Riassunto esame Biologia generale con laboratorio, Prof. Ferrandino Ida, libro consigliato Principi di biologia, David Sadava, David M.Hillis, H.Craig Heller e Sally Hacker

Capitolo 1

La biologia

La biologia è lo studio scientifico degli organismi, sia ancora in vita sia dopo la morte, con l’obiettivo di scoprire e comprendere la diversità e i processi complessi che formano la vita. La vita sul nostro pianeta è piuttosto diversificata, eppure tutte le sue varie forme presentano caratteristiche comuni.

Com’è possibile che tutti gli organismi siano arrivati ad avere questi fattori in comune? Se la vita avesse origini multiple, allora non potremmo aspettarci di trovare somiglianze così marcate nella composizione chimica, nella struttura cellulare, nelle funzioni cellulari e nei codici genetici. Queste caratteristiche comuni portano alla conclusione logica che tutte le forme di vita hanno un antenato comune e che i diversi organismi oggi viventi discendono tutti da un’unica forma. Tutte le evidenze portano ad un’origine della vita in comune sul nostro pianeta, circa 4 miliardi di anni fa.

La vita

La Terra si è formata tra i 4,6 e 4,5 miliardi di anni fa, ma in origine non era un posto molto ospitale per la vita. Il raffreddamento della Terra, la formazione di acqua in superficie e l’evoluzione delle prime forme di vita impiegarono circa 600 milioni di anni per verificarsi. Il passaggio critico per l’evoluzione della vita fu la comparsa degli acidi nucleici, grosse molecole con forme complesse ma stabili che possono riprodursi.

Un altro passaggio importante nella storia della vita si verificò quando le proteine complesse e altre molecole biologiche vennero racchiuse da membrane che le confinavano in un ambiente interno compatto, separato dall’ambiente circostante (esterno). Alcune molecole, chiamate acidi grassi, svolsero un ruolo decisivo nell’evoluzione della membrana, perché non sono solubili in acqua. In modo simile, gli acidi grassi formano pellicole membranose sulla superficie dell’acqua. Quando queste pellicole vengono agitate, possono formare strutture sferiche chiamate liposomi. Tali strutture sono ora utilizzate per trasportare i farmaci fino alle cellule.

La creazione di un ambiente separato in cui si concentravano i reagenti prodotti delle reazioni chimiche portò alla creazione delle prime cellule capaci di riprodursi, e dunque l’evoluzione dei primi organismi cellulari. Nei primi miliardi di anni della vita cellulare, tutti gli organismi esistenti erano unicellulari ed erano racchiusi da una membrana esterna. Questi organismi, come i batteri che ancora oggi sono abbondanti nel nostro corpo, dentro il nostro corpo e tutt'intorno a noi, sono chiamati procarioti. Due gruppi di procarioti separarono le loro strade nei primi tempi della storia della vita: i batteri e gli archea.

Il terzo grande ramo della vita sulla Terra, gli eucarioti, nacque miliardi di anni dopo a partire da un gruppo di archei. Oltre alle membrane esterne, le cellule degli eucarioti possiedono delle membrane interne che racchiudono compartimenti specializzati chiamati organuli. L’organulo che dà agli eucarioti il loro nome è il nucleo, ovvero l’organello che contiene l’informazione genetica della cellula. Infatti, la parola greca "eukaryiota" deriva da due parole greche che potremmo tradurre con “nucleo buono”.

Come hanno fatto gli eucarioti a discendere dai procarioti? Ripiegamenti interni della membrana cellulare dei procarioti potrebbero aver formato gli organelli, che isolarono le funzioni cellulari una dall’altra, dando luogo ad una maggiore integrazione o efficienza delle funzioni cellulari. Organismi monocellulari furono l’unica forma di vita per più della metà della storia. Ad un certo punto, però, le cellule di alcuni eucarioti non riuscirono a separarsi dopo la divisione cellulare, rimanendo attaccate l’una all’altra. L’aggregarsi di queste colonie di cellule permise ad alcune delle cellule associate di specializzarsi in certe funzioni, come la riproduzione. Questa specializzazione cellulare consentì agli eucarioti pluricellulari di diventare più grandi ed efficaci nel raccogliere le risorse e nell’adattarsi ad ambienti specifici.

Fotosintesi

I procarioti primordiali soddisfacevano i loro bisogni inglobando piccole molecole direttamente dall’ambiente. Circa 2,5 miliardi di anni fa, la comparsa della fotosintesi cambiò la natura della vita sulla Terra. La fotosintesi trasforma l’energia della luce solare in una forma di energia chimica. Durante i primi anni della vita procariota, non c’era O₂ (molecola biatomica dell’ossigeno) nell’atmosfera terrestre. L’ossigeno atmosferico aprì nuove grandi strade all’evoluzione, perché il metabolismo aerobico, un processo biochimico che si serve di O₂ per estrarre energia dalle molecole delle sostanze nutritive, è di gran lunga più efficiente del metabolismo anaerobico.

L'informazione biologica

Prima che la biologia fosse una vera e propria scienza, gli uomini si erano resi conto che la prole somigliava ai genitori. Eppure, si dovettero aspettare i famosi esperimenti sulle piante del monaco austriaco Gregor Mendel a metà del XIX secolo per la dimostrazione sui caratteri ereditari in unità discrete. Tali unità discrete per l’ereditarietà vennero chiamati geni all’inizio del XX secolo, dando vita alla nascita della scienza detta genetica. A metà del XX secolo si scoprì che la molecola dell’acido deossiribonucleico, DNA, costituisce l’informazione genetica che specifica quale aspetto dovrà assumere e come funzionerà un organismo. L’insieme di tutti i geni di un organismo è il genoma. Le molecole di DNA sono lunghe sequenze di quattro sotto unità differenti chiamate nucleotidi. I geni sono specifici segmenti di DNA che codificano l’informazione che la cellula usa per creare aminoacidi e assemblarli a formare proteine. Quindi ciascun gene è definito da una specifica sequenza dei quattro nucleotidi. Il codice genetico chiarisce come le sequenze di nucleotidi vengono tradotte in sequenze di aminoacidi. Questo processo di traduzione prevede una prima fase di trascrizione di parte dell’informazione DNA di un gene nella sua struttura di un’altra molecola ancora più piccola, detta acido ribonucleico (RNA).

Anche se le cellule di un organismo pluricellulare contengono sostanzialmente lo stesso genoma, esistono vari tipi di cellule che sintetizzano strutture diverse e svolgono funzioni diverse. Di conseguenza, tipi diversi di cellule devono esprimere parti diverse del genoma. Il genoma di un organismo è costituito da migliaia di geni. Quando vengono prodotte nuove cellule, l’intero genoma deve essere replicato. Tuttavia, il processo non è perfetto: ogni volta che il genoma viene replicato è probabile che si verifichino alcuni errori, conosciuti come mutazioni. Le mutazioni avvengono spontaneamente, oppure possono essere indotte da fattori esterni.

Popolazione ed evoluzione

Una popolazione è un gruppo di individui dello stesso tipo di un organismo che si incrociano tra loro. Il processo dell’evoluzione produce cambiamenti nel corredo genetico delle popolazioni biologiche nel corso del tempo. L’evoluzione è uno dei più importanti principi della biologia. Charles Darwin raccolse le prove fattuali dell’evoluzione nel suo libro Sull'origine della specie del 1859. Darwin sostenne che le differenze fra gli individui di una popolazione potessero spiegare la maggior parte dell’evoluzione della biodiversità.

Darwin allevava piccioni e sapeva di poter far nascere piccioni di colorazioni, di piumaggio o forme della coda differenti, grazie a specifici accoppiamenti. Egli capì che se l’uomo poteva selezionare tratti specifici in piante coltivate e animali allevati, allora lo stesso processo poteva avvenire in natura; da qui il termine di selezione naturale in contrapposizione con la selezione artificiale (imposta dall’uomo). Poiché gli organismi con certi tratti sopravvivono e si riproducono al meglio in determinate condizioni, la selezione naturale porta agli adattamenti, cioè caratteristiche strutturali, fisiologiche o comportamentali che aumentano la possibilità di sopravvivenza e riproduzione di un organismo nel suo ambiente.

Per identificare, analizzare e quantificare le somiglianze e differenze tra le specie, i biologi possono costruire degli alberi filogenetici che riepilogano graficamente le storie evolutive dei diversi gruppi di organismi. Attualmente sulla Terra esistono decine di milioni di specie, altrettante specie sono vissute e si sono estinte più volte in passato. I biologi danno a ognuna di esse un nome scientifico distintivo formato da due nomi latinizzati (nomenclatura binomia). Il primo nome indica il genere, il secondo invece indica il nome della specie all’interno dello stesso genere, per esempio, il nome scientifico della specie umana è Homo sapiens: Homo è il nostro genere, sapiens la nostra specie.

Specializzazione e diversificazione

Le cellule di un organismo pluricellulare possono avere diverse evoluzioni. Gruppi di cellule simili possono svilupparsi insieme in tessuti che svolgono compiti impossibili da eseguire per una singola cellula. Per esempio, le cellule muscolari sviluppano dei meccanismi cellulari per generare forza. Una singola cellula muscolare non è in grado di produrre molta forza, ma numerose cellule di un tessuto muscolare possono lavorare insieme per generare una forza considerevole, lavorando anche con tessuti strutturali come le ossa riescono a produrre ampi movimenti. I diversi tipi di tessuti sono organizzati a formare organi che compiono funzioni specifiche. Gli organi le cui funzioni sono correlate si raggruppano in apparati e sistemi di organi.

Le numerose reazioni biochimiche che hanno luogo nelle cellule sono legate le une alle altre perché i prodotti di una reazione vanno a costituire materiali di partenza per quella successiva. Questa complessa rete di reazioni deve essere integrata e accuratamente controllata; quando ciò non si verifica, ne conseguono disfunzioni e malattie.

Organismi viventi e il loro ambiente interno

Tutte le cellule del corpo condividono un ambiente interno costituito dai fluidi extracellulari. Le cellule ricavano il loro nutrimento da questi liquidi extracellulari. Questo ambiente interno soddisfa i bisogni di tutte le cellule del corpo, e quindi la sua composizione chimico-fisica deve essere mantenuta all’interno di uno spettro limitato di condizioni fisiologiche che sostengono sopravvivenza e funzionalità. Il mantenimento di questa ristretta gamma di condizioni è noto come omeostasi.

L’omeostasi richiede che le attività delle cellule e dei sistemi del corpo vengano regolate. Questa regolazione necessita di informazioni sulle condizioni interne ed esterne e su cosa sia ottimale. Pertanto, gli organismi devono avere dei meccanismi sensoriali per monitorare le varie condizioni, meccanismi effettuatori per agire su queste condizioni, meccanismi di segnalazione per integrare le informazioni e abilitare la comunicazione tra i sensori ed effettuatori.

Interazione tra gli organismi viventi

Le popolazioni di tutte le specie che vivono interagiscono in una determinata zona si definisce una comunità. Insieme al loro ambiente abiotico, o fisico, le comunità formano un ecosistema. Nell’ambito di un ecosistema, individui possono interagire in tanti modi diversi. Gli animali mangiano le piante e altri animali, e competono con altre specie per il cibo e per altre risorse. Alcuni animali impediscono ad altri individui della loro stessa specie di usufruire di una risorsa.

Anche le piante interagiscono con il loro ambiente esterno biotico e abiotico. Le piante terrestri dipendono da associazioni con funghi, batteri e animali; alcune di queste relazioni sono necessarie per procurare il nutrimento. Le piante competono tra loro per la luce e l’acqua e interagiscono costantemente, dal punto di vista evolutivo, con gli animali che le mangiano.

I principali ecosistemi della Terra sono i biomi (barriera corallina e la foresta tropicale). Tutti i biomi sul nostro pianeta compongono la biosfera.

Il metodo scientifico

Spesso il metodo scientifico viene descritto come un’unica procedura lineare, ma questa è una semplificazione eccessiva. Questo metodo è costituito da step:

• Fare osservazioni
• Le osservazioni suscitano delle domande, e per avere risposte, gli scienziati compiono altre osservazioni, formulano possibili risposte e conducono esperimenti per testare quella possibilità.
• Dopo essersi posto una domanda, lo scienziato spesso usa la logica induttiva per proporre una risposta provvisoria che prende il nome di ipotesi.
• Il passo successivo consiste nel fare una previsione, dunque nell’applicare una forma di logica diversa, detta logica deduttiva, nella quale partendo da un’affermazione considerata vera (l’ipotesi), si procede prevedendo quali altri fatti dovrebbero verificarsi in coerenza con essa.
• A questo punto si passa alla fase sperimentale. Esistono due tipologie di esperimento ed entrambe mettono a confronto dati provenienti da gruppi o campioni diversi: negli esperimenti controllati si modifica un fattore di interesse mantenendo costanti le altre variabili per verificare l’influenza del fattore modificato. Negli esperimenti comparativi si mettono a confronto dati raccolti da popolazioni diverse che differiscono sotto vari e sconosciuti aspetti.

Capitolo 2

La struttura atomica

Tutta la materia è composta di atomi. Gli atomi possiedono volume e massa che sono caratteristiche universali della materia. La massa è una misura della quantità di materia presente: quanto è maggiore la massa, tanto maggiore è la quantità di materia. Gli atomi sono inoltre dotati di cariche elettriche.

Ogni atomo consiste di un nucleo denso e carico positivamente, attorno al quale si muovono uno o più elettroni carichi negativamente. Il nucleo contiene una o più protoni carichi positivamente ed eventualmente uno o più neutroni, privi di carica elettrica. La massa di un protone costituisce un’unità di massa standard chiamata dalton (dal nome del chimico inglese John Dalton). Un singolo protone o un neutrone possiede una massa di circa 1 dalton, che corrisponde a circa 1,7 × 10^-24g, mentre un elettrone è ancora più piccolo e ha una massa di 9 × 10^-28g. Ogni protone è una carica elettrica +1. Un elettrone ha una carica negativa -1. Il neutrone, come suggerisce il nome, è elettricamente neutro, quindi la sua carica è zero. Le cariche opposte si attraggono, mentre le cariche dello stesso segno si respingono. Generalmente, gli atomi sono elettricamente neutri, perché il numero di elettroni contenuti nell’atomo corrisponde al numero di protoni.

Elemento

Un elemento è una sostanza pura che contiene atomi di un solo tipo. In natura esistono 94 elementi e almeno altri 24 sono stati prodotti nei laboratori di fisica. Circa il 98% della massa di ogni organismo vivente (tranne quella degli scheletri) è costituito di solo sei elementi: carbonio (C), idrogeno (H), azoto (N), ossigeno (O), fosforo (P), zolfo (S).

Un elemento si distingue dagli altri per il numero di protoni contenuti nel nucleo di ciascuno dei suoi atomi; il numero di protoni si chiama numero atomico. Il numero atomico è specifico per ciascun elemento e non varia. Poiché il numero di protoni e di elettroni determina come un elemento si comporta nelle reazioni chimiche, si possono disporre gli elementi in una tabella in modo da raggruppare insieme quelli che presentano proprietà chimiche simili: si tratta della familiare tavola periodica. Insieme a un numero ben definito di protoni, ogni elemento, tranne l’idrogeno, contiene nel suo nucleo uno o più neutroni. Il numero di massa di un atomo rappresenta la somma dei protoni e dei neutroni nel suo nucleo.

In alcuni elementi, il numero di neutroni contenuti nel nucleo atomico può variare. I diversi isotopi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni ma un diverso numero di neutroni. Molti elementi presentano più di un isotopo. In genere, isotopi si formano quando gli atomi acquisiscono alcune particelle o le perdono.

La massa atomica di un elemento (o massa atomica relativa) corrisponde alla media dei numeri di massa di un campione rappresentativo di atomi di quell’elemento, comprendente tutti gli isotopi nelle proporzioni date normalmente. Gli isotopi sono per la maggior parte stabili, tuttavia alcuni, chiamati radioisotopi, sono instabili e liberano spontaneamente energia sotto forma di radiazioni alfa, beta e gamma provenienti dal nucleo atomico. Questa emissione di energia, conosciuta come decadimento radioattivo, trasforma l’atomo originale.

La maggior parte degli atomi negli organismi si organizzano in aggregati stabili chiamati molecole. Se un radioisotopo viene incorporato in una molecola, esso agisce come un indicatore, permettendo così al ricercatore di localizzare e seguire la molecola in un esperimento di fisica, o al medico di seguirla all’interno del corpo.

Il comportamento degli elettroni

La porzione di spazio nella quale si individua l’elettrone, per almeno il 90% del tempo, è l’orbitale dell’elettrone. Gli orbitali hanno forme e orientazione caratteristiche e un dato orbitale può essere occupato da due elettroni al massimo. Spostandosi sulla tavola periodica dagli atomi più leggeri verso quelli più pesanti, si osserva che gli orbitali si riempiono secondo una sequenza, una serie di livelli di energia attorno al nucleo chiamati strati o gusci elettronici.