Appunti di Elementi di Biologia generale - modulo 1

Biologia – modulo 1

L'origine della materia

L'universo inizialmente non esisteva, vi era solo della materia concentrata in un unico punto. In seguito alla grande esplosione del Big Bang questa materia inizia a espandersi, creando il concetto di spazio-tempo ed energia. Il passaggio da materia non vivente a quella vivente avviene grazie al cambiamento delle particelle subatomiche instabili, le quali diventano stabili. Gli elementi si costituiscono dopo, grazie all'interazione dei protoni, neutroni ed elettroni che si sono creati.

Ci sono stati poi degli elementi base che sono stati fondamentali per il cambiamento in quanto componenti base delle macromolecole, tra questi abbiamo H, elio, O e C. Gli altri elementi si formano per fusione e fissione nucleare dei primi quattro. Grazie alla stabilità di questa materia, abbiamo uno stato di aggregazione che ci permette la formazione di galassie e stelle; successivamente, sempre grazie allo stato di aggregazione, si formano i pianeti, tra cui la Terra che bisogna analizzare per capire la formazione della vita.

L'atmosfera primordiale

Il materiale che avevamo sulla Terra era tutto allo stato fluido il quale però, grazie al cambio di temperatura, inizia a subire delle variazioni. In questo modo abbiamo i materiali più pesanti che si sono raggruppati verso il centro, al nucleo; una regione intermedia che sarà allo stato fluido e una regione esterna che costituisce la crosta terrestre, la quale tende a solidificarsi. L'atmosfera primordiale era costituita da idrogeno ed elio, che in seguito diventa atmosfera secondaria prodotta dai gas vulcanici dovuti dalle continue eruzioni vulcaniche. Nasce in questa fase anche il vapore acqueo grazie alla condensazione dei gas vulcanici, che portano poi alla nascita dell'acqua la quale si ricavava anche dall'esterno a causa dell'impatto delle comete con il ghiaccio.

La transizione alla vita

Come siamo passati da un sistema senza esseri viventi a uno con i viventi? Un essere vivente deve avere determinate caratteristiche per poter essere definito tale:

• Devono essere sistemi aperti, quindi strutture che si distinguono da un ambiente circostante, e che sono in contatto e interagiscono in modo attivo con questo ambiente esterno. L'interazione avviene grazie allo scambio di energia e materiale, in uscita come prodotto di scarto e in entrata per ricavarne energia.
• Serve poi riprodursi per generare dei discendenti, così da generare nuove forme di vita simili alla vita.
• Infine, bisogna poi sapersi modificare nel tempo singolarmente ma anche a livello più generale, avendo una progene che può modificarsi, così da garantire una sopravvivenza della specie.

Ci sono delle ipotesi sulla nascita della vita, che sono state poi verificate in laboratorio. Le conferme ottenute sono derivanti dai fossili e dagli studi fatti. Secondo gli studi, da cellule originate da precursori semplici, tramite processi chimici di auto-assembramento, e non solo fisici, si sono ottenuti sistemi poli molecolari in condizioni ambientali particolari. Le teorie confermano che la vita è comparsa una sola volta, grazie a un unico antenato comune.

Evoluzione e classificazione

Secondo la teoria evoluzionistica, questo antenato ci ha permesso la nascita di diverse specie. Le specie sono suddivise in tre domini, i quali hanno dei regni al loro interno:

• Bacteria
• Archea
• Eukarya: protista, plantae, animalia, fungi

Il dominio è una categoria tassonomica che rappresenta il livello più alto della classificazione scientifica. La classificazione si basa sulla teoria filogenetica, ovvero l'analisi e le differenze genetiche esistenti tra le diverse specie, che si basano sull'evoluzione temporale degli esseri viventi. Questo significa che esistono delle differenze genetiche tali che non consentono di accumularli in unico gruppo. Tutti gli organismi viventi sono costituiti da elementi base: C, H, O, N. Questo determina che la struttura iniziale dell'organismo che si è creato in origine è rimasta costante nel tempo, nonostante la fase evolutiva.

Elementi e isotopi

Gli elementi di base hanno una forte fonte di energia, grazie alla quale abbiamo oggi la formazione di organismi più complessi. Ad essi viene abbinato circa il 4% di elementi secondari che sono fondamentali sia sotto il punto di vista strutturale sia sotto quello funzionale, in particolare utili per alcuni enzimi che per il loro buon funzionamento necessitano di questi elementi secondari.

• Peso atomico: protoni e neutroni (massa)
• Numero atomico: numero di protoni (natura chimica)
• Elemento chimico: atomi con lo stesso numero atomico
• Isotopi: elementi che hanno lo stesso numero atomico, ma differente peso atomico (Carbonio 12 e 14), gli elementi isotopi sono spesso utilizzati a livello scientifico per scoprire ciò che è successo in passato.

L'evoluzione chimica e prebiologica

L'evoluzione ha affrontato diversi passaggi, la prima fase è stata quella dell'evoluzione chimica dove gli elementi presenti nell'atmosfera e nell'acqua si sono uniti con l'energia che ricavavano dal calore del sole, dai fulmini e dalle radiazioni solari. Questa prima fase ha portato alla formazione di molecole organiche complesse. La quantità di ossigeno era veramente limitata e, nonostante questo non rendesse respirabile quell'atmosfera, nella prima fase è stato fondamentale perché l'ossigeno avrebbe potuto contrastare le reazioni chimiche che stavano avvenendo per la formazione della vita. Nella formazione di questi sistemi macromolecolari ci si avvicina a una propria individualità.

L'incontro tra elementi base è avvenuto in un ambiente acquoso, definito brodo primordiale, il quale è stato in grado di isolare e proteggere gli elementi stessi dal poco ossigeno presente e dalle radiazioni frequenti che rendevano instabili le molecole che si formavano. Avviene così la formazione di molecole derivanti dagli atomi, che successivamente sono diventate strutture macromolecolari.

La seconda fase è stata l'evoluzione prebiologica, che non è la vera e propria vita, ma ci permette di fare passi avanti nei suoi confronti. Il sistema plurimolecolare inizia a scambiare materia ed energia con l'ambiente esterno, oltre che a effettuare al suo interno delle reazioni chimiche determinando così le prime forme di metabolismo all'interno degli esseri viventi. Alcuni di questi iniziano inoltre a duplicarsi e dare quindi vita a nuovi sistemi simili tra loro.

La proto-selezione naturale indirizza la scelta verso un sistema che aumenta le attività e che diventi sempre più strutturato, tuttavia in grado di mantenere una semplicità che gli permetta di riprodursi facilmente perché altrimenti non sarebbe in grado di sopravvivere.

Esperimenti sulla nascita della vita

Sono stati svolti diversi esperimenti, con il fine di confermare le ipotesi sulla nascita della vita. L'esperimento di Miller, svolto a metà del 1900, cerca di riprodurre le condizioni primordiali. Il punto di partenza era un oceano primordiale che è stato messo in ebollizione con lo scopo di fornirgli energia sotto forma di calore, causando un'evaporazione da cui deriva un'atmosfera artificiale che possa assomigliare il più possibile a quella primordiale con idrogeno, metano e gas semplici. Le scariche elettriche che sono state successivamente fornite hanno portato altra energia che, tramite il raffreddamento del sistema, ha causato la condensazione dell'acqua legata ad alcuni componenti formatisi nel mentre del processo. In questa fase di condensazione, l'acqua e le componenti ad essa legate, hanno verificato la presenza di molecole organiche come amminoacidi e composti disciolti da cui poi sono derivati altri complessi sovra molecolari.

Sono stati fatti altri due esperimenti, utili a confermare la formazione di complessi sovramolecolari. Nell'esperimento di Oparin viene dimostrata la formazione di coacervati, cioè in determinate condizioni di temperatura, acidità e in una certa concentrazione di elementi in acqua lui dimostra che è possibile la separazione di molecole che formano delle macromolecole, ovvero complessi sovra molecolari. Anche nell'esperimento di Fox viene garantita la formazione di microsfere proteinoidi, ovvero strutture isolate dall'ambiente esterno da membrane proteiche all'interno delle quali avvengono reazioni chimiche ottenute tramite simulazione delle condizioni primordiali.

In conclusione quindi, entrambi gli esperimenti, mostrano come nelle giuste condizioni sia possibile la formazione di complessi superiori che isolano il mondo esterno e vanno a creare al loro interno reazioni chimiche differenti, nasce così la cellula. La cellula è l'unità più piccola in grado di svolgere le attività a lei utili. Il primo fossile di cellula simile a quella di un batterio è di circa tre miliardi e mezzo di anni fa. Un'analisi valida ma indiretta poiché non abbiamo un fossile di conferma, è di circa 3,8 miliardi di anni fa dove la presenza di C¹² in quantità maggiori di C¹³ conferma la presenza di molecole organiche.

La Terra e le condizioni favorevoli per la vita

La Terra è stato un ambiente favorevole allo sviluppo di esseri viventi costituiti da carbonio, in quanto è alla giusta distanza dal sole. Inoltre, l'atmosfera è la più idonea per la vita delle cellule in quanto protegge da radiazioni pur consentendo passaggio di luce. Infine, si ha la giusta temperatura per le reazioni chimiche ed è presente l'acqua allo stato liquido.

Le cellule sono state studiate meglio nel dettaglio grazie alla scoperta del microscopio ottico ed elettronico, dato che a occhio nudo non era possibile capire la struttura degli elementi che costituiscono le cellule. Le dimensioni ottimali delle cellule vanno dai 10 ai 50 micrometri, dovuto dal limite imposto dal rapporto volume/superficie. Tutte le attività vitali dei microrganismi vengono all'interno della cellula, quindi all'aumentare della cellula, aumenta la quantità di citoplasma e di conseguenza le reazioni che possono avvenire. Inoltre, la cellula permette lo scambio interno ed esterno di energia e materia attraverso la sua superficie. Ecco perché il rapporto è tra volume e superficie, questo rapporto però non è proporzionale, in quanto dipende dal tipo di struttura della cellula.

Per calcolare questo rapporto viene utilizzato il sistema dei cubi, in modo da poter calcolare la sua superficie. La cellula è l'unità più piccola che abbiamo, in grado di svolgere tutte le attività vitali. Esse sono infatti dei sistemi aperti in grado di scambiare materia ed energia; hanno una membrana esterna che le delimita e regola gli scambi con l'esterno; grazie alla capacità di effettuare un proprio metabolismo, mantengono l'omeostasi, ovvero il mantenimento di un equilibrio interno, e catalizzano, con l'aiuto degli enzimi, le reazioni metaboliche; sanno riprodurre copie simili a loro, creando una discendenza grazie al codice genetico il quale è universale; infine, possono evolversi, creando discendenti con varianti che possono essere vantaggiose.

Interazione con l'ambiente esterno

Abbiamo un contatto continuo con l'ambiente esterno dovuto dallo scambio di materia ed energia all'esterno della cellula. Il concetto di omeostasi, determina delle condizioni interne alla cellula il più costanti possibili. Tuttavia, l'omeostasi ha un limite e per questo deve essere affiancata al metabolismo, ovvero un insieme di reazioni chimiche e di trasformazioni di energia che avvengono all'interno dell'organismo.

Abbiamo organismi unicellulari che svolgono queste reazioni singolarmente con un'unica cellula; al contrario, se parliamo di organismi pluricellulari, abbiamo più cellule come unità base che interagiscono tra di loro come ad esempio per la formazione di tessuti. L'energia è fondamentale per la sopravvivenza. Il metabolismo riguarda delle reazioni che, partendo da alcuni reagenti, consentono di ottenere prodotto. I reagenti devono avere un'energia alta, a differenza di quella dei nostri prodotti che avranno un livello energetico più basso.

Parliamo in questo caso di catabolismo, dove dall'ambiente esterno recuperiamo elementi con un alto livello di energia, mentre attraverso il nostro metabolismo otteniamo prodotti a più bassa energia. In altri casi, il nostro metabolismo può utilizzare elementi reagenti a basso livello energetico, così da andare a formare strutture a più alta energia. Questa situazione si definisce anabolismo.

In tutti i casi è però necessario l'aiuto di enzimi, ovvero catalizzatori biologici in grado di effettuare reazioni che anche se esoergoniche avvengono in tempi minori rispetto a quelli che sarebbero senza di loro. Forniscono dunque energia di attivazione.

Organismi eterotrofi e autotrofi

Gli organismi eterotrofi non sono in grado di sintetizzare molecole organiche a partire da composti inorganici, quindi i nostri reagenti sono molecole organiche che dobbiamo recuperare dall'ambiente esterno. Non siamo infatti in grado di sintetizzare molecole organiche da quelle inorganiche che ricaviamo dall'esterno, dipendiamo infatti da altri esseri viventi. Nel nostro organismo devono dunque essere introdotte molecole organiche, come ad esempio facciamo con l'assunzione di cibo, e attraverso il catabolismo degradiamo le macromolecole al fine di ottenere energia.

Tuttavia, mentre degradiamo non recuperiamo solo energia ma, grazie agli scheletri carboniosi, ovvero composti organici base che noi non sapremmo sintetizzare, formiamo altre molecole necessarie al nostro organismo. Ecco perché, tra interno ed esterno, c'è uno scambio di materia ed energia, perché ricaviamo così materiali utili al nostro metabolismo.

A differenza, gli organismi autotrofi, sanno sintetizzare composti inorganici semplici per ottenere molecole organiche. Quindi, essi sanno sia ricavare energia e degradare le molecole organiche, sia sintetizzarle partendo da quelle inorganiche come ad esempio le piante fanno attraverso la fotosintesi. Tutti questi passaggi necessitano di energia, alcuni come le piante la ricavano dalla luce e definiscono gli organismi fotosintetici; altri invece da reazioni chimiche tra molecole inorganiche, come fanno gli organismi chemiosintetici.

Cellule procariotiche ed eucariotiche

La differenza tra cellule procariotiche e cellule eucariotiche, è dovuta dalla presenza del nucleo in quelle eucariotiche e l'assenza di esso in quelle procariotiche. I procarioti hanno una sola molecola di DNA circolare e viene raggruppato nel nucleoide, ma non viene delimitato da alcuna membrana, non abbiamo quindi il nucleo. Intorno al nucleoide è presente la regione citoplasmatica con sali minerali e altri componenti liberi, anch'essi privi di membrane che li delimitano. Hanno inoltre una membrana plasmatica che delimita la cellula e regola gli scambi con l'ambiente esterno.

Il citoplasma, ovvero il materiale contenuto nella membrana plasmatica con quantità ridotte o prive di organelli e membrane interne. I batteri sono cellule procariotiche, i quali, oltre alla membrana interna a volte assente a volte presente che determina una separazione aggiuntiva, hanno una membrana esterna che determina maggior stabilità rispetto all'ambiente esterno. Essendo infatti sistemi aperti, è fondamentale che la membrana esterna permetta il passaggio di materia ed energia dall'esterno verso l'interno e viceversa. Tuttavia, sono dei microrganismi molto selettivi che regolano lo scambio nelle cellule.

A volte è presente la capsula mucillaginosa di protezione, in questo caso non selettiva, ma con il solo scopo di proteggere la cellula. Il citosol è una componente liquida interna, cioè una soluzione acquosa con ioni, molecole e macromolecole organiche; troviamo immersi al suo interno gli organuli tra cui i ribosomi, che permettono la sintesi proteica, diversamente dalle cellule eucariotiche. Le estroflessioni sono strutture proteiche filiformi; mentre i pili sono più corti e più diffusi e servono per l'adesione. Infine, i flagelli presenti sono formate da lunghe strutture che permettono il movimento e alcune più piccole distribuite attorno alla cellula che permettono il suo posizionamento.

La struttura negli archeobatteri rimane più o meno la stessa. La parete cellulare e la membrana, non assomigliano come struttura a quella eucariotica, a differenza dei batteri. Essa ha composizione perché deriva da organismi molto antichi che vivevano in condizioni difficili, i quali resistono infatti a temperature molto alte oppure in gradi di acidità molto elevati. Sono più isolati dall'ambiente esterno grazie alla loro impermeabilità.

Condizioni estreme degli archeobatteri

Il processo di traduzione è più simile a quello degli eucarioti e sono in grado di produrre gas metano a partire da molecole carboniose semplici. Possono vivere in condizioni ambientali estreme:

• Metanogeni: in ambienti privi di O₂
• Alofili estremi: in soluzioni saline sature
• Termofili estremi: ad alte temperature (45°-110°C)
• Acidofili: in condizioni molto acide

Quindi, nonostante la similitudine nella mancanza del nucleo, gli archeobatteri e i batteri hanno differenze molto importanti.

Teoria endosimbiotica

Le ipotesi del passaggio da cellule procariotiche a quelle eucariotiche sono diverse, la teoria endosimbiotica afferma che è avvenuta grazie alla simbiosi, ovvero quando due organismi si associano perché hanno entrambi un beneficio da questa relazione; “endo” ha previsto che l'associazione tra le due cellule ha portato all'inglobamento di una delle due. Secondo il processo di endosimbiosi, si pensa che una cellula procariotica e una cellula precursore procariotica, la quale abbozzava una specie di nucleo, abbia fagocitato l'altra con lo scopo di seguire un passaggio evolutivo che ha causato la f...