Biologia

Biologia

Di testo: libri, ogni modulo sufficiente, media ponderata, esame scritto con domande aperte 11.

Esame: cosa è?

È una scienza che studia gli organismi viventi (ci focalizziamo sulla cellula, alla base dell’organismo) e il loro rapporto con l’ambiente.

Relativamente giovane rispetto alle altre discipline sperimentali, i motivi che hanno rallentato lo sviluppo della biologia sono:

• La complessità di questa scienza sia dal punto di vista dei fenomeni biologici sia nell’avere una grande varietà di fenomeni biologici. Gli scienziati hanno avuto difficoltà nel trovare approcci sperimentali per poter comprendere e spiegare il funzionamento dei fenomeni biologici. Questo, all’inizio, è dovuto soprattutto alla mancanza di strutture adeguate, di apparecchi adeguati (come i microscopi). La mancanza di strumenti adeguati non permetteva di visualizzare e di comprendere più a fondo le strutture all’interno della cellula. → La biologia, quando è nata, è nata come scienza puramente descrittiva, cioè si descrivevano le cellule.
• La biologia è nata come scienza rivoluzionaria. Essa ha posto come base di fondo un postulato discutibile: secondo la biologia, non esiste una sostanziale differenza tra materia vivente e mondo inorganico; la biologia affermava anche che le leggi della fisica e della chimica che regolano il mondo inorganico, in ultima analisi, regolano anche lo svolgimento dei fenomeni biologici. Un’affermazione del genere portava allo scontro della biologia con religione e filosofia, le quali erano state per molti secoli depositarie dei principi vitali.

Storia

Metà ‘800: formulazione della prima teoria cellulare, con la quale si stabiliscono le regole della cellula come unità costitutiva.

Fine ‘800: formulazione delle teorie evoluzionistiche (perché ci sono queste varietà di organismi viventi? Perché ci sono delle specie antiche che ora non ci sono più?).

Inizio ‘900: formulazione delle leggi della genetica (genetica mendeliana).

Ci sono voluti secoli per far sì che la biologia si affermasse come scienza.

Sviluppo della biologia moderna come scienza autonoma che studia i fenomeni biologici.

La materia vivente

La biologia ha come scopo evidenziare le caratteristiche fondamentali della materia vivente (cellula).

La materia vivente ha delle caratteristiche sue e proprie che la contraddistinguono dagli organismi inanimati. Nonostante questo, non riusciamo a scrivere queste caratteristiche in quanto tutta la materia vivente è presente con una grande varietà di forme e, di conseguenza, risulta difficile fare delle generalizzazioni.

Ma è importante identificare queste caratteristiche perché ha permesso alla biologia di risolvere e di affrontare certi problemi. La biologia è una scienza in continua evoluzione.

Le caratteristiche presenti nella materia vivente

1. Complessità, qualsiasi organismo vivente è complesso e riflette in tutte le sue forme, ma anche le forme inorganiche.

Si vede in tutti i livelli: nella forma, a livello molecolare, a livello della conformazione fisica.

La complessità non è prerogativa esclusiva della materia vivente. (C’è una complessità anche nel mondo inorganico - esempio: diamanti, gioielli).

Differenze di complessità della materia vivente e inorganica:

• Specifica, tipica degli esseri viventi, cioè si ripete con le stesse caratteristiche in tutti gli organismi della stessa specie, in luoghi e tempi diversi, come si verifica in piante e animali. Tutti gli organismi della stessa specie hanno le stesse caratteristiche e la stessa complessità — La complessità di una pianta è diversa da quella di un animale ma è la stessa di tutte le piante della sua stessa specie, in luoghi e tempi diversi.
• Casuale, tipica della materia inorganica, cioè non si ripete mai con le stesse caratteristiche in tutti gli individui di una data specie come si verifica in pietre, diamanti. Tutti gli organismi inorganici non hanno mai tutte le stesse caratteristiche. Più sono complessi, meno probabilità/possibilità c’è di trovarne 2 uguali — La complessità è inversamente proporzionale alla possibilità. Più complesso è, meno possibilità c’è di trovarne un altro uguale.

La caratteristica principale della complessità è rappresentata dal fatto che essa è specificatamente determinata, costante nel tempo e nello spazio (→ caratteristica esclusiva della materia vivente, non c’è nel mondo inorganico.

Per avere la stessa complessità, gli organismi viventi hanno bisogno di avere al loro interno una grande mole di informazioni (quindi all’interno di ogni organismo deve essere descritta la sua complessità per essere sicuri di trasmetterla identica a tutti gli organismi della sua specie).

PROBLEMA: Trovare, all’interno degli organismi, dove è scritta la complessità, dove è depositata/scritta l’informazione genetica di ogni organismo.

Esistenza di molecole (macromolecole) informazionali, all’interno di tutte le cellule, capaci di contenere sia poche che tante quantità di informazione genetica. La molecola che contiene queste informazioni genetiche è la stessa per tutti gli organismi viventi ed è stato dimostrato in seguito che si tratta del DNA.

Il DNA deve avere la possibilità di contenere tanta informazione genetica; è il composto chimico in cui è depositata l’informazione genetica.

Genoma: è l’insieme delle molecole di DNA contenenti l’informazione genetica all’interno della cellula. [genoma = DNA = informazione genetica = complessità]

2. Capacità di accrescimento, cioè, aumento della propria massa = crescita e sviluppo.

È un aspetto importante per ogni individuo; è legato alla sopravvivenza del singolo.

PROBLEMA: come si possono trasformare i composti inorganici (presi dall’esterno) in composti organici tipici di ogni organismo?

Per rispondere a questa domanda si deve far riferimento alle reazioni chimiche nelle quali la cellula produce composti organici complessi ed energia a partire da composti inorganici (necessaria per le reazioni). La cellula deve, dalla materia inorganica prelevata dall’esterno, produrre composti organici e produrre energia per far avvenire le reazioni. Queste reazioni, che avvengono all’interno della cellula, avvengono in condizioni chimiche blande:

• Temperatura ambiente.
• Pressione costante.
• pH neutro.

In queste condizioni chimiche, le reazioni che avvengono sono poche e in tempi molto lunghi. Si è osservato che all’interno della cellula le reazioni con queste condizioni avvenivano velocemente. Da ciò si fa riferimento all’esistenza degli enzimi, cioè di catalizzatori specifici per ogni reazione; ogni reazione ha il suo enzima specifico. In ogni organismo avvengono solo reazioni per le quali l’organismo stesso è in grado di creare/possiede l’enzima specifico.

Esempio: La cellulosa è un disaccaride che viene scisso nei 2 zuccheri dall’enzima β-galattosidasi che hanno solo i mammiferi erbivori. L’uomo non presenta questo enzima, di conseguenza non digerisce la cellulosa e il disaccaride non viene quindi assimilato.

3. Capacità di riprodursi, cioè dare origine a organismi simili a se stessi, non identici.

La riproduzione non è fondamentale per la sopravvivenza dell’individuo ma per la sopravvivenza della specie. La riproduzione ha come fine ultimo la propagazione della specie.

La complessità, unita con la riproduzione, può estendersi e aumentare: la complessità, attraverso la riproduzione, può estendersi nello spazio, con un numero maggiore di individui e popolazione sempre più ampia, e nel tempo, con un numero sempre crescente di generazioni nelle varie ere. In questo modo ho propagazione della complessità nello spazio e nel tempo.

PROBLEMA: qual è la condizione necessaria per dare origine a individui simili a me?

Ogni individuo deve ricevere la stessa informazione genetica, la stessa complessità, posseduta dai genitori, dalla cellula progenitrice. Da ciò nasce la necessità di replicare/raddoppiare l’informazione genetica e di trasmettere questa informazione genetica alle generazioni successive, e nasce la necessità di far avvenire la divisione della cellula solo se tutta l’informazione genetica è stata duplicata.

Duplicazione → Divisione.

Per rispondere alla domanda si deve far riferimento quindi:

• Alla replicazione del DNA con conservazione dell’informazione genetica.
• Al meccanismo di divisione, ripartizione equa del materiale genetico tra le cellule figlie tramite mitosi o meiosi (meccanismi di ripartizione dell’informazione genetica presente nella cellula).
• Ai meccanismi di controllo della divisione cellulare sia dal punto di vista della crescita (si può dividere solo quando è al massimo del suo accrescimento) e sia dal punto di vista della replicazione (la cellula si può dividere solo in seguito alla completa replicazione/duplicazione dell’informazione genetica).

Le cellule si riproducono. Esistono 2 tipologie di riproduzione tra gli organismi viventi:

Riproduzione sessuata

• Avviene negli organismi pluricellulari.
• Spermatozoo + cellula uovo → zigote (deriva dalla fusione di 2 gameti: uno maschile, lo spermatozoo, e uno femminile, cellula uovo) → embrione.
• Favorisce la variabilità generica + sopravvivenza.
• Avviene per meiosi, tramite fecondazione: la prole si origina dall’unione di 2 gameti, lo spermatozoo (cellula maschile) e la cellula uovo (cellula femminile). Vengono prodotti i gameti.
• Introduce una grande variabilità genetica.
• Origina/genera organismi geneticamente diversi (segregazione indipendente e crossing-over).

Riproduzione asessuata

• Avviene negli organismi unicellulari come batteri e protozoi, sia animali che vegetali.
• Cellula madre → cellule figlie [necessito una sola cellula che dà origine a cellule figlie].
• È veloce e semplice.
• Non favorisce la variabilità genetica (esclude i casi di mutazione) favorendo quindi l’uniformità genetica, poca possibilità di sopravvivenza dato che c’è poca variabilità genetica (essa è data solo dalle mutazioni).
• Avviene per mitosi, senza fecondazione: la prole si origina da una sola cellula, la cellula madre.
• Non si verifica la produzione di gameti.
• Non introduce grande variabilità genetica; questa è data solo in caso di mutazioni.
• Dalla cellula madre si generano/originano cellule figlie geneticamente uguali.

4. Adattamento all’ambiente, cioè la capacità delle cellule di variare il proprio fenotipo in risposta alle variazioni ambientali. Questo implica la possibilità di variazione del materiale/informazione genetico.

È il risultato della selezione naturale.

PROBLEMA: qual è il meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell’informazione genetica?

Per rispondere si fa riferimento ai meccanismi/sistemi di evoluzione per selezione naturale (forza naturale) che agiscono su mutazioni casuali dell’informazione genetica; sulla complessità avvengono casualmente delle mutazioni che modificano l’informazione genetica.

• La selezione naturale agisce continuamente anche se i suoi effetti si vedono in tempi molto lunghi. I suoi effetti sono visibili su specie che danno origine a tante generazioni in breve tempo. Esempi:
• Biston Betularia; una farfalla con la quale si spiegò l’effetto dell’evoluzione. La BB, all’inizio, era una farfalla di colore chiaro, grigio chiaro, perché viveva nelle campagne inglesi e si depositava sui tronchi degli alberi di betulla (che è di colore grigiastro). Le farfalle si depositavano su questi tronchi per mimetizzarsi dato che erano del loro stesso colore e così non venivano viste dagli uccelli predatori potendo quindi riprodursi e allargare la specie. A un certo punto, si iniziarono a vedere nelle campagne inglesi delle farfalle nere, dovute alla mutazione del gene del colore in seguito allo sviluppo industriale, il quale portò inquinamento da carbone, il quale si posizionava sul tronco delle betulle cambiandogli così colore. La farfalla nera, appoggiandosi al “nuovo” tronco della betulla, non veniva più vista, era mimetizzata e garantiva il proseguimento della specie per mezzo della riproduzione, a differenza della farfalla chiara, la quale non era mimetizzata e veniva mangiata dai predatori. Successivamente, in seguito alla rivoluzione industriale, la quale eliminò l’uso del carbone, i tronchi di betulla tornarono del loro colore originale e, di conseguenza, le farfalle chiare si mimetizzavano ancora e potevano garantire un proseguimento della specie tramite riproduzione, mentre le farfalle nere non erano più mimetizzate e quindi venivano mangiate dai predatori. Selezione naturale della BB per mimetizzarsi, sopravvivere e far proseguire la specie.
• Mantide; un insetto che si mimetizza a seconda dell’ambiente circostante in cui si trova. Il suo scopo è quello della sopravvivenza per potersi riprodurre e mantenere la specie.

Modi diversi per sopravvivere, cioè per poter vivere e riprodursi, in modo tale da poter propagare la specie.

Varietà degli esseri viventi

La varietà dei viventi è sempre stata presente o si è generata nel tempo?

• Aristotele, filosofo, affermò che le specie sono immutabili e fisse nel tempo.
• Creazionismo: corrente (credenza) scientifica, governata, manipolata e diretta dalla religione, che sostiene che tutto è stato creato da 1 o più divinità. È una credenza universale usata da tutte le civiltà antiche per spiegare l’origine del mondo.
• Linneo: naturalista svedese (1707-1778) che introdusse la classificazione degli organismi viventi, usata oggi, basata sul concetto di specie (“Sistema Naturae”, 1725).

Sostenne anche il fissismo, una corrente di pensiero che sosteneva l’immutabilità delle specie nel tempo: sia le specie animali che vegetali non hanno subito e non subiranno modificazioni nel corso del tempo, sono fisse. Il metodo di classificazione che utilizzò si basava sulla nomenclatura binomiale (2 nomi latini):

• La prima parola indica il Genere, ed è scritto con la lettera maiuscola.
• La seconda parola indica la specie, ed è scritta con la lettera minuscola.

La corrente del creazionismo dominò la cultura occidentale per molti secoli. Il creazionismo andò in crisi con l’avvento delle grandi esplorazioni che portarono a specie nuove, le quali vennero spiegate dalla Bibbia, la quale è stata la spiegazione principale a questi cambiamenti. Nella seconda metà del ‘700 furono date le prime spiegazioni scientifiche tramite la scoperta e lo studio dei fossili, i quali sono specie che si trasformano. Si scoprì che molti organismi erano molto diversi da come li vedevano loro e alcuni di questi organismi non esistevano più. Con questo si arrivò a far crollare il fissismo.

Le specie vanno incontro a mutazioni nel tempo. Lez 2 24/10/2024.

Buffon, naturalista e scienziato francese (dell’Illuminismo francese) del ‘700, il quale avanzò l’ipotesi che “gli esseri viventi sono stati originati in un numero limitato. Essi non erano fissi ma potevano mutare sia per forma che per funzione”. Con questo spiegò la presenza di fossili con forme diverse, specie diverse. In altre parole, la specie muta, migliora e prende il posto della vecchia specie. Lui affermò quindi che nel momento in cui una specie ha dato nascita a una migliore, questa prende il sopravvento e l’altra sparisce.

Questa nuova concezione mandò in crisi il sistema fissista e portò alla necessaria reinterpretazione della Bibbia.

Oltre a ciò, Buffon intuì l’età della terra: 100mila anni [in realtà ha 5miliardi di anni]. Stabili anche una scala di tempi geologici e sviluppò l’idea di una trasformazione progressiva degli esseri viventi: le specie si modificano. Buffon è stato il primo a stabilire una scala di tempi geologici. Lui sviluppò anche un’idea importante circa la trasformazione progressiva nel tempo degli esseri viventi. Ipotizzò anche che tutte le specie sono immodificabili, quindi si potevano modificare. Oltre a questo, le specie potevano aver avuto origine contemporaneamente in più luoghi: quindi luoghi diversi, clima diverso, popolazione diversa, vegetazione diversa e animali diversi. Buffon è stato il primo, insieme a Lamarck, 100 anni prima di Darwin a dare un’impronta dinamica agli organismi viventi. (solo osservando)

Lamarck (naturalista francese della prima metà del ‘800) cercò di spiegare le varietà degli esseri viventi.

“Filosofia e zoologia”, libro 1809, cerca di dimostrare le modificazioni degli organismi viventi dal punto di vista dell’evoluzione che sono dovute all’interazione tra organismo e ambiente, con i cambiamenti che si susseguono nell’ambiente si creano bisogni diversi, di conseguenza, gli organismi si modificano sviluppando alcune parti del loro corpo o atrofizzando altre che non servono per sopravvivere andando a creare specie diverse.

Lamarck dà importanza principale all’ambiente, in qualche modo modifica i vari organismi che appartengono alla stessa specie, ha un ruolo molto importante anche se non è la causa fondamentale.

1. Legge dell’uno e del non uso crea nuovi bisogni e necessità che determinano l’utilizzo di un organo o di un altro nell’organismo vivente quindi alcune strutture si svilupperanno.