Appunti biologia animale

Biologia animale

Studio del mondo animale, zoologo colui che studia il mondo degli animali. Interesse maggiore nel '500 in Francia e in Inghilterra, in cui ci si interessava sulla classificazione e sulla sistematica degli animali. Con Darwin nel 1859 “teoria sull'evoluzione” ci fu una svolta.

Sistematica e classificazione

Sistematica → ovvero identificare e classificare gli organismi viventi (catalogare), ordine che permette di identificare rapidamente. La classificazione degli organismi viventi, tiene conto del legame di parentela, disponendo così gli animali in un sistema gerarchico, in cui ogni livello è chiamato Taxon. La specie è la categoria fondamentale, è una categoria naturale facilmente intuibile morfologicamente, due individui appartengono alla stessa specie se incrociati tra loro danno origine a discendenti anch’essi fecondi. Questa definizione è però di difficile applicazione, quindi ci si basa per lo più sul fenotipo.

Categorie tassonomiche

Specie con somiglianze tra loro sono raggruppati in genere, più generi simili riuniti in una famiglia, famiglie con caratteri comuni sono riunite in un ordine, più ordini in una classe, più classi simili in un phylum, vari phyla formano un regno. Classificare significa conoscere in ogni suo aspetto, lo zoologo deve conoscere il mondo vivente.

Osservazione funzionale

Deve avere una visione di insieme, deve avere un approccio multifunzionale. Osservare un animale attraverso le sue funzioni vuol dire anche inquadrarlo evolutivamente, capire come si sono evolute le strategie per fronteggiare le sue necessità funzionali. Quindi se pensiamo agli animali sulla base delle loro necessità potremmo dire che funzionalmente un animale è un sistema autonomo aperto in grado di scambiare con l'ambiente circostante in ingresso e in uscita, in ingresso cibo e gas respiratori per esempio, e in uscita gas respiratori, feci, cataboliti e gameti e le funzioni necessarie.

Bauplan e adattamenti

In questo sistema sono importanti la capacità di isolarsi dall'ambiente esterno quindi con il tegumento, avere la possibilità di sostenersi e di muoversi, avere un'alimentazione con ingresso di cibo ed eliminazione di materiale attraverso le feci, la capacità di respirare quindi scambiare gas respiratori, avere la possibilità di distribuire all'interno del corpo tutto quello che può essere utile o da raccogliere per poi portarlo verso l'esterno. Abbiamo la possibilità funzionalmente di eliminare cataboliti e regolare l'osmosi per un controllo endocrino, difendersi dai possibili attacchi di qualsiasi patogeno esterno, la capacità di riprodursi e quindi il controllo nervoso e gli organi di senso. L'organizzazione complessiva del corpo di un animale è il suo bauplan che condivide con altri organismi che appartengono al suo stesso phylum.

Il bauplan è quindi il disegno corporeo, lo schema strutturale che definisce un animale. I componenti del bauplan sono componenti corporei che devono essere strutturalmente e funzionalmente compatibili, questo vuol dire che non tutti gli schemi corporei sono possibili e quindi i componenti corporei dell'organismo devono essere compatibili fra loro e con l'ambiente e l'acquisizione la comparsa di nuove strutture vengono poi selezionate letteralmente se adatte all'ambiente. Le restrizioni per la costruzione di un bauplan sono imposte quindi dall’ambiente ma anche dalle dimensioni e dalla forma che costituiscono dei vincoli imprescindibili.

Adattamenti ambientali

Abbiamo sottolineato che gli organismi sono sistemi complessi che operano ed evolvono in sintonia con l'ambiente quindi l'animale deve essere analizzato nell'ambiente che lo ospita, la vita è possibile solo se le condizioni ambientali sono compatibili con la necessità degli individui. Ha una fondamentale importanza l'ambiente interno ma è l'ambiente esterno che in ultima analisi stabilisce se l'organismo può funzionare o no. Un animale che vive in mare vive in un ambiente stabile, con una composizione salina compatibile con quella interna e si trova in presenza di abbondanza di nutrimento, questo non è così scontato in ambiente d'acqua dolce e nell'ambiente terrestre che invece sono ambienti stressanti perché gli animali devono far fronte a concentrazioni saline e di ossigeno variabili. In l'ambiente terrestre l'animale ha a che fare con un ambiente molto variabile e deve combattere per esempio quel problema della disidratazione.

Anche ambienti particolarmente stressanti ambienti estremi come deserti, i poli e le sorgenti idrotermali sono abitati perché sono stati "inventati" adattamenti tali da rendere possibile la vita.

Scambi e superficie-volume

Molte le caratteristiche strutturali e funzionali sono correlati a dimensione e forma, tutti gli organismi hanno la necessità di scambiare sia con l'ambiente interno che esterno. Gli organismi unicellulari possono per semplice diffusione operare scambi con l'ambiente acquatico esterno, ma con la pluricellularità e l'aumento dimensionale dell'organismo lo scambio per diffusione risulta più difficoltoso e insufficiente. Il volume di un organismo cresce più velocemente della sua superficie perché il primo è una misura al cubo e la seconda al quadrato, questo rapporto superficie-volume è alla base degli adattamenti che regolano gli scambi negli organismi viventi. Con volumi ridotti, ovvero dimensioni ridotte dell'animale, il rapporto superficie-volume è favorevole agli scambi con l'esterno.

Mentre con volumi grandi, cioè in animali di grosse dimensioni, il rapporto superficie-volume è sfavorevole e inadeguato a garantire efficienti scambi con l'esterno. Quindi ci sono diverse strategie per ovviare a questi inconvenienti, per esempio c'è la possibilità di avere un cambiamento una modifica della forma del corpo con uno schiacciamento dorso-ventrale, cioè l'animale diventa fogliforme oppure con un enorme allungamento a fronte di un diametro ridotto.

Vantaggi e svantaggi delle dimensioni

Ma se un animale è di grosse dimensioni è penalizzato? Ci sono vantaggi e svantaggi. Sicuramente il vantaggio in una taglia corporea notevole sta nel fatto che internamente ci sarà un mantenimento migliore degli equilibri omeostatici in rapporto ai cambiamenti ambientali. Ci sarà una maggiore protezione contro una predazione, l'energia metabolica infine utilizzata con maggiore efficienza. Gli svantaggi sono chiaramente le superfici che sono utilizzabili per gli scambi gassosi e nutrizionali non saranno sufficienti e quindi in qualche modo dovranno esserci dei sistemi che servono a questo tipo di necessità, l'aumento della massa corporea richiede delle strutture resistenti importanti per tollerare il peso.

Modelli strutturali condivisi

Anche se gli animali presentano una grande variabilità delle forme adulte e le strategie adottate sono estremamente varie, è possibile identificare dei modelli strutturali condivisi, questo perché molti problemi di adattamento strutturali e funzionali si sono presentati ripetutamente durante l'evoluzione. Tutti questi problemi trovano la risoluzione sulla base di pochi principi biologici, fisici e chimici. Facciamo qualche esempio:

• La respirazione in ambiente acquatico qualsiasi sia l'animale deve prevedere delle strutture conformate come le branchie.
• Stessa cosa per quanto riguarda animali in ambiente terrestre respirano per polmoni, anche qui animali molto diversi fra loro con soluzioni diverse ma devono comunque avere delle strutture che possano essere definite come polmoni.
• Stessi meccanismi chimico-fisici sono alla base del movimento.
• I sistemi sensoriali funzionano basandosi sugli stessi principi il piano strutturale.

Bauplan e simmetria

Il bauplan si definisce in base alla simmetria corporea, a livello di organizzazione cellulare, alla presenza o meno di cavità corporee, alla modalità di sviluppo e foglietti germinativi. Un piano strutturale è praticamente sempre definito da una simmetria, si parla di simmetria facendo riferimento alla disposizione delle diverse parti corporee in relazione al principale asse corporeo. Diversi tipi di simmetria possono essere identificati a seconda di quanti siano i piani che passano per l'asse oro-aborale o antero-posteriore e dividono l'animale in parti speculari.

Esistono anche organismi a simmetria sferica, con molti piani passanti per il centro della struttura, in questo caso c'è un'assenza di polarità, c'è una differenziazione centro periferica, non ci sono specializzazioni particolari e questo tipo di simmetria è legata a pochi protozoi platonici.

La simmetria radiale o raggiata caratterizza tutti gli organismi in cui più piani suddividono il corpo in parti speculari (polpi). Qui vediamo l’asse oro-aborale che identifica un sopra è un sotto, non esiste un davanti un dietro, è tipica degli animali sessili o platonici alla deriva e garantisce l'organismo animale un controllo dell'ambiente a 360°. Poi nella particolarità potremmo parlare anche di una simmetria raggiata perfetta, di una pentaraggiata e di una birraggiata.

La simmetria bilaterale interessa la maggior parte degli animali, è un solo piano divide l'animale in due parti speculari e quindi l'asse antero-posteriore del corpo divide il corpo in una porzione destra e sinistra. Questo tipo di simmetria è presente in animali con movimento controllato ed è associata al fenomeno della cefalizzazione. Quando un animale si muove su un substrato presenta per primo rivolto all'ambiente che sta esplorando l'estremità anteriore e quindi c'è una diversità netta fra la parte anteriore e quella posteriore ma c'è una diversità anche fra la parte ventrale e la parte dorsale mentre le superfici laterali hanno una relazione simile rispetto all’ambiente.

Considerazioni evolutive sulla simmetria

Se immaginassimo di tagliare un animale a simmetria bilaterale lungo l'asse che passa fra bocca e ano otterremmo una sezione sagittale nel caso in cui lo stessimo dividendo in una parte destra e sinistra, otterrei una sezione frontale se invece lo stessimo dividendo in una parte dorsale e una ventrale. Ogni taglio perpendicolare all'asse tra bocca e ano sarebbe invece considerato come una sezione trasversale. Le sezioni sagittali frontali e trasversali identificano dei piani di simmetria che permettono di definire le diverse zone corporee.

Rapporto simmetria e bauplan

Facciamo qualche considerazione sul rapporto simmetria e bauplan che diventa chiaro osservando in chiave evolutiva, la diversità degli animali. I primi metazoi come le spugne poriferi non hanno una simmetria e sono organismi che sono fortemente condizionati dall'ambiente in cui si trovano. La simmetria radiale invece è tipica di organismi che ricevono gli stimoli senza una direzione preferenziale, sono tutti animali acquatici che sono privi di cefalizzazione e con un sistema sensoriale nervoso relativamente poco sviluppato.

La comparsa di bauplan bilateri invece è un momento determinante di svolta perché c'è il processo di cefalizzazione. Gli animali accentrano in una zona, che è il capo, il tessuto nervoso che forma dei veri e propri aggregati nervosi fino a formare dei cervelli. Sul capo si trova l'apertura orale e anche tutta quella serie di recettori visivi e chimici che diventano sempre più importanti in queste zone e diventano sempre più abbondanti. A questo punto la ricezione degli stimoli non è più a 360° come gli animali che hanno una simmetria raggiata, ma questi animali tendono a muoversi per orientare il capo e quindi gli organi sensoriali verso gli stimoli e la cefalizzazione è un momento fondamentale perché tutti gli animali attuali sono sostanzialmente bilateri.

Cavità corporee e metameria

Un momento importante è la comparsa delle cavità corporee. Un bauplan privo di cavità ha dei limiti dimensionali o limitazioni ad ambienti acquatici o comunque molto umidi e questo perché non ci sono altri modi per regolare gli scambi fra interno ed esterno. Con la comparsa di cavità, pseudoceloma e celoma (lo pseudoceloma senza pareti proprie, il celoma con pareti proprie, entrambe le cavità piene di liquido), queste cavità comunque diventano fondamentali per il trasporto e il sostegno, le colonne di liquido contenute diventano e funzionano come dei veri e propri idroscheletri.

Ulteriore incremento della variabilità delle forme dei viventi, gli animali attuali sono soprattutto celomati, parallelamente alla formazione del celoma in diversi taxa di bilateri si assiste a una suddivisione del corpo in porzioni che all'inizio sono simili e poi diventano nel corso dell'evoluzione differenti e questi segmenti ripetuti prendono il nome di metameri. In ogni metamero c'è proprio questa ripetizione di alcuni o tutti gli organi. La metameria è presente in organismi che hanno avuto un grande successo evolutivo come gli artropodi e nel phylum al quale apparteniamo, i cordati.

Livelli di organizzazione

In parallelo a quanto detto per i bauplan è anche possibile riconoscere diversi livelli di organizzazione della complessità degli animali: la cellula è l'unità in grado di svolgere tutte le funzioni vitali e il comune denominatore di tutti gli organismi viventi partiamo dal livello del protoplasma che è tipico degli unicellulari che svolgono tutte le funzioni in un'unica cellula di tipo eucariote con organuli e compartimentalizzazione nella complessità segue il livello cellulare che ha raggiunto grazie alla formazione di aggregati cellulari in cui si assiste a una suddivisione dei compiti dei lavori senza arrivare alla formazione di tessuti a questo livello appartengono i protozoi coloniali e per molti studiosi anche le spugne i poriferi.

Abbiamo poi il livello cellula-tessuto, le cellule iniziano a organizzarsi in veri e propri tessuti, l'esempio più chiaro è dato dai cnidari in cui convivono ancora molte cellule non organizzate con invece dei veri e propri tessuti. Quindi abbiamo il livello tessuto-organo, diversi tipi di tessuto si organizzano per formare gli organi, è il livello tipico dei platelminti, in cui convivono tessuti non organizzati e organi.

Livello organo-apparato: più organi caratterizzati dalla stessa origine embrionale formano degli apparati, come per esempio l'apparato digerente. A questo livello appartengono in generale gli pseudocelomati. Quindi abbiamo il livello organo-apparato-sistema, a questo livello appartiene la maggior parte degli animali, principalmente i celomati e in questo caso gli apparati si organizzano in sistemi che in genere non hanno un'origine embrionale unica. C'è da notare che l'organizzazione in organi e tessuti specializzati risponde alla necessità della formazione di un vero e proprio ambiente interno in cui i liquidi intracellulari ed extracellulari possono avere diverse composizioni.

Tegumento: protezione e funzioni

Il tegumento è la prima protezione corporea nei confronti dell'ambiente esterno, l'epitelio superficiale e il connettivo sottostante con il loro spessore e le molteplici specializzazioni, per la presenza di melanofori, cromatofori, esoscheletro, le spine, peli, penne, svolgono il ruolo di prima barriera contro agenti fisici o chimici, vale a dire riguardanti temperatura esterna, equilibrio idrico, agenti chimici. Sono una prima barriera contro le sollecitazioni meccaniche, vale a dire abrasioni e danni da predazione e sono una barriera contro gli agenti patogeni, quindi batteri, funghi e altri parassiti.

Possiamo chiederci perché sia così importante anzi basilare il lavoro complessivo del tegumento e dobbiamo quindi ricordare che il verificarsi delle reazioni chimiche che avvengono all'interno degli organismi è possibile solo entro certi limiti di temperatura che sono definiti da leggi chimico-fisiche. Difatti al di sotto degli 0 gradi l'acqua solidifica e a temperature che si avvicinano ai 40 ° accade che si denaturano le proteine.

Funzioni del tegumento

Le funzioni del tegumento sono molteplici. Innanzitutto, sono proprio di definizione e protezione perché il tegumento costituisce l'interfaccia con l'ambiente, è importante nel mimetismo e nella trazione sessuale. È fondamentale come difesa e offesa, pensiamo alla presenza di unghie e artigli. È importante per la ricezione degli stimoli perché sede di recettori e strutture sensitive, serve per la termoregolazione con la presenza di penne, peli e ghiandole annesse, viene a essere importante nella regolazione idrosalina fondamentale degli scambi gassosi. Nel nutrimento della prole con le ghiandole mammarie, quindi in alcuni animali serve come accumulo di sostanze di riserva, si pensi al grasso e pannicoli adiposi nel derma, ed è importante anche nella locomozione proprio per la presenza di squame, ali e cuscinetti rugosi.

Struttura del tegumento

Il tegumento in molti animali, per esempio nei vermi, può essere fatto da un solo strato di cellule, quindi la superficie esterna è molto sottile e molto spesso questa superficie ha una protezione cuticolare. La cuticola è acellulare, è un prodotto delle cellule epiteliali, può essere più o meno spessa. Quando è spessa, è fatta da tanti strati e può essere continua come nei nematodi o discontinua a blocchi come nel lombrico. È fatta sostanzialmente da fibre collagene che sono disposte con angolazioni diverse nei vari strati e questa disposizione assicura una grande resistenza e protezione. In altri casi, come nei molluschi, l'epitelio e quindi gran parte del corpo dell'animale è protetto da una conchiglia che è fatta da molti strati. La conchiglia è fatta da carbonato di calcio e materiale organico ed è più o meno spessa a seconda che l'animale vive in ambiente terrestre come nel caso delle chiocciole o in acqua.

In tutti gli artropodi, fra cui crostacei, insetti, aracnidi, il corpo è protetto da un esoscheletro continuo chitinoso con spessori differenti in relazione alle regioni corporee, più spesso dorsalmente, mentre sottilissimo a ricoprire per esempio gli occhi o è particolarmente elastico per la presenza di proteine specifiche, come nelle zampe degli animali saltatori.