Appunti Biologia animale ed Etologia, Prof Tricarico

Appunti biologia animale ed etologia (Tricarico)

Origine ed evoluzione della vita

Il big bang viene considerato l'evento che ha dato origine alla materia. Prima di esso, energia e materia erano compresse in un punto infinitamente piccolo. Il big bang fu un'esplosione che liberò energia dando origine alle stelle e ai pianeti. Quest'epoca non coincide con la nascita della Terra e della vita al suo interno. Avvenne più di 13 miliardi di anni fa. La temperatura era di 100 miliardi di gradi. Protoni e neutroni si scontravano e si aggregavano formando nuclei atomici. A 2500 gradi, i protoni cominciarono ad attirare elettroni, formando atomi.

Il sistema solare, dove noi viviamo, si è formato 4,6 miliardi di anni fa da gas (idrogeno ed elio) e polvere in movimento intorno al Sole (stella principale, nata 5 miliardi di anni fa). Molto dopo il big bang quindi. I pianeti sono: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno, Plutone (?).

L'atmosfera della Terra primordiale era formata da elio ed idrogeno, che poi si dispersero nello spazio. Vi erano continue eruzioni. Attualmente a garantire le forme di vita terrestre è la biosfera, uno strato che si estende tra gli 8 e i 10 km tra lo spazio e la profondità marine e terrestri. La biosfera si è formata successivamente, ancora 3 miliardi di anni fa, quando la Terra era ricca di vulcani che eruttavano polvere e gas nell'atmosfera e rocce fuse sul suolo. Le coste erano dominate da formazioni rocciose di colore verde chiaro che in realtà erano spesso agglomerati di batteri fotosintetici chiamati stromatoliti.

Caratteristiche degli esseri viventi

Gli esseri viventi che in origine occupavano la Terra avevano caratteristiche comuni:

• Si riproducono
• Crescono e si sviluppano
• Sono adattati al loro ambiente (quegli adattamenti lo rendono abile a vivere in quell'ambiente, spesso ambienti lontani hanno condizioni simili, per cui si sviluppano gli stessi adattamenti dei viventi)
• Rispondono agli stimoli (luce, vibrazione, tatto)
• Trasformano l'energia dell'ambiente (catena trofica, che parte sempre dal sole)
• Si evolvono (ci sono degli organismi come coccodrilli e tartarughe che sono rimasti pressoché identici; i mammiferi invece si sono molto evoluti)
• Si estinguono (come i Mammut ed i dinosauri)

È un processo in continua evoluzione, e ancora oggi non conosciamo tutti gli animali che popolano la Terra. Quando si parla di evoluzione, una tappa importante è il microscopio, inventato nel 1665 da Robert Hooke, con il quale osserva piccole cavità separate da pareti che chiama cellule. Da qui parte la teoria cellulare. La cellula è l'unità di base di tutti gli esseri viventi. Tutti gli organismi sono formati da una o più cellule simili, specializzate nello svolgimento di diverse funzioni vitali. Esistono organismi pluricellulari e unicellulari.

Le reazioni chimiche di un organismo avvengono dentro alle cellule. Le cellule si originano da altre cellule e contengono le informazioni ereditarie degli organismi e le passano da cellula madre a figlia. Le caratteristiche basilari della cellula sono:

• La presenza di una membrana che separa la cellula dall'ambiente
• La presenza di enzimi (che sono amminoacidi) essenziali per le reazioni chimiche
• La capacità di duplicarsi e di trasmettere l'informazione genetica
• La possibilità di evolversi

Teorie sull'origine della vita

Esistono diverse teorie:

Ipotesi extraterrestre

La vita sarebbe nata in qualche luogo dello spazio e, in seguito, avrebbe colonizzato la Terra. F. Crick, uno degli scopritori del DNA, sostiene che degli esseri intelligenti avrebbero "inseminato" la Terra. Più credibile è l'ipotesi secondo la quale comete o asteroidi avrebbero portato sulla Terra le prime cellule dalla cui evoluzione si sarebbero originati i viventi che popolano il nostro pianeta. Quest'ultima ipotesi è più credibile in quanto tracce di molecole organiche sono state trovate su meteoriti ed asteroidi caduti sulla Terra.

Ipotesi terrestre

Secondo la quale la vita sarebbe nata sul nostro pianeta. Viene condivisa dalla maggior parte della comunità scientifica. Secondo Oparin (1922), la comparsa della vita sulla Terra sarebbe avvenuta in due fasi: prima si sarebbero formate le molecole organiche (cioè con carbonio) a partire da sostanze inorganiche (senza carbonio); questa serie di eventi prende il nome di evoluzione chimica e, in un secondo momento, esse avrebbero dato origine alle prime cellule per fenomeni di auto-aggregazione (evoluzione prebiologica).

Secondo la teoria dell'evoluzione chimica, l'atmosfera primitiva conteneva metano, ammoniaca, idrogeno e acqua allo stato gassoso. Le reazioni chimiche tra queste sostanze, favorite dall'energia presente sul nostro pianeta sotto forma di calore, scariche elettriche e radiazioni provenienti dal Sole, avrebbero originato le prime molecole organiche. L'atmosfera riducente (senza ossigeno) avrebbe poi favorito la formazione di molecole complesse a partire da molecole più semplici. Le molecole organiche sono diventate sempre più numerose nei mari, iniziando a combinarsi tra loro e a dare origine a piccoli aggregati primitivi (coacervati). Oparin definì questa seconda fase evoluzione prebiologica.

Esperimento di Miller

Miller dimostrò che le molecole organiche (amminoacidi, zuccheri, lipidi) potevano formarsi dalla materia inorganica ricreando un brodo primordiale. Osservò quindi così ciò che aveva affermato Oparin.

Ipotesi successive ad Oparin e Miller

Molti scienziati ritengono che la composizione dell'atmosfera primordiale dovesse essere diversa da quella presunta da Miller. Era ritenuto più probabile che i gas presenti nell'atmosfera fossero soprattutto monossido di carbonio, anidride carbonica, azoto (prodotti da vulcani in eruzione). Alcuni studiosi ritenevano inoltre che la vita si fosse originata a livello di vulcani sommersi o sorgenti sottomarine idrotermali.

Prima di Oparin-Miller: generazione spontanea della vita

Prima di Oparin e Miller, si pensava ad una generazione spontanea della vita, in voga fino al 1600. La vita secondo questa teoria nasceva in modo spontaneo dagli elementi naturali inanimati, in questo comunque dotati di influssi vitali. Si riteneva che gli esseri viventi più semplici, come i vermi e gli insetti, potessero nascere spontaneamente dal fango o da carcasse in putrefazione. Questo era ciò che sosteneva anche Aristotele. Questa teoria fu confutata nel XVII secolo grazie ad alcuni esperimenti di Francesco Redi e di Lazzaro Spallanzani.

Francesco Redi (1668) mise 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. Formulò quindi il concetto di biogenesi: la teoria secondo cui gli organismi viventi si riproducono solo a partire da altri organismi viventi, assolutamente in contrasto con la generazione spontanea della vita. Spallanzani (1768) condusse un altro esperimento simile ma che dimostrava che l'aria poteva dare origine ad alcuni organismi.

Egli preparò degli infusi e li sterilizzò facendoli bollire per più di un’ora. Alcuni di questi infusi erano contenuti in recipienti di vetro sigillati alla fiamma. Solo in questi contenitori non si verificava la crescita batterica (l'infuso non si intorbidiva né era possibile osservare microrganismi al microscopio). Dopo tale polemica, il problema sembrava risolto grazie al rigore sperimentale del fisiologo italiano, ma i sostenitori della generazione spontanea obiettavano che la tecnica del riscaldamento delle infusioni alterasse le condizioni dell'aria in modo tale da impedire la vita all'interno dei recipienti chiusi.

Rimaneva però aperta la questione dei microrganismi. Così Pasteur nel 1860 utilizzò delle beute a collo di cigno, che permettevano l'entrata di ossigeno, elemento indispensabile allo sviluppo della vita, ma impedivano che il liquido all'interno venisse a contatto con agenti contaminati come spore e batteri. Egli bollì il contenuto uccidendo così ogni forma di vita all'interno e dimostrò che i microrganismi riapparivano solo se il collo delle beute veniva rotto, permettendo così agli agenti contaminanti di entrare. Pasteur fu in grado di confutare definitivamente la teoria della generazione spontanea a favore della teoria della biogenesi. Studiò anche la fermentazione alcolica, convinto dell'origine biologica del fenomeno (fermenti) e l'irrancidimento del burro. Coniò i termini "aerobiosi" (vita in presenza di ossigeno) ed "anaerobiosi" (vita in assenza di ossigeno), tuttora utilizzati; e fondò la microbiologia.

Le cellule

Esistono diversi tipi di cellule, ma tutte hanno in comune:

• La membrana esterna, detta cellulare, che separa la cellula dall'ambiente esterno
• Il materiale genetico, che dirige le attività della cellula e trasmette i suoi caratteri ereditari ai discendenti

La grande differenza tra le cellule è che ne esistono alcune procariote ed altre eucariote, che hanno caratteristiche diverse:

Gli organismi eterotrofi e autotrofi

Gli organismi eterotrofi: Ricavano l'energia e le molecole necessarie per costruire le proprie strutture da fonti esterne. Tutti gli animali, i funghi e molti organismi unicellulari sono eterotrofi.

Gli organismi autotrofi: Questa tipologia di organismi sintetizza in modo autonomo le biomolecole attraverso la fotosintesi clorofilliana e la chemiosintesi di molecole organiche complesse. Le piante, ad esempio, sono organismi autotrofi. (La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due reazioni chimiche una l'inverso dell'altra).

La teoria endosimbiotica

Secondo questa teoria, le cellule eucariote derivano da quelle procariote. Lynn Margulis ipotizzò che mitocondri e cloroplasti fossero derivati da antichi procarioti simbiotici che poi trovarono ospitalità all'interno di cellule procariotiche più grandi, dette cellule ancestrali, caratterizzate da una membrana porosa. Questo processo prende il nome di endosimbiosi, in base al quale la cellula più grande fornisce molecole e sali minerali, mentre i procarioti (mitocondri e cloroplasti) forniscono energia e alcune molecole.

La vita sulla Terra si è evoluta in tappe successive

• Le prime cellule eucariote comparvero 1,8-1,5 miliardi di anni fa nella biosfera (che contiene tutta la vita esistente).
• Il passaggio da unicellulari a pluricellulari non è stato diretto, ci sono state formule intermedie come le colonie delle alghe Volvox, che hanno dato origine alle prime forme pluricellulari.

La pluricellularità ha dato origine alla specializzazione delle cellule, infatti in seguito alla formazione di organismi pluricellulari, sulla Terra è comparsa un'enorme varietà di forme di vita. (Pluricellularità: cellule specializzate)

Ere geologiche della Terra

• Era precambriana
• Era paleozoica: Esplosione di forme di vita nel periodo Cambriano (terminato con catastrofe)
• Era mesozoica: Massima diffusione dei dinosauri (terminato con catastrofe)
• Era cenozoica: Diffusione di angiosperme, pesci, uccelli e insetti.

Tempo profondo

È un concetto che è mutato dalla geologia perché nel 1700 molti geologi cominciarono a interrogarsi sulla durata della storia della Terra. Per spiegare eventi come la nascita delle catene montuose, lo scozzese Hutton parlava di tempi lunghissimi. Questa intuizione si rivelò importante anche per l'elaborazione di una teoria dell'evoluzione, dal momento che la storia della vita richiede anch'essa tempi lunghissimi. Tempo profondo: Il tempo delle trasformazioni naturali, tanto lungo che per noi è quasi impossibile farcene un'idea chiara. I più antichi organismi viventi risalgono a 3,5 miliardi di anni fa.

Il pensiero di Hutton venne ripreso e sviluppato agli inizi dell'800 da Charles Lyell, geologo e maestro di Darwin. Secondo Lyell, la conoscenza dei processi attuali è sufficiente per spiegare tutti i fenomeni verificatisi nel passato della Terra e di cui oggi troviamo le tracce. Questo principio portò Lyell a sostenere anche l'idea del gradualismo, secondo il quale gli eventi di cui troviamo traccia in natura, per quanto appaiano grandiosi, sono frutto del sommarsi nel tempo di piccoli cambiamenti e non di eventi improvvisi e catastrofici.

La classificazione degli organismi

Gli organismi vengono classificati per essere studiati. Nel XVIII secolo Carlo Linneo, studioso di botanica, inventa il sistema di classificazione ancora in uso: la nomenclatura binomia. Ogni essere vivente è identificato da due nomi: genere e specie.

Il genere è un gruppo di specie correlate, derivate da un antenato comune. (Cognome) La specie è costituita da individui molto simili tra loro che possono incrociarsi producendo una prole fertile (figlio che a sua volta può riprodursi). Specie diverse possono accoppiarsi ma la prole solitamente non è fertile.

Esempio:

• Genere: Equino Specie: Cavallo
• Genere: Equino Specie: Asino
• Genere: Equino Specie: Zebra

Cavalla e Asino possono incrociarsi, formando un Mulo, che però è sterile. Asina e Cavallo possono anch'essi riprodursi e formare un Bardotto, che è sterile. Asina e Zebra possono riprodursi e dar vita ad uno Zonkey, sterile.

• Genere: Canis Specie: Volpe
• Genere: Canis Specie: Sciacallo
• Genere: Canis Specie: Lupo

Lupo e cane sono biologicamente la stessa specie (Canis lupus): il lupo è una specie naturale, il cane è il risultato della selezione artificiale esercitata da più di 14000 anni. Cani (sia domestici che rinselvatichiti) e lupi possono incrociarsi e produrre prole fertile.

Razza: È di uso zootecnico (si riferisce ad animali addomesticati), non zoologico. Si parla di razza quando si ha la generazione artificiale di un gruppo animale appartenente agli animali domesticati dall'uomo e creati artificialmente. Le razze riguardano gli animali domesticati, create dall'uomo facendo accoppiare determinati animali con altri con particolari caratteristiche. Non esistono per questo razze umane. Per le piante si parla invece di varietà.

La classificazione degli organismi è basata su un sistema gerarchico formato da gruppi (o unità tassonomiche) e su criteri evolutivi:

• Domìni
• Regni
• Divisioni (piante e funghi) o phyla (animali)
• Classe
• Ordini
• Famiglie
• Generi
• Specie

Ci sono varie branche che si occupano della classificazione:

• La tassonomia classifica gli organismi in base a somiglianze e differenze, e delle regole di classificazione.
• La sistematica studia le relazioni tra organismi (viventi e fossili).

Spesso le strutture analoghe hanno un'origine evolutiva differente nonostante svolgano la stessa funzione, come le ali; quelle di una farfalla, di un uccello e di un mammifero (pipistrello) sono diverse.

Le strutture omologhe sono tali se hanno un'origine comune, come l'arto superiore dei vertebrati. Ad esempio, anche gli embrioni di pesci, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi hanno un'origine comune.

La filogenesi si occupa della storia evolutiva degli organismi, considerando l'origine delle somiglianze e differenze.

La genetica può aiutare a ricostruire la storia evolutiva e le somiglianze/differenze tra organismi (utile soprattutto per organismi unicellulari). Uno strumento importante è l'albero filogenetico, che mostra somiglianze e differenze.

Le prime classificazioni

Le prime classificazioni vennero fatte da Linneo, secondo cui gli organismi si dividevano in due grandi regni: animali (inclusi i protozoi) e piante (inclusi funghi, batteri e alghe). Poi si aggiunsero funghi, i protisti (unicellulari eucarioti) e le monere (unicellulari procarioti=batteri). Negli anni '60, i regni erano cinque. La classificazione corretta dice che ci sono tre domini e sei regni.

I tre domini

• Eubacteria (Eubatteri)
• Archaebacteria (Archeobatteri)
• Eukarya (con cellule eucariote)

I sei regni

• Eubatteri
• Archeobatteri
• Protisti
• Piante
• Funghi
• Animali

I batteri

I batteri (o monera) sono procarioti microscopici; organismi unicellulari dove il DNA non è racchiuso in una membrana. Sono i più antichi e numerosi organismi della Terra. Colonizzano gli ambienti più diversi.

Sono semplici, si riproducono molto e velocemente, perché si riproducono per scissione binaria (in 20 minuti si raddoppiano). Vivono in tutti gli ambienti e, quando si trovano in condizioni sfavorevoli, si trasformano in spore (cellule resistenti). I batteri dal punto di vista della nutrizione possono essere eterotrofi (patogeni, che vivono sugli animali, e saprofiti, che si nutrono di natura morta) e autotrofi (fotosintetici e chemiosintetici).