Biologia

Biologia applicata

Docente: Cristina Bombiari 0342/8027284

La biologia applicata studia gli esseri viventi.

Caratteristiche proprie degli esseri viventi

• Riproduzione: formare altri individui, trasmettendo l’informazione genetica attraverso il DNA.
• Crescita e sviluppo: c’è una leggera differenza tra crescita e sviluppo. Con il termine crescita intendiamo il diventare grandi crescere di statura per esempio, invece con il termine sviluppo intesa l’acquisizione di nuove caratteristiche.
• Ordine
• Utilizzo energia: ogni organismo ha bisogno di energia per poter sopravvivere anche per mantenere il proprio ordine.
• Interazione con l’ambiente: risposta agli stimoli (permette agli organismi di migliorare la loro sopravvivenza).
• Regolazione: omeostasi è l’attitudine degli esseri viventi a conservare le proprie caratteristiche al variare delle condizioni esterne dell’ambiente tramite meccanismi di autoregolazione. (dispositivi omeostatici).
• Adattamenti evolutivi: tutti gli organismi si sanno e si devono adattare per sopravvivere.

Livelli di organizzazione della sostanza vivente

• Acqua
• Molecole
• Macromolecole
• Organello
• Cellula
• Tessuto
• Organi
• Apparati/sistemi
• Organismo
• Popolazione
• Comunità
• Ecosistema
• Biosfera

Proprietà emergente

Supponiamo di mettere insieme dei blocchi di ferro, di legno, chiodi e bulloni: tutti insieme presi in blocco così andranno a fondo una volta messi in mare, se invece li componiamo in modo da creare una barca, gli stessi oggetti saranno in grado di galleggiare e di trasportare oggetti. Un altro esempio possiamo farlo con le ossa e i muscoli, se ognuno di questi svolge la loro funzione in sinergia avremmo la possibilità di vedere una persona che cammina grazie alla funzione di sostegno dell’osso e alla funzione contrattile e di rilascio del muscolo. Uniti si fa la forza. Quando le componenti interagiscono tra loro dando origine ad una proprietà che, guardando singolarmente le parti, risulta inaspettata e inspiegabile.

Proprietà dell'acqua

L’acqua:

• Molecola polare (la polarità è una proprietà delle molecole per cui una molecola detta polare presenta una carica parziale positiva su una parte della molecola e una carica parziale negativa sulla parte opposta di essa. Le molecole che non presentano il fenomeno della polarità vengono definite apolari.
• Formata da un atomo di idrogeno e 2 di ossigeno: H₂O
• Molecola più abbondante sulla Terra: senza acqua non ci può essere vita.

L’acqua presenta delle proprietà:

• Adesione e coesione: i legami ad idrogeno (che sono 2) tengono unite le molecole d’acqua tra di loro e alla parete delle cellule.
• Tensione superficiale: grazie ai legami ad idrogeno che mantengono saldamente unite le molecole d’acqua tra loro.
• Capacità termica: l’acqua tende a mantenere la temperatura. Infatti vicino ai corsi d’acqua c’è vita, i primi villaggi sono nati vicini ai corsi d’acqua anche per la temperatura favorevole. Tende a minimizzare le variazioni di temperatura.
• Bassa densità del ghiaccio: il ghiaccio è un cattivo conduttore di calore (lago ghiacciato solo sulla parte superficiale, ma al di sotto di quello strato troviamo l’acqua ancora allo stato liquido. Allo stato solido l’acqua ha una densità minore rispetto allo stato liquido che presenta una densità maggiore (molecole sono più vicine).
• Ottimo solvente: le molecole d’acqua sono polari quindi sono attratte da ioni e composti polari rendendo questi composti solubili.

Macromolecole biologiche

• Proteine
• Acidi nucleici (RNA e DNA)
• Carboidrati
• Lipidi (molecole non solubili in acqua esempio i trigliceridi- colesterolo).

Proteine, carboidrati e acidi nucleici sono polimeri formati da monomeri. I polimeri degli acidi nucleici sono chiamati nucleotidi. Le basi azotate sono infatti molecole con anelli aromatici. Le basi azotate possono essere purine (Adelina e guanina), piramidine (citosina- uracile -timida)

Differenze tra DNA e RNA

• Zucchero: ribosio: RNA - desossiribosio: DNA
• DNA: doppia catena - RNA: singola catena
• DNA: doppio anello aromatico - RNA: singolo anello aromatico.
• Basi azotate: DNA (Adenina citosina e timina) RNA (Adenina - guanina e uracile - citosina).

ATP: adenositrifosfato (molecole di riserva energetica)

AMP ciclico: deriva dall’ATP (2 MESSAGGERO).

Temi fondamentali della biologia

• Teoria cellulare (ogni organismo è fatto da almeno una cellula). La composizione chimica delle cellule è uguale per tutte le cellule, le cellule si formano solo per divisione di una cellula preesistente, maggior parte delle reazioni chimiche della vita sono endocellulari.
• Trasformazione dell’informazione genetica ereditaria contenuto del DNA.
• Evoluzione
• Energia di vita

Cellula eucariote e procariote

Cellula procariote (più vecchia) Cellula eucariote

• Solo unicellulare - Unicellulare e pluricellulare
• Nucleo delimitato da una membrana - Presenta organelli
• Non presenta organelli, solo i ribosomi (non sono organelli perché non sono delimitati da una membrana).

Limite dimensione cellula limitate da rapporto tra volume e superficie aumento di dimensione si un oggetto. V maggiore S.

Teoria endosimbiontica: le cellule eucariotiche potrebbero infatti essersi evolute quando più cellule si sono riunite all’interno di una sola. Queste hanno cominciato a vivere in quelle che chiamano relazioni simbiotiche.

Teoria endosimbiontica: spiega come si sono evolute le cellule eucariote dalle procariote. Alcune cellule “inghiottirono” altre cellule che perdendo poi la capacità di vivere autonomamente, divennero in seguito mitocondri e cloroplasti.

Darwin e l'evoluzione

Darwin (naturalista inglese) e l’evoluzione (1808 - 1882) Galapagos

Darwin ha cercato di osservare i fenomeni naturali cercando di spiegarli ed ha osservato ciò:

• Variabilità: all’interno di una specie troviamo caratteristiche diverse (occhi scuri o chiari, capelli scuri o chiari…)
• Sovrapproduzione
• Lotta per l’esistenza
• Successo riproduttivo differenziale

I 4 fattori per l'evoluzione

• Variabilità
• Adattamento
• Fitness (successo riproduttivo)
• Ereditarietà (caratteristiche)

Selezione naturale: selezione delle caratteristiche desiderate. Esempio fringuelli delle Galapagos e allungamento collo delle giraffe. Fringuelli delle Galapagos vivono in ambienti diversi (vicino al mare, all’interno del bosco, nate dalla stessa specie ma si sono adattate al sistema per la lotta per l’esistenza, lotta alla sopravvivenza, caratterizzando diversi aspetti del loro corpo. Così è nata una nuova specie.

Concetti da ricordare

• Caratteristiche esseri viventi
• Importanza evoluzione
• Teoria cellulare
• Proprietà dell’acqua

Limite dimensione cellula

Volume = determina entità delle attività della chimica / unità di tempo. Superficie = determina quantità di scambi di sostanze nutrienti e rifiuti tra ambiente interno e esterno. Dimensioni della cellula sono limitate da rapporto tra volume e superficie: quando un oggetto aumenta di dimensioni, l’aumento V è sempre > rispetto alla S disponibile per gli scambi. Distanze maggiori da percorrere per le molecole all’interno della cellula. Aumento dimensioni cell = > attività chimica, necessità di risorse, produzione di rifiuti, distanze interne. Tutto ciò aumenta + velocemente della superficie. Variazioni di forma: strategia per aumentare S/V (es. forme lunghe e sottili, estroversioni, microvilli) Dimensioni e forma cellule sono in relazione a funzione svolta. A parte rare eccezioni (uova uccelli, neuroni; la cui parte funzionale è cmq microscopica) sono microscopiche.

Lezione 2: Temi fondamentali della biologia

• Teoria cellulare: corollari… (Pasteur, Darwin, etc…). Le cellule si formano solo per divisione di una cellula preesistente (Virchow, 1855) e hanno tutte un antenato comune (Weismann, 1880). Tutte le cellule hanno composizione chimica simile: le reazioni chimiche sono sostanzialmente le stesse in tutti i tipi cellulari e organismi, dai più semplici ai più complessi. Maggior parte delle reazioni chimiche della vita sono endocellulari. Cellule scambiano materiale ed energia con l’ambiente. Tutte necessitano di una o più fonti energetiche. L’energia non è quasi mai direttamente disponibile, ma deve essere trasformata in una forma utilizzabile: energia chimica dell’ATP. Informazione genetica completa viene replicata e trasmessa durante la divisione cellulare.
• Trasmissione dell’informazione
• Evoluzione: informazione ereditaria variabilità: impatto positivo, impatto negativo in base all’ambiente in cui mi trovo.
• Energia della vita

Unità nella diversità

UNITÀ: Tutte le forme di vita attuali manifestano un insieme di caratteristiche comune, basate sulla evoluzione biologica. DIVERSITÀ: Molti organismi differenti adattati a vivere in diversi tipi di ambienti. Tutti i mammiferi condividono il medesimo piano strutturale degli arti (numero conformazione generale delle ossa sono molto simili), suggerendo che siano state ereditate da un antenato comune, modificandosi nel tempo per assumere funzioni diverse.

Omologia: Similarità strutturali in organi usati in modi diversi ma con origine comune. Stessa struttura di base del progenitore comune modificata in modi diversi per assolvere a differenti funzioni con l’evolversi dei discendenti.

Evoluzione convergente: Evoluzione di adattamenti simili in organismi filogeneticamente lontani, per rispondere a condizioni ambientali uguali o simili.

Analogia: Strutture simili evolutesi in modo indipendente, da progenitori diversi per svolgere la medesima funzione.

Life’s calendar

Le specie che si trovano oggi non sono quelle presenti sulla Terra 13,7 miliardi di anni fa, perché allora si strutturava l’universo ma non c’era ancora la Terra. Se andiamo a ricostruire il corso del tempo, partendo da quasi 4 miliardi milioni di anni fa via via arrivando ai giorni nostri, troviamo tracce di esseri viventi che ora non ci sono più: 4 miliardi di anni fa sono comparse le prime forme di vita, che si sono estinte, quelle rimaste sono il prodotto di adattamenti per mutazioni degli organismi originariamente adattati su condizioni atmosferiche e di temperatura, gas, elementi che erano presenti 4 miliardi di anni fa quando non c’era ancora l’ossigeno.

Circa 2,5 miliardi di anni fa l’ossigeno comincia ad accumularsi nell’atmosfera: inizia quindi il metabolismo aerobico. Nelle diverse ere ci sono state situazioni molto studiate dagli scienziati e studiosi, come la comparsa dei dinosauri e tutte le possibili cause della loro estinzione, per arrivare agli organismi che sono presenti attualmente sulla Terra. Questi non sono quelli sopravvissuti dall’origine, ma quelli sopravvissuti nell’adattamento che li ha portati a cambiare per adattarsi all’ambiente: c’è quindi una derivazione di specie animali e vegetali che ha portato ad una grande biodiversità nel corso del tempo.

Questa biodiversità delle specie che si sono nel tempo adattate sulla Terra è correlata alla loro scomparsa: c’è una relazione tra la quantità di specie che, da 600 milioni di anni fa, è aumentata e quindi è portato poi alla scomparsa di tantissime specie.

• Circa 200 milioni di anni fa
• Circa 160 milioni anni fa: quella conosciuta anche come l’estinzione dei dinosauri

Origine della Terra e della vita

• Origine Terra: 5 miliardi di anni fa
• Origine vita (prima cellula): 4 miliardi di anni fa
• Fotosintesi: 2.5 miliardi di anni fa
• Eucarioti: 1.5 miliardi di anni fa
• Pluricellulari: 1 miliardo
• Uomo: 150 milioni di anni fa

Evoluzione della specie umana

Alla fine siamo quindi rimasti in pochi, talmente pochi da aver potuto verificare che anche la specie umana nel corso del tempo (gli ominidi) si sono estinti, e alla fine siamo rimasti solo noi. A volte si pensa che la specie umana (Homo Sapiens) sia l’unica specie rappresentativa della realtà. Non è così. Noi siamo l’unica specie ominide sopravvissuta oggigiorno, ma in passato ce ne sono state delle altre. Ad esempio noi abbiamo vissuto in contemporanea (come Homo Sapiens) con l’uomo di Neanderthal. Fino a qualche tempo fa si leggeva sui libri che l’uomo di Neanderthal era il progenitore più evoluto dell’Homo Sapiens, ma in realtà sono due percorsi paralleli distinti, e i sopravvissuti siamo noi. Vivevamo negli stessi ambienti, ed è stato possibile rilevare tracce del genoma del Neanderthal nel nostro genoma, perché ci sono state delle condivisioni riproduttive tra l’Homo Sapiens e il Neanderthal. Dove sono finiti i Neanderthal ora? Si sono estinti, come altre specie di ominidi. La principale diversità tra le specie di ominidi la si evidenzia nella struttura cranica.

Lo sviluppo ormonale ricapitola lo sviluppo evolutivo

Gli stadi iniziali degli embrioni dei vertebrati presentano caratteristiche molto simili all’interno del subphylum. Con il progredire dello sviluppo le diverse caratteristiche delle specie diventano manifeste.

Regno e antenato comune di tutti gli organismi

Evoluzione: Cambiamento della popolazione nel tempo

La classificazione gerarchica

Degli esseri viventi sopravvissuti, si può fare una classificazione, ed è una classificazione semplificata e molto allargata, infatti si parla di regni e domini: animali, batteri, funghi, protisti, piante, (virus). I virus sono fra parentesi perché non sono dei veri e propri esseri viventi, mancano di una delle quattro proprietà fondamentali, ovvero il metabolismo: i virus si riproducono, ma con il metabolismo della cellula ospite, infatti non hanno un metabolismo proprio. Ogni specie viene collocata in gruppi progressivamente più piccoli, più vicinevolutivamente. Questo metodo sottolinea l’unità e la diversità di specie differenti.

Organismi modello

Sono organismi semplici studiati per comprendere i processi biologici che operano negli organismi viventi.

N.b: tutte le specie sono imparentate dal punto di vista evolutivo; condividono molecole, strutture e processi.

Caratteristiche della specie modello

• Facili da allevare in lab. e da studiare in condizioni controllate.
• Tempi di generazioni brevi, rapido sviluppo, dimensioni relativamente ridotte.
• Presentano caratteristiche che consentono una analisi efficace dei processi biologici.

Il pisello da orto è stato il primo organismo modello studiato.

Virus

I virus non sono esseri viventi perché per riprodursi hanno bisogno di una cellula ospite. I virus non vengono considerati nel microbiota.

Struttura:

• CORE: Ac. Nucleico (DNA o RNA)
• CASPIDE (involucro esterno) - proteine
• INVOLUCRO: (frammento di membrana plasmatica cellula ospite con proteine virali) esterno.

DIMENSIONI 30 nm (poliovirus) - 400 nm (mimivirus).

Classificazione generale degli organismi

Per rimanere nell'ambito delle caratteristiche generali degli esseri viventi è opportuno ricordare questa distinzione in base alla tipologia di metabolismo:

• Autotrofi: ricavano energia per mezzo dell’adenosina trifosfato (ATP) dal sole o da sostanze minerali es. le piante per mezzo della fotosintesi clorofilliana.
• Eterotrofi: ricavano energia da un insieme eterogeneo di sostanze ricavate dall’ambiente. Noi esseri umani ad esempio abbiamo la necessità di utilizzare come fonte primaria di energia composti organici provenienti da altri organismi che li metabolizzano per noi. Questo è il caso dei batteri che sono l'unico regno dei viventi in grado di metabolizzare l’azoto; esso viene introdotto alle piante che poi lo trasmettono a noi (l'azoto lo ritroviamo all’interno del nostro organismo soprattutto nelle molecole degli acidi nucleici). Nell’ambiente biologico gli eterotrofi traggono numerosi vantaggi nell’evoluzione biologica dagli autotrofi. Infatti se noi eliminassimo piante e batteri andremmo incontro necessariamente all’estinzione. Ogni organismo si trova in una sorta di catena di adattamento in cui ogni anello garantisce l'esistenza degli altri circostanti.

La cellula (unità operativa della vita)

Cellula eucariotica: eu-cariote: vero nucleo

• Altamente organizzata e complessa
• Membrana plasmatica.
• Nucleo: delicato da membrana + nucleoplasma.
• Citoplasma: Citosol + organelli+ ribosomi+ affrettati molecolari
• Presenza di sistema endomembrana + organelli specializzati permettono di raggiungere dimensioni maggiori della procariote.
• Citoscheletro: impalcatura di sostegno, per mantenimento forma cellula e trasporto interno di materiali.
• Vegetali e animali organuli diversi (cloroplasti, parete cellulare eterna, vacuolo

Sistema di endomembrane e flusso dell’informazione genetica

Membrana nucleare ————- Reticolo endoteliale (liscio e rugoso) ————- Apparato Golgi

Mitocondri

DNA mitocondriale: è importante ricordare che il DNA mitocondriale viene ereditato esclusivamente per via materna, quindi tutti i mitocondri presenti nelle nostre cellule contengono DNA mitocondriale materno; questo avviene perché i mitocondri dello spermatozoo non partecipano alla formazione dello zigote.