule procariotiche circa 4 miliardi di anni fa, ovvero piccole cellule dotate di un rivestimento lipidico contenente materiale genetico e proteine al proprio interno, dai ribozimi si originarono i ribosomi, erano viventi in condizioni anaerobiche eterotrofi (assenza di O₂) ed erano organismi [batteri].

Pian piano queste cellule hanno imparato a produrre autonomamente la loro sostanza organica grazie al processo di fotosintesi, e grazie a queste reazioni l’atmosfera ha cominciato ad arricchirsi di ossigeno, passando così da condizioni anaerobiche a condizioni aerobiche.

Il cambiamento da anaerobiosi a aerobiosi e quella percentuale di ossigeno nell’atmosfera ha permesso il passaggio da cellula procariotica a cellula eucariotica.

Teorie della formazione della cellula eucariotica e componenti

• Modello autogeno: a partire da introflessioni della membrana plasmatica si è originato un sistema di endomembrane, di cui la più importante è la membrana nucleare contenente il materiale genetico, andando così a formare il NUCLEO; nel citoplasma un’altra serie di membrane va a costituire i futuri ORGANULI o organelli cellulari;
• Modello endosimbiontico: secondo questa teoria, una cellula procariotica di grandi dimensioni ha inglobato al suo interno (tramite fagocitosi) una cellula procariotica di dimensioni inferiori senza ucciderla, sfruttandola così per produrre energia, stabilendo delle condizioni di simbiosi, ovvero condizioni in cui entrambe le cellule ricevevano reciprocamente un vantaggio dall’altra. Così si sarebbero originati mitocondri e cloroplasti nelle cellule animali e vegetali, arrivandoli a considerare al giorno d’oggi quasi veri e propri batteri, poiché contengono al loro interno del materiale genetico (DNA mitocondriale, trasmesso unicamente dalla madre [trasmissione uniparentale]) e ribosomi con lo stesso coefficiente di sedimentazione dei batteri [70s-80s].

Nasce così intorno a 2,7 miliardi di anni fa la cellula eucariotica (cellula dotata di nucleo). I primi organismi eucariotici furono i protozoi [appartenenti al regno dei protisti, possono essere monocellulari o pluricellulari] contenendo al loro interno gli sterani, ovvero cellule molto simili agli attuali steroidi, cellule che erano assenti nei procarioti e che garantivano una comunicazione tra le cellule, divenendo così dei veri e propri biomarcatori di eucarioti.