Fisioterapia e professioni sanitarie - Appunti di biologia

BIOLOGIA APPLICATA

EVOLUZIONE

“Niente ha senso in biologia se non alla luce dell’evoluzione” (Theodosius Dobzhansky).

- L’evoluzione rappresenta una differenziazione a partire da un organismo originario dai caratteri molto

semplici. La differenziazione si ha grazie a delle mutazioni che singolarmente risultano poco significative,

ma accumulandosi possono portare alla comparsa di caratteristiche nuove, prima non esistenti.

- L’evoluzione è resa possibile:

• •

dalla pressione della selezione naturale; dalla deriva genetica (casuale).

- L'effetto dell’evoluzione è la comparsa di nuove specie.

STORIA DELLA TERRA FINO ALLA NASCITA DELL’UOMO

La vita geologica della Terra si svolge in un arco temporale molto lungo: circa 4,7 miliardi di anni ovvero un

terzo dell'età dell'universo.

• 13,7 miliardi di anni fa -> BIG BANG.

• 4,7 miliardi di anni fa -> La formazione della Terra e del SISTEMA SOLARE ha origine dalla contrazione

della nebulosa di polvere interstellare prodotta dal Big Bang.

› Inizialmente allo stato fuso, la terra si differenzia in strati:

§ nucleo interno di elementi pesanti;

§ mantello;

§ proto-crosta formati da elementi leggeri.

• 4,5 miliardi di anni fa -> Si forma la LUNA, probabilmente a causa di un impatto tra la Terra ed un

planetoide in formazione delle dimensioni simili a quelle di Marte.

› A seguito di tale impatto la Terra si raffredda progressivamente e acquisisce una crosta solida in cui

prendono forma i primi continenti.

• 4 miliardi di anni fa -> Formazione della CROSTA TERRESTRE e degli OCEANI.

› A partire da questo momento, la Terra resta inospitale per 500 milioni di anni.

› Un continuo bombardamento di meteoriti e comete di ghiaccio rifornisce la Terra di un'enorme quantità

di acqua che crea gli oceani, mentre l'attività vulcanica ed il vapore acqueo creano una

primitiva ATMOSFERA, inizialmente priva di ossigeno.

• 3,5 miliardi di anni fa -> CREAZIONE DELLA VITA.

› La presenza di un ambiente fortemente riducente (ricco di azoto) e di radiazioni ultraviolette, favorisce la

genesi di reazioni chimiche che portano alla formazione di piccole molecole organiche. Quest’ultime

interagiscono tra loro per formare molecole più complesse, in grado di produrre diverse copie di sé stesse.

› La vita ha origine da organismi monocellulari -> solo in seguito si verifica il fenomeno della

pluricellularità.

› OSSIGENAZIONE

I cianobatteri sono un importantissimo gruppo di batteri presente sulla Terra da ben 3 miliardi di anni.

Sono batteri in grado di svolgere il processo della fotosintesi. La fotosintesi consiste in un insieme di

reazioni che portano, fra le altre cose, alla produzione di ossigeno molecolare. La concentrazione di tale

gas inizia per cui ad aumentare, dapprima in acqua e poi in aria. La Terra diventa così un ambiente sempre

più ospitale.

• 2 miliardi di anni fa -> Comparsa degli EUCARIOTI.

› La vita sulla Terra sembra essersi limitata alle cellule procariotiche fino a circa 2 miliardi di anni fa.

› Le forme di vita si differenziano in molte specie diverse e divengono sempre più avanzate (utilizzo

dell’ossigeno in un ciclo metabolico per formare energia), colonizzando la terraferma e occupando

gradualmente tutti gli habitat della Terra.

• 1,5 miliardi di anni fa -> Comparsa dei primi organismi PLURICELLULARI

› Occorre distinguere:

§ Multicellularità semplice (1,5 mrd anni fa): piccoli aggregati di cellule poco differenziate.

§ Multicellularità complessa (solo 500 mln anni fa): piante, funghi e animali.

• 230 - 65 milioni di anni fa -> compaiono i DINOSAURI (non si sono estinti: sono gli uccelli di oggi).

› Il destino a cui una specie va incontro con più probabilità è quello dell’ESTINZIONE. È interessante

osservare che la vita media di una specie è di circa 100 milioni di anni e che la storia dell’uomo, se

confrontata con tale scala temporale, appare ancora molto recente. Se consideriamo tutti i pericoli e i

cambiamenti climatici che si stanno verificano negli ultimi decenni allora possiamo osservare che

rischiamo l’estinzione ben prima del tempo medio.

BIOLOGIA APPLICATA

Ominazione = Evoluzione dell’uomo

- Per evoluzione umana, antropogenesi o ominazione si intende il processo di origine ed evoluzione

dell’Homo sapiens come specie distinta e la sua diffusione sulla Terra.

• 5-6 milioni di anni fa -> Il processo evolutivo si ha a partire dallo SCIMPANZÈ, specie vivente

evolutivamente affine all'uomo, nel Rift africano (Etiopia).

› Si verifica un cambiamento nella specie originale causato dal clima -> meno alberi e più zone deserte.

à

› Perdita di alcune caratteristiche tipo la coda Australopiteco.

• 2,4 milioni di anni fa -> dal genere Australopithecus si differenzia il genere Homo.

› La prima specie del genere Homo conosciuta

è l'Homo habilis -> ritenuto uomo per le sue

abilità manuali: utilizzava infatti strumenti

rudimentali per la caccia.

› Un salto evolutivo arriva con Homo erectus,

così chiamato perché si riteneva erroneamente

che fosse stata la prima specie ad assumere la

posizione eretta.

• Fra 1,8 e 1,3 milioni di anni fa -> Homo

erectus si è diffuso in tutto il mondo (fenomeno

chiamato Out of Africa I), creando anche specie

locali come l'Uomo di Neanderthal in Europa.

• Circa 200.000 anni fa -> L'uomo moderno

(Homo sapiens sapiens) ha ricalcato queste

orme, sviluppandosi in Africa e

successivamente, 100.000 anni fa, emigrando

anch'esso nei vari continenti (Out-of-Africa 2) e

ibridandosi con specie anatomicamente

arcaiche: Denisoviani in Asia e Neanderthal in

Europa. L’uomo riesce addirittura a

raggiungere l’America passando per l’Asia.

› L’ibridazione è comunissima fra specie affini

e l’uomo non ha fatto eccezione.

- Nomadismo, migrazione e ibridazione sono

aspetti costanti della biologia della nostra specie.

BIOLOGIA APPLICATA

ORIGINE DELLA VITA

Come arriva la vita sulla terra? Non c’è una risposta definitiva.

- Per lungo tempo si pensò che la vita (soprattutto quella microbica) potesse nascere spontaneamente (tesi

della generazione spontanea).

- Fu solo con gli esperimenti di Redi (1600), Spallanzani (1700) e infine Pasteur (1800) che l’idea della

generazione spontanea fu abbandonata e si arrivò a riconoscere la continuità della vita: solo da un essere

vivente può avere origine un altro essere vivente.

- Attualmente esistono due teorie sull’origine della vita sulla Terra:

• Le molecole biologiche sono arrivate sulla Terra all’interno di asteroidi.

• La vita è il risultato di un’evoluzione chimica avvenuta sul nostro pianeta.

- Analizzeremo ora solo la seconda teoria nonostante la prima non sia stata ancora definitivamente confutata.

Nascita delle macromolecole più complesse

- à

Possibile scenario Teoria del “BRODO PRIMORDIALE” di JBS Haldane e AI Oparin: aminoacidi,

basi azotate e altre molecole cellulari si producono spontaneamente nelle condizioni della Terra primordiale

- Il brodo primordiale è un ipotetico ambiente originale in cui si pensa possano essere avvenuti gli eventi

chimico-fisici che avrebbero poi dato origine alla vita sulla terra.

› Dal punto di vista chimico il brodo primordiale è una miscela acquosa di sali inorganici e vari composti

chimici semplici a base di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, sia di natura organica sia di

natura inorganica.

Nascita delle proto-cellule

- ABIOGENESI -> è il processo naturale con il quale

la vita si origina a partire dalla materia non vivente.

Mondo a RNA

- Un Pre-RNA è una molecola con caratteristiche

intermedie tra una proteina e un acido nucleico.

› Fin dall’inizio c’è stata dunque una situazione di

tipo MUTUALISTICO tra proteine e acidi nucleici.

- Molecole di pre-RNA, o di un acido nucleico simile,

capaci di autoreplicarsi, sarebbero state catturate da

vescicole lipidiche capaci di prodursi e dividersi

spontaneamente.

- Tali sistemi di RNA e vescicole lipidiche avrebbero

poi imparato a captare e polimerizzare aminoacidi

(proteine).

› Le proteine avrebbero dapprima cooperato con

l’RNA e poi l’avrebbero sostituito come enzimi.

- Infine, il DNA si sostituisce all’RNA come materiale

genetico.

- La teoria può trovare dimostrazione nei RIBOZIMI (termine composto da acido ribonucleico ed enzima),

anche noti come enzimi a RNA o RNA catalitici.

› Il ribozima è una molecola di RNA in grado di catalizzare una reazione chimica similmente agli enzimi.

à

Esempio clamoroso ribosomi.

- Molte componenti delle cellule attuali sono enzimi a RNA, o ribozimi, e alcuni svolgono funzioni essenziali:

• • •

introni auto-catalitici Ribosomi Complessi di splicing

• • •

ribozimi Hammerhead RNAasi P …

› Il ribosoma, la RNAasi P e i complessi di splicing sono in realtà complessi di RNA catalitici e proteine.

BIOLOGIA APPLICATA

Verifiche alla teoria del brodo primordiale

Esperimento di MILLER-UREY (1953)

- Il concetto del “brodo primordiale” di JBS Haldane e AI Oparin fu testato da Miller 60 anni fa, e

successivamente da altri.

- L’esperimento di Miller-Urey dimostra che le condizioni primordiali della terra (ambiente riducente e

radiazioni ultraviolette) avrebbero favorito l’avvenimento di reazioni chimiche in grado di costruire i

MATTONI DELLA VITA (molecole alla base della vita).

› Per compiere questo esperimento Miller ricreò determinate condizioni ambientali che si pensava fossero

presenti nella Terra primordiale. Partì dal presupposto che in quell'atmosfera non ci fosse ossigeno libero,

quanto piuttosto abbondasse idrogeno (H ), l'elemento più diffuso nell'universo, e altri gas quali metano

2

(CH ) e ammoniaca (NH ), oltre ad acqua (H O). Con queste condizioni ed in presenza di una fonte di

4 3 2

energia, come i fulmini o la radiazione solare, si sarebbero potute originare molecole più complesse.

› Per l'esperimento Miller e il suo professore si servirono dei gas elencati precedentemente contenuti in un

sistema sterile costituito da due sfere contenenti l'una acqua allo stato liquido e l'altra due elettrodi, collegate

tra loro da un sistema di tubi sigillati. L'acqua veniva scaldata per indurre la formazione di vapore acqueo

mentre i due elettrodi venivano utilizzati per fornire scariche elettriche che simulavano fulmini in presenza

di quella miscela gassosa. Il tutto veniva poi raffreddato cosicché l'acqua potesse ricondensare e ricadere

nella prima sfera per ripetere il ciclo.

› Dopo circa una settimana ininterrotta in cui le condizioni erano mantenute costanti, Miller osservò che circa

il 15% del carbonio era andato a formare composti organici, tra cui alcuni amminoacidi ed altri potenziali

costituenti biologici.

Altri esperimenti in laboratorio

- Altri esperimenti dimostrarono che:

• RNA autoreplicanti possono essere selezionati e fatti evolvere in provetta;

• In provetta, vescicole lipidiche (a doppio strato) sono capaci di:

§ Intrappolare stabilmente RNA

§ Crescere spontaneamente per assimilazione di altre molecole lipidiche

§ Dividersi in vescicole figlie per effetto dell’agitazione, senza perdita dell’RNA incapsulato

TEORIA CELLULARE

- Biologia -> scienza che studia gli esseri viventi.

- Non è possibile dare una definizione unitaria di vita ma solo identificare caratteristiche comuni che

distinguono gli esseri viventi dagli oggetti inanimati.

- Le principali caratteristiche che distinguono gli esseri viventi sono le seguenti.

• Gli esseri viventi possiedono vari livelli di organizzazione.

› La differenza principale tra organismi primitivi, più semplici, e organismi evoluti, più complessi,

dipende dal grado di organizzazione raggiunto.

• Gli esseri viventi sono in grado di costruire strutture molecolari ordinate partendo da materiali disordinati

(diminuiscono l’entropia interna a spese dell’ambiente).

› Gli esseri viventi contribuiscono per cui all’aumento di entropia nel sistema isolato dell’universo (2°

principio della termodinamica). BIOLOGIA APPLICATA

• Gli esseri viventi scambiano materia ed energia con l’ambiente e mantengono un’energia interna (1°

principio della termodinamica).

• L’informazione necessaria perché una cellula o un organismo possano sintetizzare le proprie molecole,

svolgere funzioni complesse, riprodursi, accrescersi e svilupparsi in modo ordinato, mantenere costante

l’ambiente interno e così via è contenuta totalmente nelle cellule stesse.

• Ogni essere vivente è un sistema omeostatico.

› In altre parole, ogni essere vivente è capace, entro certi limiti, di mantenere la propria coerenza interna,

cioè di rimanere sostanzialmente identico a sé stesso anche al variare delle condizioni chimiche o fisiche

dell’ambiente in cui si trova.

• Gli esseri viventi sono caratterizzati da irritabilità. Rispondono cioè a perturbazioni della condizione di

omeostasi attivando meccanismi regolatori volti a ripristinare lo stato di equilibrio alterato.

• Gli esseri viventi sono capaci di riproduzione, crescita e sviluppo.

• Gli esseri viventi sono capaci di evoluzione -> organismi non identici (variabilità).

• Gli esseri viventi si adattano all’ambiente in cui vivono. Anche l’evoluzione è trainata dalla necessità di

ogni forma vivente di essere quanto più possibile idonea alle condizioni dell’ambiente in cui vive.

I passi dell’osservazione cellulare…

- Le cellule furono scoperte da Hooke che le osservò al microscopio nel 17° secolo.

› Hooke non comprese però l’importanza della sua osservazione, ovvero non capì che stava osservando le

unità elementari che compongono ogni essere vivente.

Teoria cellulare

- La teoria cellulare fu elaborata nel 19° secolo da Theodor Schwann e Matthias Schleiden.

› Il mondo dei viventi è caratterizzato da un’unitarietà strutturale ovvero tutti gli esseri viventi (terrestri,

attuali o passati) sono formati da una o più cellule.

› Tutte le cellule hanno alcune caratteristiche costanti:

• Membrana plasmatica -> formata da molecole di lipidi (grassi)

• DNA come materiale genetico

• Citoplasma

• Ribosomi -> per la sintesi delle proteine

› Successivamente il patologo tedesco Rudolf Virchow affermò che:

à “ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente”.

DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

- Le conoscenze sulla struttura e sulla funzione di acidi

nucleici hanno permesso di individuare una sostanziale

unidirezionalità del flusso dell’informazione dal DNA alle

proteine.

- Tali conoscenze, nel 1958, portarono Francis Crick a

formulare il dogma centrale della biologia molecolare, che

stabilisce che l’informazione genetica passa dal DNA,

capace di autoreplicazione, all’RNA e da questo alle

proteine. - Tutti gli organismi seguono per cui meccanismi comuni

basati su:

• DNA come magazzino di informazioni (il genoma)

• RNA e proteine per trasferire queste informazioni ed

eseguirle per il funzionamento della singola cellula o di

un organismo multicellulare complesso.

BIOLOGIA APPLICATA

REGNI DEGLI ESSERI VIVENTI

- Tutti gli organismi derivano da un progenitore comune (LUCA: Last Universal Common Ancestor), che era

presente sulla Terra circa 3,5 miliardi di anni fa.

- Da questo antenato comune si sviluppano i tre domini (ARCHAEABATTERI, EUBATTERI (procarioti) e

EUCARIOTI).

› La classificazione degli organismi viventi in tre domini deriva dalla suddivisione di Carl Woese ed è in

contrapposizione a quella di Whittaker. Quest’ultima prevede infatti la classificazione degli organismi

viventi in 5 regni: BATTERI, PROTISTI, PIANTE, FUNGHI, ANIMALI).

- In generale possiamo distinguere complessivamente 6 regni:

• • •

Archaea Protisti Funghi

• • •

Eubacteria Piante Animali

- I criteri di classificazione che permettono di assegnare gli organismi viventi a un dato regno sono:

• Presenza/assenza di nucleo (eucarioti o procarioti)

• Una cellula o più cellule (unicellulari o pluricellulari)

• Capacità o meno di sintetizzare molecole organiche a partire da composti inorganici procurandosi energia:

à

› autotrofi fototrofi (energia da luce solare) o chemiotrofi (energia da ossidazione di sostanze

chimiche) à

› eterotrofi non sono in grado di provvedere autonomamente al loro sostentamento.

• Capacità di vivere in presenza/assenza di ossigeno (aerobi o anaerobi)

PROCARIOTI

- Il regno dei procarioti consiste in un raggruppamento parafiletico.

› Con il termine parafiletico si intende un gruppo sistematico avente un antenato comune ma che non

comprende tutte le specie discendenti da tale antenato.

- I procarioti si suddividono in due domini: gli Archaebatteri e gli Eubatteri.

Caratteristiche

• Unicellulari o multicellulari semplici

• Mancano di organelli citoplasmatici (ad eccezione dei ribosomi)

• La maggior parte sono eterotrofi ma esistono anche procarioti autotrofi (Cianobatteri).

BIOLOGIA APPLICATA

1. EUBATTERI

• Non presentano una compartimentalizzazione interna.

• L’involucro cellulare è costituito dalla sovrapposizione di più

strati che sono la membrana plasmatica, la parete batterica e

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