Appunti Biologia

La vita e gli esseri viventi

Biologia: scienza che studia la vita, i processi vitali e gli organismi viventi.

Essere vivente

Nascita, crescita, riproduzione, morte.

Lo studio della vita: un approccio sperimentale

1600: Invenzione del microscopio, ha permesso la svolta in quanto era possibile vedere le cellule.

1800: Nascita della biochimica; individuazione dei componenti della cellula e studio dei processi cellulari.

Scienza sperimentale

La biologia si afferma come il metodo sperimentale (da Galileo in poi). Osservazione di un fenomeno e formulazione di un'ipotesi che viene messa alla prova attraverso un esperimento e dei ragionamenti (anche matematici) che hanno lo scopo di dimostrare la validità o di confutarla. Formulazione della legge: se l'ipotesi viene confermata, c'è la conferma; se non viene confermata, viene riformulata un'altra ipotesi.

Scienze sperimentali

• Matematica
• Chimica (biochimica, chimica organica, chimica inorganica)
• Fisica (ottica, acustica, elettricità, magnetismo, meccanica)
• Astronomia (cosmologia, astrofisica)
• Geologia (tettonica, vulcanologia, mineralogia, paleontologia)
• Biologia (fisiologia, microbiologia, istologia, medicina, anatomia, genetica, zoologia, etologia, botanica, ecologia)

Scienza non afferma verità

Una teoria scientifica è ritenuta valida fino a quando riesce a spiegare i fenomeni e a fornire previsioni verificabili sperimentalmente. Compie continuamente errori e ne ammette correzioni.

Pseudoscienza

Nemico della scienza perché le teorie pseudoscientifiche spesso riescono ad essere credibili tanto quanto quelle scientifiche. Credenze o pratiche che vengono presentate come scientifiche, ma che non seguono il metodo scientifico e mancano di prove o di plausibilità: es. astrologia, creazionismo, omeopatia (non esistono prove sperimentali), no-vax, stamina.

La materia vivente

Nonostante la loro diversità, i viventi hanno composizioni chimiche simili. Oltre 100 elementi conosciuti, circa 20 costituiscono la materia vivente, circa 10 costituiscono il 99% in peso degli organismi. 4 elementi costituiscono oltre il 97% (C, O, H, N). All'interno dell'organismo, questi elementi sono organizzati in molecole; la più abbondante è l'acqua (70%), il resto (30%) è costituito da composti organici (macromolecole):

• Proteine 15%
• Polisaccaridi 2%
• RNA 6%
• DNA 1%
• Fosfolipidi 2%
• Ioni 4%

Composizione chimica dei viventi

• Carbonio (composti organici: lipidi, zuccheri, proteine)
• Idrogeno, ossigeno (composti organici, H₂O, respirazione cellulare)
• Azoto (proteine, acidi nucleici, lipidi)
• Zolfo (proteine)
• Fosforo (acidi nucleici, nucleotidi, fosfolipidi, ossa)
• Calcio (contrazione muscolare, neurotrasmissione)
• Ferro (emoglobina, enzima della respirazione cellulare)
• Sodio, potassio, cloro (equilibrio elettrolitico, attività elettrica)

I viventi non sono caratterizzati da componenti 'particolari', ma da componenti 'normali' organizzati in modo 'particolare'.

La cellula

La cellula è il livello di organizzazione in cui compare la vita; senza di essa la materia non è vivente.

Storia della scoperta delle cellule

XVII secolo - Robert Hooke: Osservando al microscopio (di sua costruzione) delle fettine di sughero e altri tessuti vegetali, notò che erano formati da tante piccole cavità separate da pareti e gli diede il nome di "cellula" (piccole celle).

XIX secolo - Schleiden, Schwann, Virchow: Furono compresi il significato biologico e l'importanza delle cellule. Grazie all'evoluzione del microscopio, si sono osservate le prime cellule vive. Scoprirono anche che ogni cellula deriva da un'altra cellula.

Teoria cellulare

• La cellula è la più piccola unità strutturale e funzionale dei viventi.
• Tutti gli organismi viventi sono organizzati da una o più cellule.
• Tutte le cellule derivano dalla divisione di altre cellule preesistenti.

Caratteristiche dei viventi

Organizzazione cellulare

Ogni essere vivente è altamente integrato e ordinato, e in esso possono essere distinti vari livelli di organizzazione. La differenza tra organismi più semplici e quelli più complessi dipende dal grado di organizzazione raggiunto.

Metabolismo

Insieme di tutte le reazioni chimiche che svolge la cellula per le sue funzioni vitali:

• Catabolismo: demolizione di molecole complesse in molecole più semplici; fornisce energia. Reazioni esoergoniche: es. glicolisi, ciclo di Krebs, trasporto di elettroni.
• Anabolismo: biosintesi di molecole semplici in molecole più complesse; richiede energia. Reazioni endoergoniche: es. sintesi proteica, duplicazione del DNA.

Produzione e consumo di energia

Il metabolismo consente di mantenere in equilibrio la produzione (dalla rottura dei legami chimici) e consumo (energia utilizzata per sintetizzare energia) di energia. Gli enzimi (proteine con attività catalitica) sono gli attori del metabolismo.

Informazione

È necessaria perché la cellula svolga le sue funzioni vitali; è contenuta nella cellula stessa e risiede nel DNA. È codificata nella sequenza dei nucleotidi del DNA.

Risposta agli stimoli e adattamento

Gli organismi viventi percepiscono gli stimoli esterni e rispondono modificando le loro attività per avere maggior possibilità di sopravvivenza. Queste risposte determinano la capacità di adattamento.

Omeostasi

Gli organismi sono capaci di mantenere stabili le proprie condizioni interne. Equilibrio interno: mantenimento di una condizione stazionaria interna grazie a risposte che compensano i cambiamenti avvenuti nell'ambiente esterno.

Crescita e sviluppo

La crescita è l'aumento delle dimensioni corporee. Avviene attraverso l'assunzione e l'assimilazione delle sostanze nutritive prelevate dall'ambiente esterno e la loro trasformazione in molecole utili all'organismo. Lo sviluppo consiste in una serie di cambiamenti programmati nella forma e nella complessità che avvengono nel corso del tempo.

Riproduzione

Capacità degli organismi di generare una discendenza, cioè dare vita ad altri individui della stessa specie. Sessuale: intervento di due individui 'genitori' di sesso diverso. Asessuale: intervento di un solo organismo genitore.

Evoluzione

• Esiste una variabilità individuale tra gli organismi.
• La selezione naturale consente la sopravvivenza degli individui più adatti.
• Le caratteristiche favorevoli vengono trasmesse alla discendenza.
• L'evoluzione modifica le caratteristiche di una data specie.

Teorie sull'evoluzione

Teoria darwiniana dell'evoluzione

(Darwin, '800):

Saltazionismo

(Gould, anni '70): La formazione di una nuova specie può avvenire in un periodo di tempo molto breve, anche solo una generazione. Si può originare una nuova specie senza avere linee di transizione. L'evoluzione procede 'a salti', seguiti da lunghi periodi di stasi (teoria degli 'equilibri intermittenti'). Spiega la mancanza di 'anelli di congiunzione' nei ritrovamenti fossili.

Neodarwinismo

(Anni '30-'50): Teoria attualmente più accreditata. È un insieme tra la teoria darwiniana e le conoscenze della genetica. La variabilità dei caratteri degli individui nelle popolazioni risiede nei geni ed è prodotta in modo casuale da mutazioni e ricombinazioni. Il bersaglio della selezione naturale è il gene, responsabile della trasmissione dei caratteri alle generazioni successive.

L'origine della vita

Teoria della generazione spontanea

Aristotele, (384-322 a.C.): Ritiene che i piccoli esseri viventi (vermi, insetti) nascono da nulla per influenza del sole, aria calda, terra, fango, materiale in putrefazione.

Esperimento di Francesco Redi (1968)

Smentisce la teoria della generazione spontanea.

Esperimento di Pasteur (1860)

Dimostra che nemmeno i microorganismi si formano spontaneamente. Nelle attuali condizioni ambientali, la vita non si genera dal nulla; la vita si genera solo dalla vita, è la materia vivente che genera nuova materia vivente.

Condizioni primordiali della Terra

La Terra nei primi miliardi della sua esistenza era un posto violento con eruzioni vulcaniche, scariche elettriche e piogge torrenziali. L'atmosfera conteneva poco o niente O libero e consisteva principalmente di CO₂ e N₂, oltre a piccole quantità di altri gas. Il brodo primordiale era una miscela acquosa di composti chimici semplici a base di C, H, O e N, sia di natura organica che di natura inorganica. Si pensa che in queste condizioni di 'brodo prebiotico' possano essere avvenuti gli eventi chimico-fisici che avrebbero poi dato origine alla vita sulla Terra.

Esperimento di Miller-Urey (anni '50)

Sintesi di molecole prebiotiche in atmosfera ricreata. Dimostra la formazione spontanea di molecole organiche presenti nelle cellule odierne: amminoacidi, zuccheri, basi azotate.

La formazione di macromolecole è il passaggio successivo nell'evoluzione. Molti scienziati pensano che l'RNA sia stato il primo mattone della vita. Si presume che la prima cellula (protocellula) abbia avuto origine quando l'RNA in grado di autoreplicarsi è stato circondato da una membrana composta da fosfolipidi.

Evoluzione della Terra

Evoluzione chimica

• Formazione della Terra, con crosta e atmosfera
• Piccole molecole organiche nelle lagune
• Grandi molecole organiche nei mari primitivi
• Formazione di protocellule

Evoluzione biologica

• Presenza di procarioti (unicellulari) nei mari e negli oceani
• Presenza di eucarioti (unicellulari) nei mari e negli oceani
• Organismi multicellulari prima nei mari e poi sulla terraferma

Classificazione dei viventi

Ogni essere vivente appartiene ad una specie. Ogni specie è classificata secondo raggruppamenti gerarchici.

Tre domini

• Archea
• Eubatteri
• Eucarioti

Sei regni

• Archea
• Eubatteri
• Protisti
• Funghi
• Animali
• Piante

Virus, procarioti, eucariotici

Le cellule procariotiche ed eucariotiche differiscono per organizzazione e complessità.

Procariotiche

Comparse prima, hanno un'organizzazione più semplice.

Eucariotiche

Comparse dopo, hanno un'organizzazione più complessa.

Elementi comuni

• Composizione chimica: proteine, carboidrati, acidi nucleici e lipidi
• Reazioni chimiche: sostanzialmente comuni; tutte svolgono la glicolisi e l'ATP è il principale composto attraverso il quale immagazzinano l'energia o la rendono disponibile
• Informazione genetica: risiede nel DNA, che ha la stessa struttura chimica in tutti gli organismi e viene tradotto secondo lo stesso codice e gli stessi meccanismi
• Membrana plasmatica: delimita, separa interno da esterno, permette scambi selettivi
• Citoplasma: contiene molecole e organuli, è la sede dei processi metabolici

Dimensione delle cellule

Le cellule sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie/volume; questo rapporto deve essere adeguato per consentire il metabolismo; la superficie di scambio deve essere sufficiente a consentire il passaggio di nutrienti e scarti adeguato al volume della cellula. Cellule grandi hanno un rapporto superficie/volume inferiore a cellule piccole, quindi non consentono un adeguato passaggio di sostanze. Quando la cellula aumenta di dimensione, il suo volume aumenta più rapidamente della sua superficie.

Struttura cellulare

Ogni cellula è circondata da una membrana cellulare che definisce un ambiente interno e lo separa dall'esterno, regolando l'entrata e l'uscita dei materiali. All'interno si trova il citoplasma, soluzione acquosa in cui sono immersi i costituenti cellulari. Il citoplasma è tutto ciò che si trova all'interno della membrana a parte il nucleo.

Citosol

Soluzione acquosa del citoplasma contenente ioni inorganici, macromolecole (proteine, lipidi, zuccheri, acidi nucleici) e relativi precursori (aminoacidi, nucleotidi, monosaccaridi). È una matrice colloidale (semifluida) ed è la sede del metabolismo (reazioni chimiche cataboliche e anaboliche). In altre parole, è il citoplasma privo di tutti gli organelli.

Cellule procarioti ed eucarioti

In base alla presenza o meno del nucleo, vengono divise in due gruppi: cellule procarioti e cellule eucarioti.

Cellula procariote

(Pro e Karyon = prima del nucleo): Sono le più semplici e le più piccole (0,5-5 μm); non possiedono il nucleo e organelli citoplasmatici. Il materiale genetico è una singola molecola di DNA circolare, localizzata nel nucleoide. Oltre alla molecola principale del DNA possono essere presenti i plasmidi, piccoli segmenti circolari di DNA extracromosomico che conferiscono particolari capacità, come la resistenza ad antibiotici e tossine presenti nell'ambiente. Il citoplasma è delimitato da una membrana e al suo interno sono presenti i ribosomi (organelli che permettono la sintesi proteica) più piccoli di quelli contenuti nelle eucarioti e gli enzimi necessari per le reazioni metaboliche. La membrana plasmatica forma invaginazioni dette mesosomi che sono sede di diversi enzimi e sono coinvolti in alcuni processi (es: respirazione, fotosintesi, divisione cellulare e sintesi dei lipidi). Generalmente circondate da una parete cellulare esterna alla membrana cellulare, costituita da peptidoglicani (non negli archeobatteri) che impedisce l'aumento di volume e previene la lisi osmotica. I peptidoglicani sono formati da lunghe catene polisaccaridiche in cui si alternano unità di amminozuccheri uniti da ponti trasversali di natura peptidica a formare una struttura complessa.

Capsula

In alcuni procarioti è presente una capsula (strato ricco di fosfolipidi e carboidrati) esterna alla parete cellulare che impedisce l'essiccamento, ostacola la fagocitosi da parte delle cellule immunitarie e può contenere tossine responsabiliconferisce resistenza agli antibiotici. Non ha funzioni protettive ma di processi patogenici. Tutti questi rivestimenti prendono il nome di involucro cellulare.

Flagelli e Pili

Possono essere presenti dei flagelli, strutture filamentose utilizzate per spostarsi nell'ambiente; semplici tubi elicoidali formati dalla proteina flagellina, il cui movimento è alimentato da un gradiente protonico; oppure i pili, che facilitano l'adesione alle superfici e ad altri batteri.

Organismi procarioti

Gli organismi procarioti sono sempre unicellulari; non formano mai strutture differenziate, al massimo si aggregano in semplici filamenti cellulari. Si riproducono con modalità asessuata, per scissione binaria e si possono scambiare materiale genetico tramite trasformazione, coniugazione e trasduzione. Alcuni esempi: archeobatteri e eubatteri (batteri, cianobatteri, alghe azzurre). Solo una parte dei batteri è considerata patogena per l'uomo, altri hanno un ruolo ecologico fondamentale perché partecipano alla degradazione della sostanza organica e ne permettono il riciclo nelle catene alimentari.

Diversità metabolica

Gli organismi procarioti presentano la maggiore diversità metabolica; possono essere aerobi o anaerobi, autotrofi o eterotrofi (fotoautotrofi, fotoeterotrofi, chemioautotrofi, chemioeterotrofi). Hanno la riproduzione asessuata, la divisione avviene per scissione binaria o trasversale: la cellula aumenta le sue dimensioni e duplica il cromosoma, si divide e il risultato è una cellula figlia con il corredo genetico identico alla cellula madre.

Trasferimento genico

• Verticale: trasferimento genico verticale, da genitore a figlio.
• Orizzontale: permette di scambiare una parte del DNA, così da poter acquisire caratteri nuovi e necessari per una migliore sopravvivenza (es: resistenza agli antibiotici).

Tre meccanismi di trasferimento genico orizzontale

• Coniugazione: la cellula contenente il plasmide F lo trasferisce alla cellula che ne è priva grazie ad un pilus di coniugazione, che permette la formazione di un ponte.
• Trasduzione: durante l'infezione, il fago incorpora un frammento di DNA della cellula batterica e lo trasferisce ad un'altra cellula.
• Trasfezione: la cellula batterica assorbe frammenti di DNA rilasciati nell'ambiente da un'altra cellula.

La possibilità di acquisire nuove caratteristiche è alla base dell'ampia capacità di adattamento dei procarioti. Archea e Bacteria differiscono per composizione di parete cellulare e membrane, tipologia di ribosomi e alcune caratteristiche del genoma.

Archea

Sono i procarioti più antichi (archebatteri: batteri primitivi - archè = antico); alcuni vivono in ambienti estremi a cui si sono adattati nel corso del tempo (acidità, alte pressioni, alte temperature).

Tipologie di Archea

• Metanogeni: microrganismi anaerobi che vivono in paludi e acquitrini, dove il livello di ossigeno è molto basso. Hanno un metabolismo particolare che consente loro di produrre gas metano a partire da anidride carbonica e idrogeno.
• Alofili: vivono in ambienti in cui la concentrazione salina è molto elevata (es: grandi laghi salati). Alcuni di loro possono vivere solo in presenza di concentrazione di sale superiori al 10%.
• Termofili: crescono in ambienti caldi (da 60 a oltre 100 gradi) e spesso acidi (pH 2-4). Alcuni di loro sopportano pressioni elevatissime e possono vivere nei fondali oceanici in prossimità di aree vulcaniche eruttive.
• Psicrofili: vivono in ambienti con temperature inferiori a -10 gradi.

Bacteria

Sono i procarioti più numerosi e più diversificati; si dividono in:

Micoplasmi

Le più piccole cellule viventi, prive di parete cellulare.