Appunti biologia produzioni primarie - modulo vegetale (modulo A e B)

Origine della vita

Caratteristiche dei viventi

Sono oggetti complessi, altamente organizzati, ricevono stimoli ed impulsi, che in qualche modo elaborano. Sono in grado di riprodursi e di evolversi mediante la selezione naturale. Mantengono un ambiente interno costante ovvero la capacità di trasformare le informazioni, rispondere agli stimoli e mantenere sempre le capacità potenziali dell’organismo, anche in momenti in cui non si è in una fase di accrescimento, di sviluppo o di riproduzione (ovviamente fino a che l’organismo sia ancora in vita). Processo che ha una certa durata nei singoli individui.

La strategia che garantisce la permanenza della vita su questo pianeta è il concetto di: varietà. Ovvero che la vita si basa su molecole presenti dagli organismi più semplici come i batteri a quelli più complessi. Sono le molecole informazionali (contengono dei codici e fanno sì che gli organismi siano fatti in un certo modo) DNA e RNA. Tutti gli organismi provengono dallo stesso percorso evolutivo, ovvero prototipi diversi, con lo scopo di essere sempre più performanti nei vari ambienti e modelli che crea la natura.

La natura cambia i vari meccanismi molecolari, fisiologici e strutturali per affrontare condizioni differenti. Cambiano le condizioni e cambiano quindi le specie, che riescono ad adattarsi. Il grado di diversificazione della vita viene riconosciuto con il termine di “biodiversità”, un indicatore dello stato di salute della vita sul pianeta. Ogni volta che scompare una specie, se ne riduce un grado. Ci comunica quanto la vita sia legata e quante probabilità ci siano che sia presente sul nostro pianeta.

Le proprietà

• Organizzazione strutturale: specifica e data forma dell’organismo
• Organizzazione fisiologica: Il funzionamento dell’organismo, ovvero le molecole che sono in grado di estrarre l’energia che serve all’organismo, altrimenti si verificherebbe una disgregazione dell’organismo (nel caso della morte di un essere vivente).
• Omeostasi: Capacità dei viventi di mantenere l’ambiente interno diverso da quello esterno (es. mantenimento della temperatura corporea, pH dello stomaco, grado di salinità). Il mantenimento delle caratteristiche interne di un organismo consuma molta energia.
• Reattività: Reazione di un organismo da stimoli dell’ambiente esterno (Le piante sono in grado di produrre numerose molecole diversificate tramite una capacità, riconosciuta come plasticità biochimica).
• Adattamento: Capacità di adattamento all’ambiente.
• Riproduzione
• Accrescimento: Assumere e trasformare energia dall’ambiente esterno.
• Sviluppo

I sei regni

L’albero filogenetico: tutti i viventi provengono da antenati, ecco perché tutti gli organismi viventi sono connessi tra di loro. 3 Grandi domini sono: Eubacteri, che comprendono il regno dei batteri, gli Archea (in grado di vivere in difficili condizioni di vita, condizioni estreme, sono procarioti unicellulari, molto simili ai loro antenati) Eukarya che comprendono protisti, piante, funghi e animali (costituite da cellule eucariote molto più complesse, costituite da vari scompartimenti, vi si trovano organismi sia unicellulari che pluricellulari).

Le piante sono organismi autotrofi, tramite la fotosintesi producono glucosio e ossigeno, senza la loro capacità non sarebbe stata possibile la vita degli animali, che sono eterotrofi, i quali devono assumere molecole organiche per alimentarsi, ne dipendono come anche i funghi hanno bisogno di acquisire le molecole organiche dell’ambiente esterno. Mentre i protisti sono gli organismi più semplici.

Resilienza: caratteristica dei viventi, saper modulare sulla variabilità, riguardo un cambiamento delle condizioni di vita.

L'origine della vita

L’Origine del pianeta Terra avviene 4,5 miliardi di anni fa, quando si è originato il nostro sistema stellare, ovvero quello solare. Inizialmente vi era un ambiente non vivibile, vi erano molti vulcani, l’atmosfera primordiale era costituita da gas vulcanici come azoto, ammoniaca, metano… e non era presente l’ossigeno. L’ambiente era anaerobio, azioni chimico fisiche peculiari, tali della presenza di piccole molecole, di cui i loro legami erano rotti dall’energia fornita dal calore liberata da fulmini, radiazioni…

La rottura di questi legami portò la creazione di molecole più complesse, ricombinando composti organici, o cadevano in acqua o venivano portate in acqua dalla pioggia, tramite processo di affinità chimica, iniziarono così ad aggregarsi le sostanze polari con quelle apolari formando le membrane biologiche, cellulari, ovvero una struttura lipidica che confina uno spazio dal resto, all’interno hanno iniziato a dar forma dei prodotti, delle molecole, molecole enzimatiche, in grado di sostenere reazioni chimiche atte a mantenere tutto in ordine, altre molecole indispensabili sono le molecole informazionali, grazie alla loro duplicazione danno origine ad un nuovo organismo (carattere energetico e informazionali, garantiscono l’organizzazione strutturale e consentono che una data informazione passi da un organismo all’altro).

Dimostrazione scientifica di ciò è l’esperimento di Miller. Origine dei primi aggregati molecolari a costituire unità cellulari: 3,8 miliardi di anni fa. Compaiono i primi fossili (procarioti), vivono in acqua, schermati dai UV, le radiazioni elettromagnetiche. In seguito compaiono i primi organismi fotosintetici dopo circa 187500000, iniziano a produrre ossigeno che satura l’acqua, l’O va a saturare le rocce dei bacini contenenti metalli e nei vari milioni di anni l’O inizia ad essere presente e libero nell’atmosfera (circa 2 miliardi di anni fa), questa nuova condizione aerobica ha permesso di estrarre l’energia a valore nutrizionale, quindi comparsa del metabolismo aerobio, precedentemente i procarioti usavano molecole semplici per ricavare energia, utilizzavano altri processi chimici, estraendo pochissima energia.

Il ritardo dell’arrivo dell’ossigeno nell’atmosfera sia dovuto alla grande quantità di ferro disciolto negli oceani, che reagiva con l’ossigeno rilasciato per formare enormi depositi di ossidi di ferro. Inoltre ha fatto sì che l’ozono salisse e creasse uno scudo, si crea la fascia di O₃ dalle radiazioni del sole, da questo momento la vita era possibile anche al di fuori dall’acqua, ha quindi condizioni più favorevoli. Circa 1 miliardo di anni fa compaiono i primi organismi pluricellulari, la vita da origine a più vite diverse più si perpetua nel futuro (concetto biodiversità), compaiono poi le piante a fiore in seguito i dinosauri e poi l’uomo.

Quindi eventi fondamentali nel primo miliardo della vita sono la fotosintesi e la riproduzione sessuale, precedentemente avveniva dal passaggio di una cellula a due cellule (con poca diversificazione) mentre quella sessuale è la riproduzione tra due soggetti che permettono un passaggio di molecole, generando un nuovo e diverso individuo (concetto di biodiversità). I procarioti, vivono in acqua, si accrescono di dimensioni e predano cellule più piccole, si instaura un rapporto simbiotico, perché alcune sopravvivono e in forma endosimbiosi vengono integrate nella composizione dell’ospite in modo permanente, vi è quindi vantaggio reciproco, tramite fagocitosi, ovvero si crea un’invaginazione della membrana, da due organismi si ottiene un unico organismo, inglobando l’altra cellula.

Dalle cellule procariotiche si passa a cellule compartimentate (con una compartizione interna), contengono dispositivi biochimici, atti a funzioni biochimiche specializzate, si parla quindi delle cellule eucariotiche (accade circa 1,5 miliardi di anni fa). “Le cellule sono le unità più piccole aventi tutte le caratteristiche degli organismi viventi.” Questa definizione deriva dalla prima osservazione nel 1665, effettuata su sughero. Mentre il fatto che tutti gli organismi sono costituiti da cellule risale al 1839 e che le cellule derivano da cellule preesistenti al 1858. Quest’ultime due definizioni rappresentano la Teoria Cellulare.

Dimensioni cellulari

Tutte le cellule vanno da 1 a 100 micron (µm, divisione in mille di un millimetro). Le cellule presentano un volume ridotto per mantenere un elevato rapporto tra la superficie esterna e il volume, permettendo scambi adeguati di materiale con l’ambiente.

Flussi di materia e di energia nei viventi: Il metabolismo

In ogni organismo vivente avvengono continuamente reazioni metaboliche. Far sì che vi sia un continuo cambio delle cellule è necessario un continuo rifornimento di energia, tramite la nutrizione ovvero dagli alimenti, che possono essere autogenerati (autotrofi) o da altre molecole (eterotrofi), vari sono i processi: Alcuni alimenti sono usati per sintetizzare i materiali necessari per le strutture cellulari.

Tramite un processo aerobico, ovvero la respirazione cellulare, in cui gli alimenti vengono usati come carburante, avviene un processo biologico di degradazione delle molecole, ottenendone quindi energia. Tale energia viene utilizzata nella sintesi e per altre forme di lavoro cellulare. Il continuo apporto di energia dal sole mantiene in funzione la biosfera.

Durante la fotosintesi, i produttori utilizzano l’energia solare, per produrre molecole complesse, a partire da anidride carbonica e acqua. In questo modo i consumatori ricevono energia, cibandosi dei produttori, mentre i decompositori ottengono energia e il carbonio da altri rifiuti e dal materiale organico morto. Durante ogni trasformazione si verifica una perdita di energia, sotto forma di calore.

Organismi autotrofi: Sono in grado di nutrirsi solamente tramite sostanze inorganiche, le piante sono fotoautotrofe, utilizzano energia solare a partire da acqua e anidride carbonica, producendo glucosio e ossigeno, producono quindi sostanze organiche per i consumatori ovvero gli organismi eterotrofi, ve ne sono di vari livelli, in base alla quota di energia che viene dissipata, ovvero persa, indica quanto gli organismi viventi pesano a livello complessivo. Altra categoria sono i decompositori, riducono a CO₂ e H₂O, degradando la materia organica, rimettendo in circolo anidride carbonica e ossigeno. In casi rari come alcuni batteri, gli organismi ricavano energia dall’ossidazione di sostanze inorganiche (chemioautotrofia).

Eterotrofismo: processo quindi in cui l’organismo si nutre di sostanze organiche prodotte da autotrofi, o si alimentano da erbivori o da carnivori (tramite ingestione), o tramite assorbimento (alcuni batteri e funghi). Autotrofi ed eterotrofi possono estrarre energia in aerobiosi, il glucosio va in contro alla glicolisi e si verifica la respirazione cellulare (mitocondri), producendo H₂O e CO₂ e energia intrappolata in 36 molecole di ATP. In anaerobiosi, la molecola di glucosio va in contro a glicolisi e si verifica una decomposizione parziale, ottenendo molecole con un maggior numero di carbonio e ottenendo 2 molecole di ATP.

La reazione chimica: Indica i componenti di partenza più importanti della fotosintesi ed alcuni dei composti finali, non sono presenti i numerosi processi chimici fondamentali per questa trasformazione:

3CO₂ + 3H₂O + Energia luminosa → C₃H₆O₃ + 3O₂

• Anidride Carbonica. Acqua assorbita dalle radici Zucchero. Carbonio Ricavata dall'aria A tre atomi di O Gassoso

Le catene alimentari iniziano con un produttore e terminano con un predatore, i produttori devono essere molto più numerosi dei consumatori e questo vale per ogni livello della piramide alimentare. L’efficienza nel recupero di energia è diversa nelle diverse specie animali, ad esempio la carne bovina costa di più in termini di energia, altro esempio è la differenza di consumo di cereali procapite tra paesi ricchi e paesi poveri. Altro esempio è la differenza di proteine nelle diete degli abitanti di diversi paesi, i paesi poveri consumano proteine vegetali, per lo più vegetali, quelli ricchi di origine animale. In ogni caso il 70% di apporto proteico è dato da proteine di origine vegetali mentre da quelli animali il 30%.

Il motivo per cui la vita si presenta sulla terraferma (passaggio necessario per evolvere) è che le acque sono ormai sature di organismi, vi è scarsa efficienza della fotosintesi dell’acqua. Nel momento in cui le piante colonizzano la terra ferma, hanno bisogno di un sistema di isolamento, delle superfici che impediscano la perdita di acqua per evaporazione, vivendo immerse in acqua non ne avevano bisogno, si verifica se no la morte dell’organismo. Per questo motivo le piante hanno dovuto adottare un sistema tegumentale, ma che sia anche una struttura atta a garantire gli scambi di gas. Tali strutture sono i cosiddetti “stomi” (piccole aperture regolabili, in grado di far passare acqua, vapore acqueo), altro dispositivo fondamentale è quello di ancoraggio (apparato radicale) e sostegno del corpo della pianta (una sorta di scheletro, con funzione meccanica). Altro sistema è quello di conduzione di acqua e sali minerali, che dalle radici devono essere portati a tutta la pianta e acqua e zuccheri devono essere traslocati in tutti quelle zone della pianta dove gli zuccheri servono a sostenere il metabolismo. Quindi dalle tallofite (piante a tallo) presenti in acqua si è passati alle cormofite piante a cormo, che sono caratterizzate da avere radici, fusto e foglie.

Nell’evoluzione delle piante vi è la necessità di svincolarsi dall’acqua, ma ciò che le rende ancora dipendenti dall’acqua è la riproduzione, tramite spore. Le piante si svincolano da questa necessità nel momento in cui sviluppano il seme, forma che permette di vivere anche nelle zone più estreme, dove sono state in grado di adattarsi. Nel seme è presente un embrione, in fase embrionale. Nelle piante cormofite vi è una differenziazione in tessuti, vi sono apparati e tessuti diversificati (in quelle a tallo no). Gli organismi composti da cellule eucariote, divisi in protisti, piante, funghi e animali.

Gli organismi eucarioti

• I protisti (gruppo arcaico e più elementare): in grado di svolgere fotosintesi sono i protisti fotosintetici, ne fanno parte le diatomee e le alghe unicellulari verdi, le alghe brune (hanno probabilmente preso origine gli animali), le alghe rosse e le alghe verdi. Le alghe brune, le alghe rosse: Da un punto di vista alimentare le alghe brune vengono utilizzate per essere fonti di iodio, utile quindi per l’ipotiroidismo, si ottengono anche gli alginati che vengono utilizzati come addensanti, attenuano lo stimolo della fame, ridurre livello di colesterolo, ipocolesterololemizzanti) es, fucus e laminaria digitata. Dalle alghe rosse si può estrarre l’agar-agar (sost. gelatinosa, molecole zuccherine in grado di intrappolare l’acqua)… Le alghe verdi sono invece considerate progenitrici delle piante superiori per la presenza di cellulosa nelle pareti, utilizzano l’amido come fonte di riserva, contengono clorofilla a e b pigmenti fotosintetici e hanno una modalità di divisione cellulare mitotica.
• Le piante: I loro antenati erano gli algali, in seguito si verifica l’origine delle piante. Le piante si suddividono in quattro gruppi:
  • Le briofite, prima forma di colonizzazione della terra ferma es. muschio (non è ancora svincolato dall’acqua, non possedendo degli apparati e tessuti), epatiche.
  • Piante vascolari, si dividono in piante senza semi/crittogame (le felci), esse si allontanano dall’acqua, possedendo un tessuto vascolare, ma per la riproduzione (tramite spore, strutture apolidi veicolate da gocce di acque) ne hanno bisogno. Alcuni esempi sono la selaginella (pianta della resurrezione), equiseti (alcune specie utilizzati per alcuni integratori, contenendo sali minerali) e le felci. Le altre sono le piante con semi ovvero le gimnospermi (le conifere, come pini, abeti..), senza fiore quindi il seme è nudo, portato sulla superficie di foglie o fusti modificati. Con il seme (embrione+ riserve nutritizie + tegumenti di protezione) la pianta, ha acquisito la capacità di inviare la propria progenie a conquistare nuovi territori. Il seme germina quando le condizioni lo consentono, di temperatura, di disponibilità idrica. L’uomo ha imparato ad utilizzare il seme a scopo alimentare, come tutte le farine. Ve ne sono circa 700 specie, suddivise in: Cicadacee, Gingkoacee, Conifere (ginepro, le loro bacche vengono utilizzate per aromatizzare, anche per la produzione di un distillato ovvero il gin, larici, abeti, sequoia, tasso, le bacche sono velenose contenendo il tavolo) e Gnetacee (si trovano nel deserto).
  • Le Angiosperme (significa seme racchiuso nel vaso), si sviluppano nel mesozoico, ultime parte a comparire, possiedono il fiore, organo deputato alla produzione, a seguito della fecondazione da origine al seme e al frutto. Il seme viaggia tramite la disseminazione, colonizzando e adattandosi a nuove condizioni, consentendo la nascita di nuovi rami. Vi sono circa 235000 specie, chiamate anche “Antofite” (piante a fiore) e si suddiviso in: hanno differenze strutturali, si basa sulla presenza di una sola o di due foglioline embrionali (cotiledone/i).
    • Monocotiledoni, sono le principali fornitrici di cereali, semi, come la palma da cocco, da olio, canna da zucchero, mais, cipolle, agliacee.
    • Dicotiledoni, sono le piante arboree da frutto (es. solanacee come le patate, verze, fagioli…)
• I funghi: Sono degli eterotrofi, non fotosintetici, sono decompositori, assorbono le molecole organiche tramite il corpo. Si suddividono in lieviti e funghi commestibili:
  • Lieviti, fondamentali per processi produttivi come la panificazione e per produzione di bevande alcoliche (produzione di birra, vinificazione) anche per produzione di integratori a base vitaminica.
  • Funghi