Appunti di Zoologia

Zoologia

“Ogni animale è il miglior rapporto fra genoma e ambiente in quel momento”

Introduzione agli animali

Gli animali sono una forma di aggregazione della materia e obbediscono obbligatoriamente a leggi chimico-fisiche. A seconda del genoma, gli animali hanno un proprio comportamento. Sono un prodotto biologico che deriva da quanti geni hanno a disposizione e di come questi si adattano all’ambiente. La materia che compone gli animali è la stessa che compone materia non vivente, come i sassi: la differenza fra i due è che gli animali possono produrre copie di loro stessi mentre i sassi no.

Fotosintesi e respirazione

Alla base della vita c’è la fotosintesi, prodotta dagli organismi autotrofi e la respirazione (processo inverso alla fotosintesi) per gli organismi eterotrofi. (le combustioni biologiche non sono rapide)

Evoluzione e DNA

Nel momento in cui sono state create le prime molecole di DNA (registra informazioni ed è una molecola molto stabile, alla base della vita), l’evoluzione ha avuto un balzo, non lineare → infatti la curva evolutiva non ha seguito un percorso dritto e fisso ma è stata variabile. Ogni volta che si stabilisce un processo evolutivo, questo soppianta tutto il resto, predomina. Ogni processo evolutivo è moltiplicativo rispetto al precedente → gli eventi sono casuali e selezionati dall’ambiente. (con Darwin abbiamo la selezione naturale).

Importanza del DNA

Materia → alla base ha il DNA, a sua volta diviso in genomi. Gli individui hanno come obiettivo quello di creare il maggior numero di copie possibili del proprio genoma.

Dogma biologia: DNA → mRNA → Proteine

Da quando il DNA è stato creato, i geni sono stati espressi attraverso l’mRNA, e tutto fuoriesce sotto forma di proteine. Quando ci sono le risorse necessarie a disposizione, il loro utilizzo cresce in maniera esponenziale. Adattamento → i comportamenti non sono stati tutti scelti dagli animali: questi infatti possono scegliere come comportarsi in alcuni casi, ma in altri casi no, sono obbligati a sottostare a delle leggi naturali.

Esempio di adattamento: confronto fra elefante e topo

Un elefante ha molta più pelle rispetto a un topo, ma un topo rispetto al volume ha molta più pelle di un elefante. Tanto più grande è il volume, maggiori saranno le cellule e minore la superficie → ci sarà una dispersione maggiore del calore metabolico. Per questo motivo, i grandi animali vivono in acqua o in ambienti molto freddi o molto caldi, per poter smaltire il calore. Viceversa, i piccoli animali presentano il pelo perché, avendo una grande superficie, tendono a disperdere calore, e il pelo serve per trattenerlo. Questa non è una scelta compiuta dagli animali, ma è un adattamento. Anche il cuore degli animali grandi batte più lentamente di quelli piccoli.

Condizioni e limiti di adattamento

Alcune fra le condizioni (i limiti) che hanno obbligato gli animali ad adattarsi sono:

• Clima
• Temperatura → la temperatura minima alla quale può sopravvivere un animale è quella che eguaglia il punto di congelamento dell’acqua: quando un animale è congelato entra in uno stato di necrosi → il ghiaccio rompe le cellule. Questo comporta un’eccezione per quegli animali che vivono in luoghi dove le temperature sono più basse del punto di congelamento dell'acqua (ci sono insetti che gelano → hanno nel loro corpo dei fluidi che funzionano come antigelo). La temperatura massima alla quale un animale può sopravvivere è in media 45°, fatta eccezione per i serpenti che arrivano a 60° e animali come i Tardigradi e i Rotiferi che possono arrivare a circa 250° (entrano in uno stato di quiescenza per cui resistono a tutto).
• Luce
• Condizioni saline
• pH

Costanti in natura

In natura ci sono delle costanti: Coefficiente aureo (1,6), Sequenza di Fibonacci e π, quella di Frattali. → servono per gli accrescimenti biologici. In natura ci sono circa 2 milioni di animali presenti.

Classificazione degli animali e biodiversità

Come si classificano gli animali? Osservando la biodiversità. I primi tassonomi sono attivi più di 2000 anni fa (es. Aristotele o Plotino). Con il passare dei secoli, la Chiesa impose la Creazione come unica teoria evolutiva, finché scienziati come Darwin provarono che in realtà tutto parte da una selezione naturale, base del processo evolutivo → la classificazione delle specie viventi si chiama tassonomia. Un grande aiuto è dato dalla Paleontologia, grazie allo studio dei fossili.

L’unione fra Biologia e Paleontologia dà origine al cosiddetto orologio biologico: una sorgente che consente la variazione genetica è la mutazione.

Esempio di variazione genetica

Esempio → Analizzando il sangue, vediamo che questo è fatto di emoglobina: se si fa la sequenza peptidica di amminoacidi che costituiscono l’emoglobina dell’uomo e del cavallo, notiamo che fra questi c’è una differenza di 8 aminoacidi circa. Dai reperti paleontologici si è scoperto che c’è un antenato in comune prima della divisione, circa 40 milioni di anni fa.

Biodiversità

Con biodiversità s’intende il modo di poter fare una classificazione biologica partendo da dati oggettivi. Come si origina? La variabilità deriva dalla quantità di alleli (geni sotto forme diverse) presenti nelle specie o famiglie. È un esempio il gene dell’Istocompatibilità → si può esprimere in modi diversi perché ci sono alleli diversi.

Il gene (per Mendel un’unità indivisibile) è una sequenza di DNA che ha un inizio e una fine. Lungo 1 metro, è costituito da 4 miliardi di basi racchiuse in 30 micron cubici.

L’allele è una sequenza di Dna → più alleli formano un genoma, i quali a loro volta originano → variabilità genetica. (numero di alleli che differenziano una specie/popolazione) → dipende dal numero di individui di una popolazione: se ci sono tanti individui, la variabilità genetica è ampia. Quando la variabilità è invece molto bassa, si considera quella famiglia geneticamente estinta → si riduce la possibilità di rispondere agli stimoli.

Maggiore è il numero degli alleli e maggiore è la possibilità di essere selezionati positivamente dall’ambiente. (es. pesce antartico).

Radiazione adattativa

Radiazione adattativa → emissione di molte specie che si sono ambientate, adattate all’ambiente circostante. L’unico modo per poter aumentare la variabilità genetica è attraverso le mutazioni. (questa dimostrazione è in circolo da circa 100 anni).

Enunciato di Hardy-Weinberg

Se non ci sono nuovi alleli, le frequenze genetiche non cambiano e non c’è evoluzione.

Mutazioni genetiche

Come avvengono le mutazioni? 3 sono i motivi:

1. Fisico → attraverso le radiazioni (le più potenti sono le UV e i raggi gamma): se le radiazioni non sono potenti, queste cambiano i legami chimici e danno origine alle mutazioni;
2. Biologico → c’è il cambiamento di una sequenza di DNA dovuta ad errori di copiatura, duplicazione oppure per l’inversione di sequenze durante i vari processi di DNA (Trasposizioni, Delezioni);
3. Chimico → prodotto dell’uomo, per le sue attività → mutageni.

Criteri di classificazione delle specie

Ci sono dei criteri per poter classificare una specie:

Questo è un ordine di specificità crescente. Se prendiamo in considerazione un cane o un lupo:

• Dominio → Eucarioti
• Regno → Animale
• Phylum → Cordati
• Classe → Vertebrati
• Ordine → Mammiferi
• Famiglia → Canidi
• Genere → Canis
• Specie → Lupus

Differenza tra genoma eucariote e procariote

Qual è la differenza fra il genoma di un eucariote e quello di un procariote?

Il genoma dei procarioti è circolare. Questo significa che non si può arrotolare come si vuole, altrimenti si romperebbe. Il genoma degli eucarioti invece è lineare, e nel caso in cui un lato venisse arrotolato, l’altro lato si srotolerebbe → si può arrotolare come si vuole, a proprio piacimento.

Concetto di specie

Le specie → sono un gruppo o popolazione di individui che si riproducono liberamente ed danno origine ad una prole fertile. Il lupo e il cane sono della stessa specie, anche il maiale e il cinghiale. L’asino e il cavallo invece non sono della stessa specie, poiché riproducendosi non danno prole fertile.

La differenza fondamentale fra individui della stessa specie sta nella sottospecie:

Esempio → Lupo: canis lupus lupus Cane: canis lupus domesticus

La diversità biologica è riconducibile a questa classificazione. Le specie sono entità dinamiche.

PCR e speciazione

PCR → serve per differenziare le specie di animali. È un’amplificazione esponenziale delle sequenze di DNA. Andando a riscaldare il DNA, questo si spaia → le due coppie eliche si aprono. Vengono inseriti i primer e la DNA polimerasi che parte con la duplicazione. Questo è un moto per poter duplicare quante volte si vuole il filamento di DNA, semplicemente scaldandolo.

Modalità di speciazione

Com’è possibile che da una specie se ne crei un’altra?

Si chiama modalità di speciazione: è il meccanismo con cui le specie si evolvono e cambiano. Il meccanismo fondamentale, forse il più importante → mutazioni.

Evoluzione di Darwin

Dell’evoluzione di Darwin → teoria durante un viaggio alle Galapagos, Darwin vide dei fringuelli che avevano delle caratteristiche in comune: avevano tratti simili, ma con becchi diversi. Darwin allora ipotizzò che questi uccelli potessero avere un antenato in comune.

Formazione di nuove specie

Una specie si forma da un’altra quando fra due specie si crea un isolamento riproduttivo → si crea una barriera fra due popolazioni che non possono dividersi → le mutazioni continuano, così come la produzione di nuovi alleli, ma si arriva al punto in cui non avviene più la riproduzione biologica (tutto ciò nell’arco di migliaia di anni). Nel caso in cui si riproducono, non generano prole fertile.

Modi di speciazione

La speciazione avviene in molti modi, ma due sono i più importanti:

1. Allopatrica → l’isolamento si forma per mancanza di contatto fisico fra le popolazioni
2. Simpatrica → si basa sui comportamenti

Speciazione e variabilità genetica

Se la variabilità genetica è alta, significa che ci sono molti alleli da poter usare. Prendendo in esempio i fringuelli delle Galapagos, gli individui di questa specie erano cresciuti fino al punto in cui le risorse scarseggiano. Ad esempio, iniziavano a mancare gli insetti. Se fra di loro c’erano uccelli con alleli che davano un becco più grande, questi iniziarono a mangiare semi, continuando così la variabilità genetica. Al contrario, coloro che avevano il becco più piccolo e potevano mangiare solo insetti, diminuirono drasticamente di numero. In questo caso non avvenne una competizione.

Ulteriori modalità di speciazione

Esiste un’ulteriore speciazione, chiamata parapatrica → è una via di mezzo fra le due sovrastanti, dove si ha un parziale cambiamento climatico, ambientale e un parziale cambiamento di comportamento.

k → Capacità portante → è la massima sostenibilità per quell’ambiente.

La competizione che nasce fra individui della stessa specie si definisce intra-specifico.

Deriva genetica

Deriva genetica → diminuzione rapida del numero di alleli. Se si riducono drasticamente il numero di individui di una popolazione, significa che diminuiscono anche il numero di alleli, portando quindi i discendenti a generare prole ampia ma con meno alleli.

Esempio → ghepardo africano: circa 40 mila anni fa fu vittima di un’inspiegabile deriva genetica → questo significa che il ghepardo africano può accettare trapianti da un qualsiasi altro ghepardo, perché si assomigliano tutti fra loro.

Fisiologia animale

Gli animali sono fatti da cellule → le cellule sono l’entità minima capaci di una vita autonoma. La cellula, così come ogni altro essere vivente, ha come scopo quello di produrre il maggior numero di copie di se stessa. Per fare ciò però hanno bisogno di nutrimento, preso attraverso la respirazione.

La piramide alimentare ci dice che l’energia prodotta viene consumata in maniera consequenziale e decrescente perché gli animali in alto hanno meno energia di quelli in basso. Alla sommità il numero diminuisce perché il numero di risorse è minore.

“Sulla stessa collina non possono stare due tigri”

Respirazione negli animali

Per poter respirare, gli esseri viventi animali utilizzano il carbonio organicato dagli organismi autotrofi, che consentono loro di produrre ATP → la molecola fondamentale per dare energia.

L’ATP è un metabolita (come il GTP), dove molta energia viene usata per scindere l’ATP in ADP, da utilizzare poi nella respirazione aerobica (svolta dai mitocondri nel Ciclo di Krebs → tecnica presa dai batteri) → la combustione avviene attraverso dei passaggi: il Carbonio brucia per poter produrre molecole di ATP. Tutto avviene grazie all’enzima ATP sintasi → motore molecolare che gira usando dei protoni, che passano dalla membrana esterna a quella interna → ogni protone che passa induce un cambiamento al motore.

L’ATP per prodursi ha bisogno di:

• Carboidrati (nutrimento, contenuto nei consumatori vegetali in forma di amido o zucchero)
• Ossigeno (respirare)

Tutti gli organismi aerobi sono obbligatoriamente adattati ad assimilare ossigeno per bruciare cibo.

Proprietà fondamentali dell'acqua

Nelle condizioni chimico-fisiche della Terra, l’acqua è un fluido perfetto.

• Le molecole d’acqua sono adesive → forma sulla superficie di un recipiente e ai bordi un menisco → nell’interfaccia aria-acqua forma una pellicola → tensione superficiale. Dalla tensione superficiale deriva la capillarità → capacità dell’acqua di risalire attraverso capillari. (es. acqua nelle piante o insetti che possono camminare sull’acqua grazie a delle appendici → come l’Idrometra)
• È un solvente molto forte; aiuta a sciogliere i soluti (l’acqua distillata riesce a portare in soluzione la silice del vetro)
• Con il cambiare della temperatura, l’acqua cambia la sua densità → i liquidi quando sono riscaldati sono meno densi mentre quando diminuisce la temperatura la densità aumenta (vetro → è un liquido che a temperatura ambiente è solido). Se l’acqua viene portata sotto i 2 gradi, la sua densità diminuisce → il ghiaccio galleggia sull’acqua. Il ghiaccio è un ottimo isolante termico.
• L’acqua fredda ha più ossigeno di quella calda → consente all’ossigeno di arrivare al fondo dei grandi mari o laghi. (es. Antartide → motore biologico della fauna; è ricco di ossigeno e alimenta le specie in mare).

Sistemi respiratori

Come respirano gli animali?

La respirazione dipende da dove si trovano in acqua oppure sulla terra ferma. (Nel mare la presenza di Ossigeno è pari a 10 ppm mentre sulla terra è uguale al 16%)

Respirazione in acqua

Se gli animali sono molto piccoli, hanno quindi una superficie maggiore, scambiano gas attraverso la superficie. Gli animali rimanenti invece possiedono le branchie.

Respirazione sulla terra

Gli animali che vivono in ambienti umidi scambiano Ossigeno con l'esterno (es. i lombrichi, scambiano acqua con l'ossigeno) altrimenti i rimanenti animali hanno i polmoni. A eccezione degli insetti che respirano attraverso tubature interne chiamate trachee.

Trasporto di ossigeno alle cellule

Come arriva l'ossigeno attraverso le cellule?

• Per diffusione (es. meduse)
• Scambi gassosi
• Branchie → se l'animale ha grandi dimensioni, c'è bisogno di un sistema di tubature che porta ossigeno all'interno del corpo.

Può essere trasportato in 2 modi:

• Ferro (Fe) → emoglobina → è formata da beta globine; porta un gruppo EME che può legare Ferro. Si forma un legame di coordinazione fra il Ferro dell'emoglobina e l'ossigeno. La distanza fra il Fe e l'acqua dove si scioglie l'ossigeno è di pochi micron: l'ossigeno è quasi costretto a legarsi al Fe dell'emoglobina → nelle cellule che hanno bisogno di più ossigeno, c'è una concentrazione minore rispetto all'estero e quindi tende ad entrare.
• Rame (Cu) → emocianina → è diversa dalle molecole di EME anche se il principio è lo stesso. Si formano sempre dei legami di coordinazione con l'ossigeno.

Questi due elementi sono in grado di legare ossigeno e lo possono rilasciare. L'apparato respiratorio è fatto in modo da aumentare la superficie dei polmoni per poter scambiare più gas possibile.

Branchie e polmoni

• Branchie = scambiano ossigeno (legato dell'emoglobina e va nelle cellule) attraverso un gradiente da maggior concentrazione a minor concentrazione.
• Polmoni = Scambiano ossigeno negli alveoli polmonari dove c'è un velo di acqua. I muscoli respiratori aiutano lo scambio, aumentando la pressione parziale di ossigeno nei polmoni, facendo in modo che ci sia maggior quantità di ossigeno disciolto nell'acqua dei polmoni. (es. polmone della lumaca → ha un foro, l'aria entra nel foro, poi si chiude e questo spinge l'ossigeno a entrare nei polmoni). In tutti i polmoni ci sono tanti vasi sanguigni, per fare circolare velocemente il sangue e l'ossigeno.

*Polmoni a libro → nei ragni e negli scorpioni (c'è tanta superficie)

Negli esapodi (insetti) = trachee (fatte di chilina).

Imuli polifemici

Imuli polifemici = Sono animali simili ai ragni. Hanno sangue blu. Hanno rame invece che Ferro. Il loro sangue serve per vedere se nell'acqua c'è la presenza di LPS (lipopolisaccaride) prodotto dai batteri Gram negativi.

Procedimento di verifica presenza LPS

Procedimento: si prende il sangue, si aggiunge il liquido, si aspetta 5 minuti poi si gira la provetta: se rimane liquido non c'è LPS, mentre se coagula c'è.