Zoologia generale

Zoologia generale

La zoologia è una branca della biologia che studia la vita animale. Dobbiamo infatti distinguere ciò che è vivente da ciò che non lo è e cosa rende quel vivente un animale. Un essere vivente è costituito da almeno una cellula che contiene all’interno materiale genetico, come DNA (i virus sono in una fase di mezzo tra viventi e non viventi perché non hanno una cellula e non hanno il DNA, solo l’RNA), risponde agli stimoli esterni che sono essenziali per definire un organismo come vivo, cresce aumentando di dimensioni, raggiungendo delle fasi di maturità e sviluppandosi, ha un metabolismo, quindi necessità di energia, per arrivare infine a riprodursi, obiettivo finale di ogni specie. Anche i cristalli crescono, raggiungono un equilibrio e possono persino muoversi in risposta a degli stimoli (del tutto non paragonabile al possedere un sistema nervoso), ma non sono soggetti a evoluzione. I viventi sono tutti soggetti a evoluzione perché cambiano in relazione ai cambiamenti dell’ambiente nel tempo. Precedentemente si pensava che fossero completamente immobili, stabili, con quella teoria che venne chiamata creazionismo, cioè i viventi non cambiavano nel corso degli anni. Il cristallo è sempre uguale a sé stesso e la sua “riproduzione” è simile a quella agamica (priva di gameti), mentre quella con i gameti, definita sessuale, porta al cambiamento costante nel tempo.

Virus

I virus sono delle particelle infettive di dimensioni submicroscopiche che parassitizzano cellule eucariotiche animali e vegetali. Sono costituiti essenzialmente da proteine e acidi nucleici (DNA e RNA) e il loro unico scopo è riprodursi colonizzando la cellula, provocandone la lisi e venendo rilasciati in gran numero all’interno dell’organismo. La NASA si occupa di cercare la vita su altri pianeti, in particolare si concentra sulla ricerca di acqua e su qualche collegamento con la vita stessa. La loro definizione di vita è un sistema in grado di autosostenersi capace di essere soggetto all’evoluzione Darwiniana (“A self-sustaining chemical system capable of Darwinian evolution”).

La cellula

È il mattone fondamentale della vita. Si pensava ci fosse un antenato unicellulare da cui tutti gli organismi discendono e da cui si sono evolute forme viventi sempre più complesse. I tre domini principali sono:

• Bacteria e Archaea, organismi procarioti, letteralmente unicellulari privi di nucleo (pro-carioti). Gli Archaea hanno delle caratteristiche simili sia ad eucarioti che a procarioti.
• Cellula eucariotica del dominio Eukarya, con un nucleo delimitato da membrana e organismi molto più complessi composti da vari organelli diversi e pluricellulari.

Oggi ci sono sette regni:

• Bacteria
• Archaea
• Protozoa/Chromista
• Plantae
• Fungi
• Animalia

Già Aristotele aveva cominciato a distinguere due regni ovvero quello di animali e piante, così come Linneo (1735) che inventa il binomio linneano per identificare con genere e specie un animale o una pianta. Haeckel studiò la diversità con i primi microscopi, fu un grande illustratore ed evidenziò la presenza dei protisti, quindi si ampliarono i regni che diventarono tre. Cratton chiama i due regni come due imperi e li divide in procarioti ed eucarioti. La massima diversità si ha nel 1993 con otto regni.

Archaea

Gli Archaea (“archei”) sono un gruppo autonomo di batteri con caratteri intermedi tra batteri ed eucarioti, generalmente privi di clorofilla ed eterotrofi. Gli animali sono definiti come eterotrofi, anche se ci sono delle eccezioni. Differiscono dai batteri per la parete (contenente proteine, polisaccaridi o molecole di pseudopeptidoglicano), per la membrana cellulare che contiene lipidi al posto dei fosfogliceridi di Bacteria ed Eucarioti e per i processi di trascrizione e traduzione, simili a quelli degli Eucarioti.

Bacteria

I Bacteria, invece, possiedono la clorofilla e perciò sono autotrofi, sono unicellulari privi di nucleo (procarioti), vivono in tutti gli ambienti, sono resistenti a condizioni ambientali estremamente avverse e possono essere agenti patogeni (tubercolosi, tetano, ...). Molte specie sono estremamente utili agli organismi superiori (metabolizzano l'azoto gassoso dell'atmosfera, lo zolfo vulcanico nelle profondità oceaniche, demoliscono sostanze organiche di rifiuto, metabolizzano la cellulosa), come i chemioautotrofi. I batteri nitrificanti (che ossidano l’ammoniaca a nitriti e i nitriti a nitrati), i solfobatteri (che ossidano i composti solforati) e gli archeobatteri metanogeni, sono i chemiolitotrofi più importanti della biosfera. Il loro metabolismo è indispensabile per il funzionamento continuo dei cicli biogeochimici del carbonio, dell’azoto e dello zolfo. I batteri chemioautotrofi, molti solo recentemente scoperti, che vivono in prossimità delle sorgenti idrotermali dei fondali oceanici danno origine ad interi ecosistemi pur vivendo senza ossigeno e luce e a temperature elevatissime.

Eukarya

Gli eucarioti hanno sempre un vero nucleo, possono essere unicellulari o pluricellulari. Gli animali sono tutti pluricellulari.

Protisti

Sono eucarioti, in prevalenza unicellulari (ecco perché i protozoi non vengono inclusi negli animali), con metabolismo diversificato e complessità strutturale. Di solito sono a riproduzione asessuata. Quando si vanno aggregando più organismi di questo tipo in gruppi, essi tendono ad essere gli elementi di passaggio per la formazione dei poriferi, cioè le classiche spugne, che sono gli “animali” (non hanno ancora tessuti, organizzazione cellulare e non tissutale) più primitivi, che riescono a riprodursi come colonia.

Ci sono tre categorie trofiche (cioè per alimentazione) principali:

• Per ingestione o parassiti, ovvero i protozoi e funghi mucillaginosi.
• Eterotrofi per assorbimento (saprotrofi) o parassiti come le muffe d’acqua.
• Fotosintetici con clorofilla, come le alghe.

I protozoi si dividono in:

• Zooflagellati – caratterizzati da flagelli per il movimento, in gran parte sono parassiti.
• Euglenoidi – flagelli, cloroplasti spesso presenti.
• Ameboidi – pseudopodi per il movimento (es. ameba che costruisce queste estroflessioni per spostarsi, quindi non sono strutture fisse), predatori e parassiti.
• Ciliati – ciglia, complessità strutturale.
• Sporozoi – non mobili, sporigeni.

Alcuni funghi mucillaginosi vengono identificati come protozoi.

Piante

Le piante sono esseri viventi caratterizzati da autotrofia, incapaci di locomozione cioè non si possono spostare. Tutti gli animali hanno movimento, ma alcuni non si spostano (animali sessili, cioè vivono ancorati al substrato).

Funghi

I funghi sono formati da cellule isolate o riunite in filamenti chiamati ife. Sono fondamentali in natura per la demolizione di materiali organici dei rifiuti animali e vegetali e per essere organismi simbionti, essenziali per gli organismi superiori. Per esempio, intere famiglie di coleotteri vivono su dei funghi. Possono formare pseudotessuti e strutture multicellulari complesse. In natura vivono ovunque vi sia sostanza organica.

Animali

Gli animali sono esseri viventi eterotrofi, definiti Metazoi, che vengono divisi in Parazoi ed Eumetazoi. I Parazoi sono “quasi animali”, come le spugne, presentano un’unica cellula ed infatti i poriferi sono colonie di Parazoi. Negli animali ci sono una serie di colori e forme, colori di natura chimica o fisica. Per esempio, i lepidotteri, cioè le classiche farfalle, hanno delle scaglie (peli modificati) che quando vengono colpite dalla luce cambiano colore. Attraverso i colori l’organismo può interagire con l’ambiente esterno e con gli organismi in esso contenuti, per esempio si può nascondere (mimetismo) oppure cercare il partner per la riproduzione.

Tutti gli animali sono eucarioti pluricellulari eterotrofi e si caratterizzano per la locomozione. Sono tutti, infatti, in grado di muoversi o di muovere parti del corpo. Si dividono in:

• Mobili, che possono spostarsi autonomamente da un posto all’altro.
• Sessili, che non possono spostarsi ma hanno parti mobili. Sono tutti acquatici e si nutrono per filtrazione, cioè estroflettono delle strutture che servono a filtrare il particellato dall’acqua dove vanno a trovare i nutrienti.

I processi vitali essenziali negli animali sono:

• Ingestione: assunzione di cibo.
• Digestione: sfaldamento chimico e in parte meccanico del cibo.
• Assimilazione: utilizzo delle sostanze ottenute dal cibo per la crescita.

Sono necessarie per la vita di ogni organismo animale. La riproduzione può essere sessuale, attraverso i gameti maschili e femminili (alcuni utilizzano solo quello femminile, diminuendo così la ricombinazione), con la meiosi o asessuale con la mitosi (forma dei cloni). La respirazione serve per ottenere energia grazie all’assunzione di ossigeno con rottura del glucosio. La morte porta al completamento del ciclo, infatti cessano di esistere e soccombono a condizioni avverse.

I livelli organizzativi dei viventi vanno da:

• Gli atomi sono composti da particelle subatomiche.
• Le molecole sono formate da due o più atomi combinati.
• La cellula è l’unità funzionale di base di ogni vivente.
• Un tessuto è un gruppo di cellule con funzioni simili.
• Un organo è un insieme di tessuti uniti per svolgere funzioni specifiche.
• I sistemi sono composti da diversi organi che lavorano insieme.
• Un organismo è un individuo vivente completo, autonomo e riconoscibile.
• Una popolazione è formata da un gruppo di organismi della stessa specie che vivono in una determinata area.
• Le comunità biologiche sono formate da popolazioni di diverse specie.
• Un ecosistema comprende la comunità dei viventi e l’ambiente fisico con cui interagiscono.
• La biosfera è composta dall’insieme di tutti i sistemi biologici.

Microscopia ottica

Per studiare i viventi dobbiamo necessariamente poterli osservare. La possibilità di reperimento in natura di esemplari è legata alle tecniche di campionamento. In laboratorio sono le tecniche d’ingrandimento che consentono di poter osservare gli esemplari in modo approfondito. Il microscopio stereoscopico o stereomicroscopio, utilizza due percorsi ottici separati, terminanti con due obiettivi e due oculari; questi due percorsi ottici danno agli occhi, destro e sinistro, delle immagini diversamente angolate. In questo modo viene prodotta una visione stereoscopica del campione in esame. È quello più semplice ed è a luce incidente. Si utilizza per organismi di dimensioni medio-piccole. Il microscopio ottico composto (LM) si avvale della luce e di un sistema di lenti per ingrandire le immagini, utilizza un preparato posto su un comune vetrino e la luce proviene dal basso. Il limite di risoluzione è di 0,2 μm (200 nm).

Microscopia elettronica

Il microscopio elettronico a scansione (SEM) raccoglie e mette a fuoco gli elettroni che sono dispersi dalla superficie del campione, generando un’immagine tridimensionale. Si basa, quindi, su fasci di elettroni e su strutture che raccolgono gli elettroni di rimbalzo. Inizialmente occorreva porre il campione in vuoto spinto e poi ricoprirlo con una colata d’oro ma adesso ci sono dei microscopi con metodi che permettono di riutilizzare il campione senza danneggiarlo. Nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM), il campione è investito da un fascio di elettroni (lunghezza d’onda minore della luce). Le immagini sono quindi a risoluzione più fine, più interne: il TEM più potente arriva a 0,1 nm.

Origine della vita

Fino alla fine del 1800 per molti restava una certezza che la vita potesse originare dal non vivente. Questo prendeva chiaramente origine dall’opinione di Aristotele sull’argomento espressa già dal IV secolo a.C.. Di certo la prima vita è quella autotrofa perché gli eterotrofi hanno bisogno di sostanze organiche già formate per poter sopravvivere, mentre gli autotrofi si possono nutrire dall’ambiente esterno senza intermediari.

• Aristotele (384 – 322 a. C.)

Aristotele riprese le idee delle culture precedenti secondo le quali la vita era già presente nella materia e poteva emergere quando le condizioni si presentavano favorevoli. Secondo le sue osservazioni gli organismi viventi nascono, in genere, da altri organismi a loro simili, però a volte possono anche scaturire dalla materia inerte. Esisterebbe infatti, in tutte le cose, un "principio passivo" rappresentato dalla materia e un "principio attivo" rappresentato dalla forma. Lui osservò che c’erano degli animali, come pesci o anfibi, che alla fine di un periodo secco come l’estate emergevano dal fango man mano che si presentavano stagni e acqua, con piogge o inondazioni. Oggi sappiamo che erano soltanto in stasi dentro al fango, ma a quel tempo lui credeva che era il fango stesso a generarli tramite un principio passivo, la materia, e un principio attivo, la forma. La materia, infatti, era inanimata perché non possedeva la forma. Aristotele fu il precursore di tutta la scienza moderna, in quanto influenzò di gran lunga il pensiero di tutti i suoi successori con la teoria della generazione spontanea.

• J. B. Van Helmont (1577 – 1674)

Van Helmont è un medico e chimico alchimista che fu il primo a voler dimostrare la teoria di Aristotele attraverso un esperimento “scientifico”. Mettendo in contatto chicchi di frumento con una camicia sporca di sudore accertò la nascita di topi dopo 21 giorni. Secondo Van Helmont il sudore umano avrebbe rappresentato il principio attivo necessario per spingere la materia inerte a trasformarsi in materia vivente. Il problema è che il sistema del suo esperimento era aperto, quindi i topi potevano entrare e uscire. Inoltre, osservò che i topi nati in questo modo erano perfettamente identici a quelli presenti già in natura. Si mantenne questa idea fino alla fine del 1800.

• William Harvey (1578 – 1657)

Harvey fu il primo ad intuire (seppure senza dimostrarlo scientificamente) che ogni organismo deriva da un uovo fecondato con il motto: «Ex ovo omnia» (Tutto [deriva] dall’uovo), anche se oggi sappiamo che deve essere fecondato per avvenire ciò.

• Francesco Redi (1626 – 1697)

Redi fu un italiano che era inclinato a credere che la vita si fosse originata da altre forme di vita e che cambia nel tempo. Con un esperimento (scientificamente corretto perché chiuso rispetto all’esterno) Francesco Redi, medico personale del granduca di Toscana, dimostrò che le larve presenti nella carne in decomposizione non si generavano spontaneamente, ma derivavano dalle uova deposte su di essa dalle mosche. Egli prese due pezzi di carne e li mise in due recipienti di vetro, uno chiuso e uno aperto; dopo alcuni giorni, solo su quello aperto comparvero i vermi (che si trasformarono in mosche dopo circa tre settimane). Ma poiché il mancato sviluppo di larve sulla carne nel recipiente chiuso poteva essere imputato all’assenza di ricambio d’aria, Redi ripeté l’esperimento chiudendo il recipiente con una reticella in grado di lasciar passare l’aria. La carne comunque si corrompeva anche se non dava sviluppo di larve.

• Lazzaro Spallanzani (1729-1799)

Spallanzani, cento anni dopo, scrive un saggio come risposta alle tesi di Needham e Buffon (sistematico che si oppose a Linneo sulla classificazione degli animali e che scrive la più grande enciclopedia del passato su di essi, in quanto grande illustratore e sostenitore di Aristotele). Dimostrò che è possibile prendere precauzioni sufficienti ad impedire la contaminazione esterna da parte di microrganismi invisibili all’occhio nudo portati dall'aria. La conseguenza degli esperimenti di Spallanzani è la condanna definitiva dell’ipotesi della generazione spontanea, anche negli organismi più semplici. L’unica critica fatta era che veniva impedito all’aria di entrare e senza aria (principio vitale) la vita non poteva ripartire.

• Louis Pasteur (1822-1895)

Per porre fine all’opposizione che stava divenendo sempre più aspra tra sostenitori e oppositori della teoria della generazione spontanea, l'Accademia delle Scienze di Parigi offrì un premio a chiunque fosse stato in grado di fare luce sull'argomento. Il premio fu vinto nel 1864 da Louis Pasteur. Pasteur emise la legge biogenetica «Omne vivum ex vivo» (ciò che è vivente deriva da qualcos’altro di vivente) e nel suo esperimento introdusse in un pallone di vetro col collo lungo, un brodo nel quale in apparenza si generavano “spontaneamente” dei microrganismi. Piegò a “S” il collo del pallone, in modo da consentire l’ingresso dell’aria, ma impedire la contaminazione del brodo da parte della polvere e dei batteri in essa presenti. Fece poi bollire il brodo contenuto nel pallone di vetro, in modo da uccidere tutti i microrganismi eventualmente presenti nel brodo e nel collo del recipiente. Lasciato raffreddare, Pasteur constatò che il brodo non aveva generato batteri. La rottura del collo del contenitore, invece, portava in poco tempo alla loro crescita. Si sviluppavano in quegli anni i primi microscopi e si iniziavano a vedere gli organismi unicellulari. Alla base della vita ci sono gli acidi nucleici che si sono formati dall’unione di elementi biogenici con composti inorganici. Si provarono a ricreare le stesse condizioni ma nessuno è mai riuscito nell’intento.

• F. Crick, L. Orgel, C. Woese (1968)

La teoria più significativa fu quella di Crick, Orgel e Woese che si basava sull’RNA ancestrale, ovvero che l’RNA moderno è un retaggio dell’antico mondo a RNA delineato da Gilbert successivamente.