Zoologia con laboratorio

ZOOLOGIA

Scienze biologiche, I anno 1

ORIGINE DELLA VITA SULLA TERRA

Principali problematiche che hanno caratterizzato lo studio degli esseri viventi nel corso della storia:

1. Origine della vita

2. Riproduzione dei viventi

3. Classificazione degli esseri viventi

4. Evoluzione organismi viventi

ORIGINE

Alexander Oparin (1894-1980): prima teoria sull’evoluzione chimica e quindi dell’origine della vita

Considerando l’ambiente primitivo costituito da:

 Ossigeno molecolare non presente nell’atmosfera

 Idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto presenti nell’atmosfera (costituiscono il 95% dei tessuti

degli organismi viventi)

 Composti organici instabili in un’atmosfera ossidante

 Atmosfera prebiotica riducente (ricca di idrogeno che reagendo con l’O ha formato l’acqua)

2

 Composti semplici in ambiente stabile che non possono reagire chimicamente poiché vi è

mancanza di energia libera

Prova dell’ipotesi: “Esperimento Urey-Miller” (prima dimostrazione che nelle giuste condizioni

ambientali le molecole organiche si possono formare spontaneamente a partire da sostanze

inorganiche più semplici)

1. Sistema sterile formato da due sfere: una contenente acqua allo stato liquido collegata

all’altra sfera contenente degli elettrodi; esse erano unite da un tubo sterile e vi ci circolavano

allo stato gassoso idrogeno, metano e ammoniaca.

2. L’acqua viene riscaldata e produce vapore acqueo; gli elettrodi a contatto con quest’ultimo

fornivano scariche elettriche comparabili a fulmini.

3. Il vapore, raffreddandosi, condensava e ricadeva nella prima sfera: il ciclo poteva ripetersi.

4. A distanza di una settimana si notò che il 15% del carbonio aveva formato dei composti

organici: gli elementi fondamentali per la vita, gli amminoacidi.

Prodotti: acido formico, glicina, acido glicolico, alanina, acido lattico, acido acetico, acido propionico,

acido succinico, urea, acido glutammico, acido aspartico e altro.

Considerazioni: in presenza di metano, acqua e ammoniaca, in una determinata misura, si ha la

formazione di diverse molecole organiche. Considerando che tali reazioni si sono succedute nell’arco

di milioni di anni, si ritiene che tali sostanze si siano sviluppate in modo sempre crescente.

Macromolecole organiche

Stadio successivo dell’evoluzione chimica: condensazione (deidratazione) di amminoacidi, purine,

pirimidine e zuccheri così da poter ottenere molecole sempre più grandi e complesse quali polimeri

(acidi nucleici e proteine) che stanno alla base della biologia degli esseri viventi. 2

Questa reazione, in acqua si chiama idrolisi (o decoposizione) tramite energia fornita dall’ATP. Da

questo si ipotizza che la polimerizzazione prebiotica sia avvenuta all’interno di vescicole lipidiche

originate dall’autoassemblaggio di molecole lipidiche anfipatiche (teoria confermata

dall’Esperimento di D. Deamer)

Origine del metabolismo (RNA)

L’RNA è la prima molecola in grado di autocatalizzare la propria replicazione

1. L’RNA si forma da acidi inorganici

2. Tale RNA si auto replica tramite l’azione dei ribozimi

3. L’RNA adesso formato e funzionante può catalizzare la sintesi proteica

ORGANIZZAZIONE CELLULE VIVENTI

Sistemi molto complessi divisibili in due grandi gruppi basati sul loro metabolismo:

1. Organismi autotrofi: sintesi cibo da sorgenti inorganiche

2. Organismi eterotrofi: sintesi cibo da sorgenti organiche

Primi microrganismi: autotrofi anaerobi usano la fotosintesi come fonte energetica

Evoluzione autotrofi anaerobi: organismi eterotrofi usano il metabolismo ossidativo (aerobico)

come fonte energetica 3

Vita Pre-Cambriana

Periodo precambiano: 600 milioni di anni fa, prima dell’era geologica del Cambriano durante il quale

ci fu l’esplosione Cambriana (comparsa della maggior parte dei phyla di animali)

Eubatteri: 3,5 miliardi di anni fa

Cianobatteri: 2,5 miliardi di anni fa

Primi eucarioti: 1,4 miliardi di anni fa

Pangea

Supercontinente che includeva tutte le terre emerse durante il periodo Paleozoico (600 milioni di

anni fa) e il periodo del primo Mesozoico (250 milioni di anni fa).

Procarioti e cianobatteri

Cianobatteri: sono le alghe verdi, tra gli organismi più antichi e primitivi, più simili ai batteri

Procarioti: formati da un singolo cromosoma privo di istoni situato nel nucleotide; non possiede

nucleo né organelli quali mitocondri, plastidi, apparato di Golgi e RE.

Cellula Eucariota

 Nucleo: forma tondeggiante, immerso nel citoplasma, contiene il nucleolo nel quale vi è

addensato il DNA, avvolto da membrana nucleare costellata di pori nucleari

 Centrioli: servono per la divisione cellulare

 Mitocondri: producono energia alla cellula attraverso il processo di respirazione cellulare

 Apparato di Golgi: immagazzina e distribuisce tutte le sostanze di cui ha bisogno la cellula

 Ribosomi: servono per la sintesi (formazione) delle proteine

 Citoplasma: sostanza gelatinosa, produce i nutrienti per la cellula e la sua sopravvivenza

 Lisosomi: distruggono le strutture cellulari ormai obsolete e digeriscono i vari materiali che

ne ricavano trasformandoli in nutrienti per la cellula

 Reticolo endoplasmatico (RER se ruvido cioè con ribosomi sulla superficie, REL se liscio

cioè senza ribosomi sulla superficie): distribuisce le sostanze a tutta la cellula portandole fino

alla periferia

 Membrana cellulare: protegge la cellula ed espelle le sostanze di rifiuto e sostanze di scambio

con l’ambiente cellulare

Teoria della simbiogenesi

Lynn Margulis (1938-2011): la sua teoria scaturisce dall’osservazione di plastidi e mitondri 4

“plastidi (affini ai cianobatteri) e mitocondri hanno un DNA molto più affine ai procarioti che agli

eucarioti e si sarebbero originati tramite fusione simbiotica con una cellula anaerobica; si pensa che

anche flagelli, ciglia e fuso mitotico si siano originati per simbiogenesi dal batterio spirocheta.”

Un esempio è “Mixotricha paradoxa”: specie di protozoo flagellato che vive all’interno della termite

australiana della specie Mastotermes darwiniensis caratterizzata da quattro rapporti simbionti:

1. Ospite principale munito di 4 flagelli

2. Spirochete

3. Ogni spirocheta è associata ad un batterio

4. Mitocondri assenti: la loro funzione è espletata da un batterio endosimbiontico

RIPRODUZIONE E SESSUALITÀ

Francesco Redi (1626-1694) medico naturalista aretino al servizio dei Medici: confutazione della

generazione spontanea negli insetti

1668: primo esperimento con metodo scientifico sperimentale: pose della carne avariata in una serie

di recipienti, alcuni chiusi, altri aperti, e dimostrò che le larve nascevano solo dove le mosche avevano

potuto depositare le uova.

Antony Leeuwenhoek (1632-1723) ottico e naturalista olandese: scoperta dei batteri, inventore del

microscopio.

Abate Lazzaro Spallanzani (1729-1797): confutazione della generazione spontanea negli infusori

Si tratta del primo esperimento di sterilizzazione e la prima rudimentale determinazione della

resistenza dei microrganismi al calore.

Considerazioni: bollitura uccide tutti i microrganismi presenti nel brodo; la chiusura delle beute

impedisce l’ingresso ai microrganismi dell’aria conservando allora sterile il brodo.

Luis Pesteur (1822-1895): confutazione della generazione spontanea dei batteri

1. Matracci a collo d'oca permettevano l'entrata dell'ossigeno, elemento indispensabile allo

sviluppo della vita, ma impedivano che il liquido all'interno venisse a contatto con agenti

contaminanti come spore e batteri.

2. Bollitura del contenuto dei matracci, uccidendo così ogni forma di vita all'interno.

3. Microrganismi non riapparivano se il matraccio rimaneva intatto.

Considerazioni: dimostrazione che i microrganismi appaiono solo se il collo dei matracci viene rotto

e quindi se vengono a contatto con l’ossigeno e l’ambiente esterno. 5

RIPRODUZIONE: caratteristica essenziale, unica e universale della vita

si può dividere in:

1. Riproduzione asessuale: si tratta della MITOSI (da un organismo diploide (2n) se ne ricavano

due diplonti (2n)): origina due organismi

Propria di batteri, protisti, invertebrati di molta phyla.

2. Riproduzione sessuale: si tratta della MEIOSI (da un organismo diploide (2n) se ne ricavano

quattro aplonti (n)): origina quattro gameti

Propria degli eucarioti.

RIPRODUZIONE NEI PROTISTI

RIPRODUZIONE ASESSUALE

Processo: mitosi.

Un solo organismo genitore (privo di organi o cellule sessuali) genera individui geneticamente

identici (cloni). 6

Questo tipo di riproduzione può avvenire con tre diversi processi:

1. Divisione binaria (scissione o gemmazione)

2. Divisione multipla (scissione o gemmazione)

3. Amitosi

Scissione binaria (batteri e protozoi)

Consiste in una divisione mitotica che porta alla generazione di due soggetti speculari identici.

1. Cromosoma circolare batterico si decircolarizza e si duplica; il plasmide si replica.

2. Ognuno dei due elementi si pone ai poli apposti della cellula.

3. Nella porzione mediana della cellula inizia a formarsi un’invaginazione, dirigendo circa la

stessa quantità di ribosomi ad ogni polo.

4. L’invaginazione si completa per tutta la sua lunghezza e la cellula si divide in due.

Amitosi (ciliati)

Organismi possiedono un micronucleo nel quale è contenuta l’informazione genetica e un

macronucleo nel quale avviene il metabolismo e la sintesi proteica.

La scissione avviene trasversalmente e i due nuclei si dividono allo stesso modo: il macronucleo

mantiene il suo aspetto interfasico, non compaiono centrioli e fuso, si divide senza la distribuzione

di cromosomi come avviene nella mitosi. 7

Scissione multipla o schizogonia (protozoi parassiti)

Consiste in una serie di divisioni mitotiche del nucleo seguite da divisioni del citoplasma: origina

molte cellule figlie.

Esempio di organismo che attua solo la riproduzione asessuata: “Trypanosoma brucei” (malattia del

sonno

RIPRODUZIONE SESSUALE

Due genitori di sessi opposti producono gameti (cellule sessuali specializzate) processo di

fecondazione (fusione gameti) zigote (ricombinazione genetica).

Processo riproduttivo: Meiosi (doppia divisione: corredo diploide della cellula germinale a quello

aploide dei gameti, garantito dalla fecondazione).

Dimensione e mobilità del gamete

1. Isogamia: due gameti circa della stessa dimensione, entrambi mobili

2. Eterogamia/anisogamia: esistenza di un macrogamete non mobile e per convenzione

femminile, e di un microgamete mobile maschile 8

3. Oogamia: presenza di un gamete molto grande non mobile per convenzione femminile e di

molteplici gameti mobili e piccoli maschili.

CICLI ONTOGENICI (Eucarya)

Dipendono dall’alternanza del corredo aploide e diploide all’interno del ciclo, quindi della posizione

che occupa la meiosi.

1. Ciclo diplonte: la meiosi è gametica e avviene subito prima della formazione dei gameti (tutto

il ciclo avviene in fare diplonte eccetto i gameti che sono aplonti).

Un esempio è il ciclo aplonte di “Chlamidomonas eugametos”:

 Individui parentali n

 Gameti formati per mitosi si fondono in uno zigote 2n

 Lo zigote 2n va in meiosi e forma zoospore n per mitosi: formazione nuovi individui

Qui la variabilità genetica è assicurata.

2. Ciclo aplonte: la meiosi è zigotica, la prima divisione a cui va incontro lo zigote è la meiosi

(tutto il ciclo avviene in fase aploide con l’unica eccezione dello zigote). 9

Un esempio del ciclo diplonte è quello dei ciliati: la fase asessuale consiste in una scissione binaria

mentre quella sessuale in una coniugazione.

3. Ciclo aplodiplonte: la meiosi non è né gametica né zigotica, infatti esistono varie generazioni

di cellule in fase aploide dopo lo zigote, una di queste ad un certo punto subisce la meiosi alla

quale succedono altre divisioni mitotiche prima della formazione dei gameti. 10

Un esempio del ciclo aplodiplonte è quello dei foraminiferi: la fase asessuale consiste nella

schizogonia e quella sessuale in gameti ameboidi o flagellati.

Ciclo aplodiplonte “Rotaliella roscoffensis”

 Riproduzione asessuale: il gamonte (forma microsferica del gamete) produce per schizogonia

numerosi individui ameboidi uninucleati che verranno poi espulsi dal guscio microsferico.

Ogni individuo formerà il proprio guscio, arrivando alla forma di macrosferico che conterrà

un citoplasma uninucleato.

 Riproduzione sessuale: macrosfera si riproduce per sporogonia generando microgameti

(isogameti) flagellati; essi si fondono in uno zigote che si sviluppa nella forma microsferica

iniziale così da poter riprendere il ciclo.

RIPRODUZIONE NEI EUCARYA (multicellulari, metazoa)

RIPRODUZIONE ASESSUALE

Un solo organismo genitore senza organi o cellule sessiali, è rapida e genera cloni.

Processo riproduttivo: Mitosi.

Si compone di:

1. Rigenerazione: capacità di sostituire grazie a crescita e differenziazione delle parti del corpo

che sono andate perse accidentalmente o per autonomia;

questo è garantito grazie:

 alla riserva di cellule totipotenti (generano cellule somatiche per gemmazione e

germinali per riproduzione sessuata in cnidari e platelminti); tali cellule staminali si

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trovano in quasi tutto il corpo del verme e sono in grado di generare altre cellule,

l’endoderma, il mesoderma e l’ectoderma

 alla più o meno estesa reversibilità somatico germinale sottoforma di cellule

interstiziali totipotenti subtentacolari potenzialmente perenni (gli anellidi riformano

due individui completi di gonadi da due monconi dalle cellule somatiche mentre i

molluschi rigenerano le gonadi da parte di cellule somatiche della parete del canale

ermafrodito)

2. riproduzione somatogonica tramite:

 Gemmazione o gemmiparità: formazione di un nuovo individuo a partire da gemme

che si formano sul corpo del generante: in alcune forme l’individuo si stacca per

condurre vita libera mentre in altri rimane attaccato e si formano colonie; propria di

cnidari, poriferi, briozoi e tunicati.

 Endogenesi o gemmulazione: formazione di corpi durevoli in condizione ambientali

critiche quando le colonie vanno un disfacimento: aggregazioni di cellule totipotenti

rivestite da strutture protettive; le gemmule si trovano nei poriferi e la statoblasti nei

briozoi (due valve che racchiudono cellule epidermali e peritoneali ricche di materiali

nutritivi).

 Scissiparità: un individuo si scinde in più parti da cui prendono origine nuovi

individui: si può avere la frammentazione (rigenerazione di nuovi individui successiva

alla scissione del generante) in platelminti e echinodermi, e la strobilazione

(rigenerazione precedente alla scissione ripetuta sullo stesso individuo) in anellidi e

policheti.

La strobilazione negli cnidari passa per vari stadi: zigote, planula cigliata, planula

fissata, scifistoma, giovane strobila, strobilo, efira, organismo adulto che produce

spermatozoi (può iniziare nuovamente il ciclo).

La riproduzione somatogonica quando parte da un individuo generante non adulto verrà chiamata:

 Progenesi larvale: propria di platelminti, trematodi, cestodi; comprende vari stadi: miracidio,

sporocisti, redia, cercarie e metacercaria.

 Poliembrionia: un singolo individuo generante dà origine a più individui, propria di

imenotteri parassiti e mammiferi. 12

RIPRODUZIONE SESSUALE

Due genitori di sessi opposti producono gameti (cellule sessuali specializzate) processo di

fecondazione (fusione gameti) zigote (ricombinazione genetica).

Processo riproduttivo: Meiosi (doppia divisione: corredo diploide della cellula germinale a quello

aploide dei gameti, garantito dalla fecondazione).

Modalità che consentono l’avvicinamento dei gameti:

• Fecondazione esterna

 Vicinanza dei riproduttori

 Coordinazione nell'emissione dei gameti

 Interazione chimica tra i gameti

 Ipergamesi (produzione in eccesso di gameti)

• Fecondazione interna

 Fattori anatomo-fisiologici: organi copulatori, spermatofore

 Corteggiamento

 Interazione chimica tra i gameti

Tipicamente: maschio produce spermi e femmina produce uova, così si parla di organismi dioici.

Nei metazoi si riscontrano organi sessuali primari, quali le gonadi, deputati alla produzione dei

gameti maschili ossia il testicolo, e femminili ossia l’ovario; e organi sessuali accessori che servono

per la copula, quali peni, vagine, ovidutto e utero. 13

ERMAFRODITISMO (monoicismo)

– Caratteristica morfo-funzionale di organismi che possiedono entrambi gli organi riproduttivi

maschili e femminili.

– È un adattamento alla vita solitaria come quella degli organismi che conducono una vita

sessile o che sono scavatori o endoparassiti.

– Generalmente riscontrabile nei molluschi, negli anellidi terrestri e di acqua dolci e nei

crostacei di acque marine profonde.

– Può essere obbligato o facoltativo, indotto da fattori esogeni (temperatura, risorse trofiche,

sex ratio) o endogeni (età, ormoni, genetica): la temperatura superiore ad una certa soglia

(circa 20°C), in alcuni anellidi inducono la mascolinizzazione.

Ermafroditismo simultaneo: stesso individuo genera gameti maschili e femminili

1. Ermafroditismo sufficiente (autofecondazione): rara, in cnenofori, trematodi, cestodi,

crostacei, cirripedi.

2. Ermafroditismo insufficiente (scambio reciproco di gameti): molto comune, in protozoi,

poriferi, ctenofori, molluschi, artropodi, echinodermi, emicordati, vertebrati.

Ermafroditismo sequenziale: il sesso cambia nel corso della vita ed entrambi i gameti sono presenti

allo stesso tempo ma maturano in tempi diversi

1. Proterandrico: da maschio a femmina

2. Alternante: cambiamenti multiplo

3. Proteroginico: da femmina a maschio 14

Esempi di condizione proterogonica: labridi delle barriere coralline: un solo maschio può vivere con

tante femmine; alla sua morte l