Appunti Biologia generale

Biologia generale

Il termine biologia

La biologia è una materia che studia la vita. Il termine biologia è composto da due parole di origine greca: “bios” e “logos”.

Organismi viventi

Sulla terra esistono milioni di organismi diversi tra loro, circa 8,7 milioni di specie, e di cui l’uomo rappresenta solo una piccolissima parte di questa percentuale. In termini di biomassa globale, l’uomo rappresenta lo 0,01%.

Gli organismi viventi sono altamente diversi tra loro; possiamo notarlo anche solo con due caratteristiche che saltano subito all'occhio: la forma e la dimensione. Tuttavia, gli organismi viventi, pur essendo diversi tra loro, hanno caratteristiche comuni che li differenziano dagli organismi non viventi:

• Sono costituiti da un insieme di componenti chimici (es. carbonio, ossigeno che si aggregano formando macromolecole);
• Sono costituiti da cellule (unità di base di ogni organismo vivente, entità più piccola identificata come vivente);
• Metabolismo: attraverso un processo chiamato metabolismo, sfruttano le molecole e l’energia che riescono a ottenere dall’ambiente per sintetizzare nuove molecole biologiche per compiere diverse funzioni. Sono in grado di crescere, differenziarsi e riprodursi;
• Sono caratterizzati da un codice molecolare universale (genoma) che viene utilizzato per sintetizzare l’RNA che dà origine alle proteine;
• Omeostasi: sono dotati di capacità di autoregolazione che permette loro di mantenere il loro ambiente interno regolato su dei parametri fissi ad un determinato valore. Questo tipo di regolazione permette alla cellula di mantenere i valori stabili nonostante le perturbazioni che la cellula stessa può ricevere dall’interno o dall’esterno, un esempio è la temperatura corporea;
• Le popolazioni: gli organismi viventi non esistono come entità singole ma vivono in gruppi chiamati popolazioni (gruppi della stessa specie che vivono in un determinato ambiente). L’insieme di popolazioni diverse che vivono in un ambiente va a creare una comunità biologica all’interno della quale le popolazioni interagiscono tra loro, si riproducono e quindi trasmettono il proprio materiale genetico alle progenie successive, dando così inizio ad un processo evolutivo che porta allo sviluppo della specie stessa.

La presenza della vita sul nostro pianeta è l’unica conosciuta.

Definizione di essere vivente

Un essere vivente è un’unità organizzata, costituita da cellule, dotata di un codice genetico universale (genoma) e caratterizzata da meccanismi fisici/chimici che costituiscono il metabolismo (trasformazione di materia e energia presi dall’ambiente in materie che possono essere sfruttate dalla cellula stessa per l’accrescimento e la riproduzione). Inoltre, un essere vivente è capace di riprodursi e evolversi.

Tipi di viventi

• Methanococcus jannaschii: organismo procariota appartenente al regno delle Archea ed è un organismo di dimensioni molto piccole (1 a 10 micrometri). Riesce a compiere la metanogenesi (sfrutta l’idrogeno e l’anidride carbonica che trova nell’ambiente per produrre metano). Viene definito estremofilo, ossia che vive in condizioni ambientali estreme; più precisamente è un termofilo (45° a 94°).
• Mycoplasma spermatophilum: batterio che è privo di parete cellulare, caratterizzato da piccolissime dimensioni (0,1 a 0,2 micrometri) ed è un parassita che infetta molti animali tra cui l’uomo (infezioni all’apparato respiratorio e genitale, va a infettare l’epitelio).
• Chlamydmonas nivalis: è un protista, alga fotosintetica di colore rosso la quale ha questa colorazione rossa perché contiene al proprio interno dei pigmenti che vengono chiamati carotenoidi. Vive in alta montagna, soprattutto nell’Antartide. Nivales perché la neve si colora di rosa in alcuni periodi dell’anno, dovuto al fatto che l’alga in condizioni estreme produce i carotenoidi.
• Thelocactus conothelos argenteus
• Volvariella volvacea
• Vulpes vulpes

Origine della vita

Il concetto di origine della vita è stato trattato fin dall’antichità nell’ambito di diverse religioni e filosofia ed è diventato un dibattito tra scienza e fede. L’universo che conosciamo si è originato 13,8 miliardi di anni fa tramite un evento esplosivo chiamato Big Bang, i cui effetti sono ancora in corso tramite un meccanismo chiamato “meccanismo di espansione”. A seguito di questa esplosione, si sono create le galassie e il materiale incandescente che girava intorno al sole ha iniziato ad aggregarsi dando origine ai corpi celesti tra cui la Terra, che si è formata 4,6 miliardi di anni fa.

Per datare la vita sulla Terra, siamo aiutati da riscontri scientifici ossia dall’osservazione di depositi bionici (derivati dall’attività di determinati microrganismi, i cui depositi vanno a modificare l’ecosistema). Questi depositi di carbonati sono dovuti all’attività di microrganismi (cianobatteri) le cui tracce fossili sono datate a 3,5 miliardi di anni fa. Fino a poco tempo fa, erano ritenute le più antiche tracce lasciate da organismi viventi sulla Terra. Tuttavia, uno studio pubblicato piuttosto recentemente ha permesso di retrodatare la comparsa della vita sulla Terra a 3,7/3,8 miliardi di anni fa. Nutman e collaboratori hanno studiato delle rocce sedimentate che sono state trovate nella zona della Groenlandia dove erano presenti delle tracce fossili depositati dall’attività di determinati organismi.

Dal punto di vista scientifico, la spiegazione dell’origine della vita parte dal presupposto che la materia organica, che ha dato vita all’essere vivente, deriva da materiale non vivente o inorganico. Questa ipotesi nasce dal fatto che nell’atmosfera primordiale non vi era ossigeno e gli elementi che la costituivano prevalentemente erano metano e ammoniaca, elementi che creavano un ambiente riducente che fa sì che si formino atomi e molecole. Inoltre, vi erano diversi eventi molto violenti come fulmini e da eruzioni vulcaniche. Essendo l’atmosfera priva di ossigeno e ozono, le radiazioni ultraviolette del sole arrivavano sulla Terra in maniera molto diretta. L’insieme di queste condizioni si pensa che abbia favorito la formazione di molecole organiche a partire da materiale inorganico. Queste materie inorganiche, partendo da elementi basilari, si sono aggregate e depositate negli oceani dando origine alle materie organiche.

Della abiogenesi—teoria ipotizzata da Miller e Urey nel 1953. Per capire se la loro teoria era valida, cercarono di riprodurre in laboratorio le condizioni dell’atmosfera primordiale. Utilizzando l’apparato di Miller-Urey, misero nell’ampolla sterile tutti quegli elementi che erano presenti nell’atmosfera primitiva (ammoniaca, metano, anidride carbonica e azoto); successivamente collegarono l’ampolla ad un recipiente contenente dell’acqua e riscaldarono l’acqua in modo da ottenere il vapore e mimare l’atmosfera. Il vapore risaliva i tubi per finire in un’altra ampolla dove tutti questi elementi si trovavano in forma gassosa. Applicarono due elettrodi all’ampolla che davano delle scariche elettriche periodiche (per simulare i fulmini). Connessero sotto un manicotto dove finiva dell’acqua fredda in modo di condensare il vapore (simulare pioggia) e in modo che tutti gli elementi gassosi potessero tornare allo stato liquido. Dopo una settimana, Miller fermò il ciclo di reazioni e raccolse la soluzione purificandola tramite cromatografia su carta e identificarono molecole organiche, in particolare cinque amminoacidi (alanina, glicina e acido statico).

Non esiste un modello standard dell’origine della vita. Non è chiaro come si sia passati da elementi organici di base a un organismo vivente (completo e complesso, capace di nutrirsi e di riprodursi). A causa della carenza di reperti fossili e l’incapacità di riprodurre determinate situazioni in laboratorio, ancora oggi non si può arrivare ad un modello univoco dell’origine della vita. I modelli che sono attualmente accettati si basano su scoperte che hanno portato a capire l’origine di componenti cellulari e molecolari dell’essere vivente. Questi modelli possono essere schematizzati in tappe vere e proprie dell’evoluzione, come la formazione degli amminoacidi chiamati comunemente monomeri.

Tappe dell’origine della vita

Ci sono ancora molti dubbi sull’ordine effettivo di queste tappe:

• Monomeri: unità base che va a costituire una macromolecola più complessa;
• Fosfolipidi: lipidi che costituiscono per la maggior parte le membrane plasmatiche, i fosfolipidi si sono aggregati nel tempo a formare un doppio strato fosfolipidico dando così origine a delle micelle in grado di isolare un ambiente interno da quello esterno; all’interno dell’ambiente interno potevano avvenire diverse reazioni chimiche;
• Ribozimi autoreplicanti: si è ipotizzato che all’origine della vita ci sia stata una sorta di polimerizzazione, ovvero un assembramento di nucleotidi (monomeri, unità che sta alla base degli acidi nucleici). Il meccanismo di polimerizzazione di nucleotidi ha dato origine alle molecole di RNA che avevano una capacità catalitica (chiamati ribozimi). I ribozimi erano in grado di replicarsi in maniera autonoma;
• Ribosoma a sintesi proteica: ribonucleoproteine, ovvero strutture formate sia da RNA che proteine. Derivano dai ribozimi, però essi sono anche in grado di sintetizzare proteine (attività peptid-transferasica);
• Altra tappa fondamentale per l’origine della vita è la formazione delle proteine dall’assembramento di monomeri di amminoacidi. Infine, si è approdati alla formazione degli acidi nucleici ossia alla polimerizzazione, l’assemblaggio di nucleotidi, che nell’insieme formavano un materiale genetico che assumeva la funzione di struttura contenente l’informazione genetica che poteva essere trasmessa da una progenia all’altra.

Grande evento di ossigenazione

Ciò che è certo è l'evento che ha portato allo sviluppo della vita sulla Terra, noto anche come il Grande Evento di Ossigenazione (Fotosintesi Ossigenica). Il Grande Evento di Ossigenazione è datato a circa 2.5 miliardi di anni fa ed è attribuibile a un particolare gruppo di procarioti, i cianobatteri (batteri fotosintetici che sono in grado di catturare anidride carbonica e acqua dall’ambiente in cui si trovano, e sfruttando l’energia luminosa sono in grado di produrre ossigeno molecolare che viene riversato nell’atmosfera).

Questo meccanismo ha segnato una tappa importante nella formazione della vita sulla Terra perché l’atmosfera primordiale era priva di ossigeno, quindi l’attività dei cianobatteri ha fatto sì che nell’atmosfera primordiale iniziasse ad esserci ossigeno. Col passare degli anni, i cianobatteri si sono riprodotti e la loro riproduzione ha fatto sì che il meccanismo di fotosintesi fosse sempre più ampio fino ad arrivare a creare una componente di ossigeno importante nell’atmosfera, dando origine al Grande Evento di Ossigenazione.

— Aspetto positivo: vita sulla Terra.

— Aspetto negativo: gravissima crisi biologica derivata dall’introduzione dell’ossigeno nell’atmosfera, che ha portato a una carenza di nutrienti e all’adattamento delle specie anaerobiche in un ambiente diverso.

Come catalogare la biodiversità sulla Terra?

Attualmente sono presenti circa 8,7 milioni di specie viventi, però circa l'86% delle specie terrestri e il 91% di quelle marine sono del tutto sconosciute e molte delle quali si estingueranno prima di essere scoperte.

Evoluzione biologica

Tutti gli organismi viventi sono derivati da secoli e secoli di evoluzione—tutti gli organismi viventi derivano da un organismo primitivo ancestrale che nel tempo si è evoluto. Padre della teoria dell’evoluzione biologica è Charles Darwin, che nel suo libro “L’evoluzione della specie” spiega la sua teoria. Egli ipotizza che ogni organismo vivente possiede una serie di caratteristiche che può evolvere durante la propria vita, il cambiamento di queste caratteristiche preesistenti può essere trasmetto alla progenie determinando una trasmissibilità delle caratteristiche più forti.

Ogni organismo vivente riceve dall’ambiente esterno delle pressioni che fanno sì che alcuni organismi che si sono adattati meglio a quell’ambiente possano sopravvivere rispetto a chi non ha la possibilità di evolvere. La pressione esercitata dall’ambiente è conosciuta come selezione naturale. Gli organismi che hanno una capacità di adattamento sono in grado di sopravvivere e di trasmettere queste proprietà alla progenia successiva.

Classificazione delle forme viventi

Tutte le forme di vita presenti sul pianeta derivano da un progenitore comune, in particolare sono riconducibili a tre “domini” (batteri, archea ed eucarioti) che sono suddivisibili in sei gruppi principali detti “regni" (eubatteri, archeobatteri, protisti, piante, funghi e animali). Questa catalogazione deriva dalla tassonomia che è una branca della biologia che studia l’identificazione e la classificazione di tutti gli organismi viventi tramite la filogenesi (relazioni evolutive che legano un organismo all’altro).

Carl Linneus ha ideato la classificazione usata in biologia nel 1753, suddividendo tutti gli esseri viventi in otto classi a partire da una descrizione più generale fino a una descrizione più specifica: dominio -> regno -> phylum -> classe -> ordine -> famiglia -> genere -> specie. Linneo si è concentrato sulla specie; per identificare una specie in maniera univoca ha introdotto il concetto di nomenclatura binomiale, ovvero l’identificazione di una specie attraverso due nomi in latino e corsivo (il primo termine è scritto con la lettera maiuscola e identifica il genere mentre il secondo è scritto con la lettera minuscola e identifica la specie). Gli organismi viventi vivono in gruppi della stessa specie chiamati popolazioni. Le popolazioni che vivono in un determinato ambiente vanno a costituire una comunità. Le comunità interagendo tra loro e con l’ambiente abiotico formano un ecosistema/bioma. L’insieme degli ecosistemi sulla Terra compongono la biosfera.

Le basi dell’indagine scientifica

Le basi dell’indagine scientifica sono: osservazione, ipotesi, sperimentazione e logica. La scienza non dà delle verità assolute ma delle importanti certezze sostenute da prove e verifiche. Le sue principali applicazioni sono in campi fondamentali per la sopravvivenza e il benessere come in agricoltura, medicina e conservazione della biodiversità. La biologia risponde al desiderio umano di conoscere il mondo e apprezzare il nostro pianeta.