Riassunto esame Anatomia umana con elementi di biologia animale, Prof. Tinti Fausto, libro consigliato Campbell, Biologia e genetica, dodicesima edizione, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Rebecca B. Orr

Lo studio della vita (capitolo 1)

Si tende a riconoscere la vita sulla base di quello che le creature viventi fanno. La vita (forma e funzione degli esseri viventi) cambia continuamente, evolve mantenendo caratteristiche e proprietà comuni. L'evoluzione è la sintesi della diversità e unicità degli esseri viventi. L'evoluzione della vita (dell'ambiente e degli esseri viventi, con cellule, DNA e altre macromolecole biologiche) è il principio organizzativo fondamentale su cui raccontare scientificamente la vita cioè la biologia.

Sette caratteristiche della vita

• Cellule ed organizzazione → gli organismi mantengono un ordine interno. La più semplice unità dell'organizzazione è la cellula
• Uso dell'energia e metabolismo → per mantenere il loro ordine interno, gli organismi necessitano dell'energia. Questa è utilizzata nelle reazioni chimiche conosciute con il nome di metabolismo
• Risposta ai mutamenti ambientali → gli organismi rispondono ai mutamenti ambientali per promuovere la loro sopravvivenza
• Regolazione ed omeostasi → gli organismi regolano le loro cellule ed i loro corpi per mantenere relativamente stabili le condizioni interne, questo processo è chiamato omeostasi, es. regolazione temperatura corporea
• Crescita e sviluppo → la crescita produce un maggior numero di cellule con dimensioni maggiori, mentre lo sviluppo produce organismi con un insieme definito di caratteristiche. L'informazione ereditaria portata dai geni controlla gli schemi di crescita e di sviluppo degli organismi.
• Riproduzione → per mantenere la vita per molte generazioni gli organismi si devono riprodurre. Per via del materiale genetico la progenie tende ad avere tratti simili ai genitori
• Evoluzione biologica → popolazioni di organismi cambiano durante il corso di molte generazioni. L'evoluzione induce tratti che promuovono la sopravvivenza ed il successo riproduttivo.

Cinque temi unificanti nello studio della vita

• Organizzazione
• Informazione
• Energia e materia
• Interazioni
• Evoluzione

Organizzazione

Il riduzionismo consiste nel ridurre sistemi complessi a componenti più semplici, per facilitare lo studio dei sistemi viventi. Il riduzionismo è una strategia efficace in ambito biologico, tuttavia offre una visione incompleta. Guardando i livelli di organizzazione biologica si notano nuove proprietà emergenti ad ogni livello e dipendono dalla disposizione e dalle interazioni fra le parti del sistema che aumentano con l'aumentare della complessità del sistema. Le proprietà emergenti non si riscontrano solo nella vita. Al riduzionismo viene affiancata la biologia dei sistemi, che consiste nello studio di un sistema biologico a partire dall'analisi delle interazioni tra le sue parti.

L'analisi di una struttura biologica ci fornisce indicazioni sul suo ruolo e funzionamento. Per esempio il colibrì è in grado di ruotare le ali all'altezza della spalla, e questo gli conferisce la capacità di volare all'indietro o fermo in un punto. L'abbinamento tra struttura e funzione va ricondotto alla selezione naturale. Si possono distinguere due forme cellulari ben distinte: quella procariotica (cellule di due gruppi di microrganismi cellulari) e quella eucariotica.

Una cellula eucariotica contiene organuli avvolti da una membrana, come il nucleo che contiene il DNA (è presente in tutte le cellule eucariotiche), come il cloroplasto (si trova solo nelle cellule deputate alla fotosintesi). La cellula procariotica è priva di nucleo e di organuli avvolti da membrana, generalmente è più piccola di quella eucariotica.

Informazione

All'interno delle cellule particolari strutture chiamate cromosomi contengono materiale genetico sotto forma di DNA. Ciascun cromosoma contiene una lunghissima molecola di DNA con centinaia di migliaia di geni, ciascuno dei quali è una sezione del DNA del cromosoma. I geni sono le unità dell'ereditarietà. Codificano le informazioni necessarie a costruire tutte le molecole che devono essere sintetizzate in una cellula, e che a loro volta stabiliscono l'identità e la funzione della cellula stessa. Mentre le cellule crescevano e si dividevano, l'informazione genetica codificata dal DNA ha diretto il nostro sviluppo.

Una molecola di DNA è composta da due lunghe catene, chiamate filamenti, disposte in una doppia elica. Ciascuna è formata da quattro tipi di componenti chimici, chiamati nucleotidi, indicati come A, T, G e C. Per molti geni, la sequenza fornisce le istruzioni per la produzione delle proteine, che sono i principali artefici della costruzione e del mantenimento della cellula e dello svolgimento delle attività al suo interno. I geni controllano la produzione delle proteine ricorrendo all'RNA. La sequenza di nucleotidi in un gene viene trascritta in mRNA che viene poi tradotto nella serie di aminoacidi. Da queste due fasi deriva una proteina specifica, con forma e funzione caratteristiche. L'intero processo è chiamato espressione genica, viene impiegata una particolare sequenza di nucleotidi che ha lo stesso significato in qualunque organismo.

L'universalità del codice genetico è una forte evidenza a sostegno del fatto che tutta la vita è correlata. Le molecole di mRNA sono tradotte in proteine, ma altri RNA cellulari funzionano in modo diverso. Il DNA garantisce la trasmissione corretta dell'informazione genetica di generazione in generazione. L'intera libreria di istruzioni genetiche ereditate da un organismo è detta genoma. Il 60-75% dei geni umani vanno incontro ad eventi di splicing alternativo. L'informazione deve essere diffusa spazialmente ma anche trasmessa temporalmente. Nei viventi esiste molta più informazione di quella che viene utilizzata in un determinato spazio dal vivente e in un determinato momento della sua vita.

Energia e materia

Il movimento, la crescita, la riproduzione e tutte le diverse attività cellulari correlate alla vita sono forme di lavoro, e il lavoro richiede energia. Un consumatore è un organismo che si nutre di altri organismi o dei loro resti. Quando un organismo sfrutta l'energia chimica per eseguire un lavoro, parte di quell'energia si disperde nell'ambiente circostante sotto forma di calore. L'energia fluisce attraverso un ecosistema in modo unidirezionale, entrando sotto forma di luce e uscendo sotto forma di calore. Le sostanze chimiche compiono un ciclo all'interno di un ecosistema, dove sono usate e poi riciclate.

Le sostanze che una pianta assorbe possono essere immagazzinate, vengono poi restituite all'ambiente con il contributo di decompositori, come batteri e funghi, che scompongono i rifiuti organici. Le sostanze chimiche sono nuovamente disponibili e possono essere riassorbite dalle piante, completando così il ciclo. All'interno di un ecosistema, l'energia scorre in una direzione: durante la fotosintesi, le piante convertono l'energia dei raggi solari in energia chimica (immagazzinata nelle molecole di sostanze nutritive, come gli zuccheri), che viene usata dai vegetali e da altri organismi per eseguire il lavoro, è in parte dispersa dall'ecosistema sotto forma di calore. Di contro, le sostanze chimiche compiono un ciclo passando dagli organismi all'ambiente fisico e viceversa.

Interazioni

Le interazioni tra i componenti del sistema assicurano l'integrazione armonica di tutte le parti, che così funzionano come un'unica entità. Le interazioni tra i componenti degli organismi sono fondamentali per il loro corretto funzionamento. Nella regolazione per retroazione, la risposta di un processo serve a regolare il processo stesso. La forma più comune di regolazione nei sistemi viventi è la retroazione negativa, un ciclo in cui la risposta riduce lo stimolo iniziale. Esistono anche molti processi regolati per retroazione positiva, il prodotto finale accelera la propria produzione.

Al livello degli ecosistemi, ciascun organismo interagisce con altri. In alcuni casi, le interazioni tra organismi comportano un beneficio reciproco, in altri una specie trae beneficio a discapito di un'altra. In alcune interazioni tra specie, entrambe le specie risultano danneggiate. Le interazioni tra gli organismi contribuiscono a regolare il funzionamento dell'ecosistema come un'unica entità. Nel loro ambiente gli organismi interagiscono anche con fattori fisici. Le foglie degli alberi, per esempio, filtrano la luce del sole, assorbono l'anidride carbonica dell'aria e rilasciano ossigeno. L'ambiente a sua volta è influenzato dagli organismi che lo popolano. Come gli altri organismi, anche gli esseri umani interagiscono con il loro ambiente. Le interazioni dell'uomo a volte hanno conseguenze disastrose. Il riscaldamento globale del pianeta oggi in atto è un aspetto importante del cambiamento climatico, un cambiamento direzionale dal clima globale che dura da 3 o più decenni. Le popolazioni di molte specie stanno riducendo la loro dimensione o addirittura scomparendo.

Evoluzione

Comprendere l'evoluzione ci aiuta a dare un senso a tutto quello che sappiamo della vita sulla Terra. L'evoluzione è un processo di cambiamento biologico secondo cui gli organismi che oggi popolano la terra hanno accumulato differenze rispetto da antenati comuni mentre si adattavano ai diversi ambienti nel tempo. La diversità è un-distintivo del fenomeno vita. A ciascuna specie viene assegnato un nome composto da due parti: la prima parte è il nome del genere a cui appartiene una specie e la seconda parte è unica per la specie all'interno del genere.

L'enorme varietà mostrata dalla vita impone alla biologia una prospettiva piuttosto ampia. Gli organismi che compongono due dei tre domini, Bacteria e Archaea, sono procarioti unicellulari. Tutti gli eucarioti vengono oggi raggruppati nel dominio Eukarya, che comprende 4 sottogruppi: i regni Plantae, Fungi e Animalia, e i protisti. Dominio Bacteria: i batteri sono i procarioti maggiormente diversificati di fusio sono attualmente divisi in diversi regni. Dominio Archaea: il dominio archaea comprende molti regni, molti dei procarioti conosciuti come archea vivono in ambienti con le condizioni più estreme rinvenibili sulla Terra, come i laghi salati e le sorgenti termali calde. Dominio Eukarya: il regno Plantae comprende degli organismi eucarioti pluricellulari che effettuano la fotosintesi, la conversione dell'energia solare in energia chimica del cibo. La maggior parte vive sulla terraferma. Il regno Fungi è caratterizzato in parte dalle modalità con cui i suoi membri si nutrono che consiste nell'assorbimento di sostanze nutritive dall'esterno del corpo. Il Regno Animalia comprende gli organismi pluricellulari che si nutrono di altri organismi. I protisti sono per la maggior parte eucarioti unicellulari più alcuni organismi pluricellulari relativamente semplici a essi imparentati.

Attualmente gli scienziati stanno dibattendo sul modo di classificare i protisti perché rifletta adeguatamente le loro relazioni evolutive. Le piante producono da sé gli zuccheri e le altre molecole di nutrimento per fotosintesi, i funghi assorbono le sostanze nutritive in forma disciolta dall'ambiente circostante e gli animali si nutrono mangiando e digerendo altri organismi. Gli eucarioti più numerosi e variegati sono i protisti, per la maggior parte organismi unicellulari. Una prova del DNA mostra come alcuni protisti sono più strettamente imparentati con piante, animali o funghi che con altri protisti. La vita mostra anche una notevole unità di fondo, le somiglianze tra organismi sono riscontrabili a tutti i livelli della gerarchia biologica.

Darwin pubblicò uno dei più importanti e influenti libri della storia. Intitolato Sull'origine delle specie per mezzo della selezione naturale. Sull'origine delle specie si articolava in due punti principali. Il primo punto era che man mano che le specie si adattano a diversi ambienti nel tempo, accumulano differenze rispetto ai loro antenati. Darwin definì questo processo discendenza con modificazioni. Dualismo tra unità e varietà della vita: l'unità intesa come affinità tra le specie discendenti da antenati comuni, e la varietà dovuta alle modificazioni intervenute nel corso dell'evoluzione, man mano che le specie si differenziavano dagli antenati comuni. Il secondo punto affermava che la selezione naturale è la causa principale della discendenza con modificazioni.

Gli individui in una popolazione variano nei loro tratti, molti dei quali sembrano ereditabili. In secondo luogo, una popolazione può produrre molti più individui in grado di sopravvivere rispetto a quelli che originariamente la compongono e questo condurrà a un numero di individui superiore a quello che l'ambiente è in grado di sostenere, la competizione sarà inevitabile. Le specie in genere sono strutturalmente adatte agli ambienti in cui vivono, si sono adattate al loro ambiente. Gli individui che ereditano tratti più adatti al loro ambiente hanno maggiori probabilità di sopravvivere e di riprodursi rispetto agli altri. L'evoluzione si verifica quando un ineguale successo riproduttivo degli individui alla fine li porta ad adattarsi al loro ambiente, fintanto che l'ambiente non subisce cambiamenti. Darwin chiamò questo meccanismo selezione naturale, perché l'ambiente naturale seleziona in modo consistente la propagazione di alcuni tratti fra tutti quelli che subiscono mutazioni naturali nella popolazione.

Le ali del pipistrello non sono come quelle degli uccelli piumati; il pipistrello è un mammifero. Gli arti anteriori, benché adatti al volo, sono costituiti in realtà da ossa, articolazioni, nervi e vasi sanguigni analoghi a quelli presenti in arti completamente diversi. Gli arti anteriori di tutti i mammiferi sono variazioni anatomiche di un'architettura comune. Le diversità degli arti anteriori dei mammiferi sono il risultato di una selezione naturale che ha operato nel corso di milioni di anni in contesti ambientali molto diversi. I fringuelli delle Galapagos sono un famoso esempio di irradiamento ad attivo di nuove specie a partire da un antenato comune. Le isole galapagos, isole vulcaniche, ospitano molte specie di piante di animali non reperibili in nessun'altra parte del mondo, sei bene molti di questi organismi siano chiaramente imparentati con specie presenti nel continente sudamericano. Tutta la vita è connessa attraverso la sua lunga storia evolutiva.

Metodo scientifico

La scienza è un mezzo per acquisire conoscenze: un metodo per comprendere il mondo naturale. Il nucleo centrale della scienza è rappresentato dal concetto di indagine scientifica, una ricerca di informazioni spiegazioni sui fenomeni naturali. Gli scienziati adottano un metodo di indagine che prevede 5 step:

• Le osservazioni vengono effettuate in funzione del fenomeno naturale.
• Queste osservazioni portano alla formulazione della ipotesi che cerca di spiegare il fenomeno. L'ipotesi utile risulta quella che è analizzabile perché fornisce previsioni utili.
• Vengono quindi condotti esperimenti per determinare se tali previsioni sono valide.
• Vengono quindi analizzati i dati ottenuti dagli esperimenti.
• L'ipotesi iniziale viene accettata o rifiutata.

La biologia inizia con l'attenta osservazione, le osservazioni possono fornire informazioni preziose sul mondo naturale. Le osservazioni registrate sono chiamate dati, i dati sono le informazioni sulle quali si basa l'indagine scientifica. Certi tipi di dati sono qualitativi, spesso sotto forma di descrizioni piuttosto che di misurazioni numerica. I dati quantitativi vengono generalmente espressi sotto forma di misurazioni numeriche e spesso vengono organizzati in tabelle o grafici. Gli scienziati analizzano i dati ricorrendo a una particolare branca della matematica, la statistica, per controllare se i loro risultati sono significativi oppure riconducibili a fluttuazioni casuali. La raccolta e l'analisi delle osservazioni può portare importanti conclusioni basate su un particolare tipo di logica chiamata ragionamento induttivo. Attraverso l'induzione è possibile ricavare delle generalizzazioni a partire da un grande numero di osservazioni specifiche. Le osservazioni e analisi di dati della scienza investigativa, insieme alle generalizzazioni raggiungibili attraverso l'induzione, sono fondamentali per la comprensione della natura.

In campo scientifico un'ipotesi è una spiegazione, basata su osservazioni e assunzioni, che porta a una previsione verificabile. In altre parole, un'ipotesi è la spiegazione di un processo. Un'ipotesi scientifica porta predizioni che possono essere verificate tramite ulteriori osservazioni o con l'esecuzione di esperimenti. Un esperimento è un testo scientifico eseguito in condizioni controllate. Tutti usiamo l'osservazione per formulare domande e sviluppare ipotesi nella risoluzione di problemi quotidiani. Il procedimento scientifico per ipotesi si serve anche di un altro tipo di logica, la deduzione. Mentre l'induzione prevede un ragionamento a partire da una serie di osservazioni specifiche, il ragionamento deduttivo adotta un approccio logico che procede nella direzione inversa, dal generale allo specifico. Partendo da premesse generali, si prevedono i risultati che si dovrebbero ottenere qualora le premesse fossero vere. Nel procedimento scientifico, le deduzioni in genere assumono la forma di una previsione di risultati che si otterranno se una particolare ipotesi è corretta. Successivamente si verifica l'ipotesi per mezzo di esperimenti o osservazioni, per controllare se i risultati corrispondono a quelli previsti. Controllare un'ipotesi in diversi modi, producendo dati di diversa natura, può mentare il grado di sicurezza.