120 domande zoologia

Origine, chimica e principi della vita animale

Proprietà dell’acqua e loro importanza per i sistemi viventi

L’acqua è un elemento fondamentale per tutti gli organismi viventi: essa occupa dal 60% al 90% della maggior parte di essi, infatti è il composto più abbondante nelle cellule. L’acqua ha:

• Elevata capacità di calore specifico: è necessaria 1 cal per elevare di 1° C la temperatura di 1 g d’acqua → grande effetto di regolazione sui cambiamenti di temperatura ambientale e quindi valido agente protettivo per la vita.
• Alto calore di vaporizzazione: sono necessarie più di 500 cal per trasformare 1 g d’acqua liquida in vapore → mezzo importante per regolazione di calore interno di piante e animali terrestri.
• Singolare variazione di densità: l’acqua raggiunge massima densità a 4° C, ciò permette al ghiaccio (meno denso) di galleggiare sull’acqua liquida → permette vita acquatica.
• Alta tensione superficiale: grande coesione delle molecole dovuta a legami idrogeno → ruolo fondamentale negli xilemi degli steli delle piante, colonna d’acqua unita e aderente allo xilema e crea inoltre una nicchia ecologica singolare per alcuni insetti, permettendo scivolamento sulla superficie.
• Bassa viscosità: favorisce lo scorrimento fluido del sangue attraverso sottili capillari e del citoplasma.
• Ottimo solvente per gli ioni dei sali, fondamentali in molti processi vitali. Natura anfotera dell’acqua.

Importanza della fotosintesi e del metabolismo ossidativo per la vita animale

La fotosintesi diede origine a organismi autotrofi che iniziarono gradualmente a far accumulare ossigeno nell’atmosfera. Quando questo raggiunse l’1% l’ozono iniziò ad accumularsi e a schermare le radiazioni UV. Questo rese possibile lo sviluppo della vita in superficie, cosa prima non permessa a causa dei raggi UV (vita in acqua, brodo primordiale) → lo sviluppo della vita in superficie aumentò ancor più la produzione di ossigeno. Fotosintesi e sessualità favorirono moltiplicazione esponenziale.

Questo comportò la comparsa di un nuovo tipo di metabolismo: il metabolismo ossidativo (aerobico). La fotosintesi è alla base della catena alimentare. Consente di utilizzare nel processo alimentare le sostanze inorganiche semplici, come l'acqua nel terreno e l’anidride carbonica nell'atmosfera. La fotosintesi è anche l'unico sistema in grado di trasformare direttamente l'energia solare in energia chimica (glucosio) utilizzabile per la sintesi molecolare e per il metabolismo degli esseri viventi.

Gli organismi che contengono clorofilla (piante verdi) sono capaci di attuare il processo biochimico della fotosintesi e produrre il glucosio necessario al metabolismo. Tutti gli altri organismi non fotosintetici sono, invece, obbligati a procurare il glucosio tramite l'alimentazione, cibandosi degli organismi fotosintetici. Da questo rapporto di dipendenza ha origine la catena alimentare della biosfera.

Comparsa dei composti organici sulla terra

I composti organici si sono formati probabilmente da semplici molecole presenti nell’ambiente prebiotico, ovvero composti semplici del carbonio, azoto molecolare, vapore acqueo e forse metano e ammoniaca che erano contenuti nell’atmosfera primitiva. Il carbonio proveniente dall’atmosfera è stato poi convertito in composti organici semplici che si raccoglievano nell’oceano. L’ossigeno si formò dalla decomposizione dell’acqua.

La prima tappa fondamentale è stata la produzione di semplici molecole organiche, come amminoacidi e nucleotidi, che costituiscono i mattoni della vita. L’energia usata per favorire le reazioni chimiche probabilmente proveniva dall’energia solare (alta in UV), dall’energia dei fulmini, dall’attività vulcanica.

Esperimento di Miller: apparecchio per far circolare una miscela di composti primordiali e simulazione di scariche elettriche, concludendo che venivano a formarsi delle molecole simili a quelle organiche oggi presenti, partendo dal carbonio.

Meccanismi di formazione di molecole organiche complesse

Lo stadio successivo implicò la formazione di macromolecole: condensazione di aminoacidi, basi azotate e zuccheri → formazione di proteine e acidi nucleici. Il tutto avvenne probabilmente all’interno di vescicole contornate da membrana semipermeabile costituita da una parte idrofoba e una idrofila.

Gli acidi nucleici (DNA e RNA) cominciarono a controllare la sintesi delle proteine e soprattutto degli enzimi. L’RNA ha fatto da catabolita per formare le proteine/enzimi. Forse i primi enzimi e prime molecole in grado di replicarsi furono RNA. Iniziarono quindi a replicarsi e a evolversi.

Grazie poi a reazioni biochimiche controllate e a processi di compartimentazione si crearono i primi organismi viventi, le protocellule: unità autonome, circondate da membrana.

Caratteristiche fondamentali di lipidi e carboidrati e loro ruolo per la vita animale

Carboidrati

I carboidrati sono composti del carbonio, idrogeno, ossigeno, sono aldeidi o chetoni (legame carbonilico =O) a cui sono stati aggiunti vari gruppi ossidrili (-OH). Nel protoplasma svolgono funzione strutturale e fonte di energia chimica. Il più importante è il glucosio, che immagazzina energia. (Zuccheri, amidi, cellulosa ecc.). Formati per condensazione, prodotti dalla sintesi dalla piante a partire da acqua e anidride carbonica, con l’aiuto dell’energia solare.

Lipidi

I lipidi sono grassi e sostanze simili, insolubili in acqua e bassa polarità, solubili in solventi organici (acetone ecc.), possono essere insaturi (vegetali, doppi legami) o saturi (animali):

• Grassi neutri: maggiori combustibili animali (es. trigliceridi: molecole di glicerolo, 3 molecole di acidi grassi).
• Fosfolipidi: importanti nell’organizzazione molecolare nei tessuti (membrane); legano molecole solubili in acqua.
• Steroidi: alcoli complessi importanti nella regolazione ormonale (colesterolo, vitamina D, ormoni sessuali).

Proteine e strutture proteiche

Le proteine sono molecole composte da 20 amminoacidi (di cui 8 essenziali) combinati in diversi numeri e sequenze legati mediante legame peptidico per condensazione. Amminoacidi → gruppo carbossilico (-COOH) e amminico (-NH₂).

La struttura primaria è determinata dalla sequenza specifica degli amminoacidi che costituiscono la catena polipeptidica. La struttura secondaria è determinata dagli angoli stabili che creano due configurazioni specifiche: α-elica (spirale, legami idrogeno intramolecolari) e β-foglietto (catene parallele, legami idrogeno intermolecolari). La struttura terziaria è caratterizzata dalle pieghe delle sue strutture secondarie, stabilizzate da interazioni tra gruppi laterali degli amminoacidi (legami disolfuro, ionici, idrofobici, idrogeno ecc.). La struttura quaternaria è l’associazione di due o più catene polipeptidiche, es. emoglobina.

Funzioni: enzimatica, strutturale, trasporto, movimento (actina-miosina), difesa immunitaria, ormonale (insulina), riserva, trasmissione impulso nervoso (endorfina), inibizione da contatto.

Gli acidi nucleici

Molecole complesse che contengono l’informazione genetica di ogni individuo. Sono costituite da nucleotidi che a loro volta sono composti da uno zucchero pentoso (ribosio o desossiribosio), una base azotata (guanina-citosina adenina-timina o uracile) e un gruppo fosfato (determina il carattere acido). Nucleotidi saldati tra loro da legami fosfodiesterici.

DNA: acido desossiribonucleico, doppia elica destrorsa. È nato prima l’RNA perché ha proprietà enzimatiche e veicola l’azione del DNA.

RNA: ha l’uracile al posto della timina. mRNA (singolo filamento in nucleo e citoplasma); tRNA (singolo filamento ripiegato di citoplasma); rRNA (ribosomiale, singolo filamento ripiegato nel citoplasma).

Differenze tra procarioti ed eucarioti

Definizione di un animale e differenze tra sistemi viventi e non viventi

Animale: organismo vivente, pluricellulare, formato da cellule eucariote (prive di parete cellulare), eterotrofo per ingestione, può riprodursi, dotato di sensi e di movimento. Caratteristiche generali dei sistemi viventi:

• Unicità chimica: organizzazione molecolare unica e complessa dovuta all’assemblaggio di macromolecole in complesse strutture organizzative. Queste macromolecole sono: acidi nucleici, proteine, carboidrati e lipidi.
• Organizzazione gerarchica: vedi risposta.
• Riproduzione: i sistemi viventi possono riprodursi: i geni si replicano, le cellule si dividono per scissione binaria, gli organismi si riproducono (sessualmente o asessualmente), le popolazioni si dividono e le specie possono dare nuove specie per speciazione. La riproduzione caratterizza eredità e variabilità: l’eredità è la trasmissione fedele dei caratteri da genitori a figli, la variabilità è la generazione di differenze tra i caratteri di individui diversi.
• Presenza di un programma genetico: trasmissione dei caratteri ereditari alle generazioni successive. Tutta l’informazione per lo sviluppo e il funzionamento dell’organismo sono contenute e codificate dagli acidi nucleici, che nella maggior parte degli animali, sono a DNA.
• Metabolismo: digestione, produzione di energia (respirazione) e sintesi di molecole. Il tutto è un’interazione tra reazioni distruttive, dette cataboliche (es. glicolisi), e reazioni costruttive, dette anaboliche (es. Gluconeogenesi).
• Sviluppo: tutti gli organismi viventi attraversano un ciclo vitale caratteristico. Dallo stato embrionale alla forma adulta finale, e comprende anche tutti i cambiamenti di dimensioni e forma, nonché il differenziamento di strutture all’interno dell’organismo. Anche gli organismi unicellulari più semplici si accrescono e replicano le loro parti costitutive fino alla divisione, gli organismi pluricellulari invece subiscono cambiamenti molto più marcati. La trasformazione che avviene da uno stadio all’altro è detta metamorfosi.
• Interazioni con l’ambiente: tutti gli animali interagiscono con il proprio ambiente (ecologia) e rispondono agli stimoli (eccitabilità).
• Movimento: gli animali sono dotati di movimenti controllati dal proprio organismo, permessi dall’energia che ricavano dall’ambiente. Questi movimenti sono essenziali per la riproduzione, per lo sviluppo e per le risposte agli stimoli.

Organizzazione gerarchica dei sistemi viventi

Atomo → molecola → cellula (la più piccola unità capace di vita indipendente) → tessuto (insieme di cellule specializzate) → organo (insieme di tessuti specializzati) → organismo (insieme di organi) → popolazione (insieme di organismi interfecondi) → comunità (insieme di popolazioni che vivono in un determinato ambiente) → ecosistema (parte di biosfera delimitata/identificabile da confini geografici o chimico/fisici) → biosfera (porzione della terra popolata da organismi viventi).

Concetto di biodiversità e sua importanza nelle scienze ambientali

Definizione di biodiversità

La biodiversità è la varietà biologica di un ecosistema, che ne garantisce la stabilità. Questa dipende dal numero di popolazioni diverse in un determinato ambiente, dalla loro composizione (in termini numerici) e dalla numerosità. Inoltre, dipende dall’aspetto morfologico di questi organismi, dalla loro diversità genica e dalle differenti aggregazioni o comunità che questi possono comporre. → diversità intra e inter-specifica.

Il motore di questa diversità è l’errore che è favorito/sfavorito dalle condizioni circostanti → evoluzione, adattamento, selezione naturale, co-evoluzione hanno guidato i fenomeni di speciazione, di estinzione e quindi l’espansione della biodiversità sul pianeta. È perciò la totalità di geni, specie ed ecosistemi in una data regione, la massima regione è la biosfera.

È possibile calcolarla utilizzando diversi indici come ad esempio l’indice di Simpson (che tiene conto anche della grandezza di un campione) o l’indice di Shannon, il più utilizzato.

Cenni sul concetto di popolazioni e comunità animali

Specie → insieme di individui interfecondi che generano prole feconda = insieme di metapopolazioni (individui della stessa specie divisi geograficamente).

Popolazione → insieme di individui della stessa specie << metapopolazione → individui della stessa specie divisi da confini geografico/fisici >> comunità → insieme delle popolazioni che condividono uno stesso ecosistema.

Ecosistema → insieme di comunità (parte biotica) e ambiente (parte abiotica).

Definizione di habitat e nicchia ecologica

Habitat → luogo fisico le cui caratteristiche (fisiche, ambientali ecc.) permettono a una determinata specie di vivere (+ svilupparsi, riprodursi ecc.).

Nicchia ecologica → posizione di una specie (o popolazione) all’interno di un ecosistema che ne permette la continuità: modo di vivere, ruolo e tutte le condizioni fisiche, chimiche, biologiche che ne permettono la sopravvivenza in quel determinato ambiente (es. risorse). Per definizione una nicchia esiste solo se esiste una popolazione che la occupa.

Lo spazio fisico in cui un animale vive è definito habitat. All’interno dell’habitat si trovano le risorse fisiche e biologiche che un animale utilizza per sopravvivere e riprodursi; l’insieme di tali risorse è definito nicchia.

Differenze tra la vita animale acquatica e terrestre

Vi sono più specie sulla terra emersa perché in mare ci sono meno barriere, che invece sulla terra consentono la distinzione ed evoluzione di specie. La vita acquatica è perciò meno varia date le poche barriere fisiche che permettono una continua interazione. Nella vita terrestre invece la presenza di barriere è esponenzialmente più elevata consentendo una maggiore variabilità di specie.

In mare la variabilità di specie vegetali è ridotta, infatti il numero di specie erbivore è molto ridotto rispetto al numero di specie erbivore terrestri, questo comporta che in ambiente acquoso sia prevalente una catena alimentare basata sulla carnivoria e che alla base di questa ci sia, come organismo autotrofo che sostiene la catena, il fitoplancton. Nei sistemi terrestri la catena del pascolo è molto più varia.

Definizioni di plancton, benthos e necton

• Plancton → complesso di organismi incapaci di contrastare le correnti, si lasciano trasportare.
• Benthos → organismi che vivono in stretto contatto con il fondale, rimangono fini al substrato.
• Necton → organismi capaci di muoversi autonomamente nell’acqua nuotando, contrastano le correnti.

Livelli di diversità

Diversità genetica: (intraspecifica) variabilità dei geni all’interno di una specie. Varia tra diverse metapopolazioni di una stessa specie o all’interno di una stessa popolazione. Permette di adattarsi ai cambiamenti. Quando l’ultima popolazione di una specie si riduce a pochi individui, essa ha perso per sempre molte caratteristiche che hanno consentito la comparsa e l’evoluzione di tale specie → quando una specie perde troppi individui, diventa geneticamente uniforme e pertanto meno adattabile ai cambiamenti.

L’agricoltura ha bisogno di diversità genetica per reagire e resistere agli agenti patogeni che sanno adattarsi molto ai pesticidi perché si riproducono molto velocemente.

Diversità specifica: numero di specie presenti in una data area/regione. Può essere misurata come “ricchezza di specie” o come “diversità tassonomica” (prendono in considerazione le relazioni tra diverse specie e la ricchezza di specie).

Diversità degli ecosistemi: varietà degli habitat presenti in un territorio. La diversità del paesaggio può considerarsi come il livello di diversità che riunisce i livelli genetico e specifico. La sua origine remota è nella diversità genetica da cui ha avuto origine la diversità specifica. La diversità delle specie ha originato comunità ed ecosistemi diversi, di cui si compone il paesaggio.

La quantificazione delle diversità animale

La quantificazione della biodiversità animale è il censimento del numero di specie presenti in quella determinata area. All’incirca la popolazione di insetti presenta 750.000 specie, mentre 41.000 sono i vertebrati e 25.000 specie sono le piante.

• α-diversità: numero di specie presenti in una comunità di viventi che occupa un determinato ambiente.
• β-diversità: il numero di comunità che si incontrano in una determinata area geografica.
• γ-diversità: il numero di specie in una determinata area geografica, ovvero il prodotto delle diversità α e β.

La biodiversità come strumento di analisi della qualità dell’ambiente

Importante indicatore sulla salute del pianeta, ottimo strumento per valutare i cambiamenti delle popolazioni presenti, in un’ottica prettamente evolutiva, e per valutare la qualità dell’ambiente. Maggiore biodiversità, maggiore adattabilità, minore tasso di estinzione.

Le minacce alla biodiversità

Antropizzazione: alterazione, perdita e frammentazione.