Appunti di biologia animale ed etologia, Elena Tricarico

Origine ed evoluzione della vita

Il Big Bang ha dato origine all'universo. In precedenza tutto era concentrato in un accumulo di energie che poi si è liberato. Il Big Bang è il fenomeno che ha determinato la nascita dell'universo. In precedenza, i neutroni erano liberi e poi si sono associati con gli elettroni. Una volta che la temperatura terrestre è cominciata a scendere, si sono formati gli atomi dall'unione di neutroni ed elettroni. Il Sole e i pianeti sono formati da gas e nubi in movimento. È quindi un processo lunghissimo avvenuto a partire da 4,6 milioni di anni fa. Si pensa in precedenza che elio ed idrogeno rappresentassero la composizione dell'atmosfera sulla superficie terrestre. Elio ed idrogeno si sono dispersi nello spazio. Grazie alla biosfera oggi riusciamo a vivere sulla terra secondo determinate temperature e gas. 3,5 miliardi di anni fa la terra era ricca di vulcani che eruttavano in continuazione e le coste avevano un colore verde perché c'erano un'enorme quantità di batteri, detti stromatoliti.

Caratteristiche degli esseri viventi

Gli esseri viventi, sia piante che animali, hanno tutti delle caratteristiche comuni:

• Si riproducono;
• Crescono e si sviluppano;
• Sono adattati al loro ambiente;
• Rispondono agli stimoli;
• Trasformano l'energia dell'ambiente;
• Si evolvono e si estinguono.

Gli esseri viventi sono costituiti da cellule. Nel 1600, grazie al microscopio, abbiamo potuto osservare come erano formati i tessuti. I tessuti sono formati da cellule separate tra di loro. Grazie all'ausilio del microscopio è nata 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. Una serie di reazioni chimiche avvengono dentro le cellule e contengono le informazioni ereditarie che sono il nostro patrimonio genetico. Il patrimonio genetico viene passato da cellula madre a cellula figlia. Le cellule possono essere di vario tipo, ma hanno in comune quattro caratteristiche:

• La presenza di una membrana che separa la cellula dall'ambiente;
• La presenza di enzimi 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 di come si sia originata la vita sulla Terra. Alcune comete o asteroidi avrebbero portato sulla Terra delle cellule dalle quali poi si sarebbe originata la vita. Secondo la maggior parte degli scienziati, invece, la vita sarebbe nata sulla Terra in due fasi: la prima fase riguarda la formazione delle molecole organiche, cioè dove è presente il carbonio, e la seconda riguarda la formazione delle prime cellule per fenomeni di "associazione". Oparin descrive le due fasi parlando di evoluzione chimica e poi di evoluzione prebiologica. Le prime cellule si sarebbero formate nell'acqua. Nel 1953, Miller condusse esperimenti nei quali cercò di rielaborare la condizione terrestre primordiale. Miller si accorse che si formavano delle molecole organiche, poi dei coacervati e infine le cellule. Monossido di carbonio, anidride carbonica e azoto erano i gas presenti nell'atmosfera.

La teoria della generazione spontanea della vita, secondo la quale gli organismi viventi nascevano dal fango, fu superata da Redi che, grazie a un pezzo di carne rinchiuso in teche differenti, dimostrò che la vita non si generava in modo spontaneo. Un secolo dopo, nel 1768, Spallanzani dimostrò che anche solo il passaggio dell'aria poteva dar vita ad alcuni organismi, ribadendo che la vita non poteva generarsi da sola. Pasteur utilizza invece una beuta che permette l'entrata dell'ossigeno, per verificare se è davvero l'aria che fa generare la vita, e un'altra beuta che permette il passaggio di ossigeno e altre contaminazioni. Dove c'è il passaggio di ossigeno non si sviluppa niente, mentre dove c'è il passaggio di altre contaminazioni, si sviluppa qualcosa.

Caratteristiche comuni delle cellule

Tutte le cellule hanno in comune:

• La membrana esterna, detta cellulare;
• Il materiale genetico, che dirige le attività della cellula e trasmette i suoi caratteri ereditari ai discendenti.

Le cellule procarioti sono primitive, mentre le cellule eucarioti sono più strutturate. Le cellule eucarioti hanno la membrana nucleare, mentre le cellule procarioti non hanno la membrana nucleare e non hanno una serie di organuli che ci sono dentro il citoplasma. La parete cellulare possono avercela sia eucarioti che procarioti. Nei procarioti, il cromosoma è uno solo e grande.

Autotrofi ed eterotrofi

Gli eterotrofi, cioè gli animali e i funghi, perdono il nutrimento dall'ambiente esterno. Gli autotrofi sintetizzano biomolecole attraverso la fotosintesi clorofilliana o la chemiosintesi. La fotosintesi clorofilliana è innescata dal sole, mentre la chemiosintesi viene liberata da reazioni chimiche e la possiamo trovare in alcuni batteri. Le piante sono organismi autotrofi.

Magrulis ipotizzò che mitocondri e cloroplasti fossero derivati da antichi procarioti poi inglobati in cellule di dimensioni maggiori. Secondo questo meccanismo, da cellule procarioti sarebbero nate cellule eucarioti.

Da colonia a organismo pluricellulare

La colonia non è un organismo pluricellulare, ma un insieme di tante cellule simili che si aggregano. Essa è la prima fase per dare avvio ad un organismo pluricellulare. Dalla fase a colonia alla fase pluricellulare, le cellule si specializzano e si costruisce un organismo molti più grande e capace di sopravvivere in determinati ambienti. La pluricellularità implica cellule specializzate che riescono a tenere in piedi un determinato organismo. Grazie agli organismi pluricellulari abbiamo avuto la nascita della vita sulla Terra.

Ere geologiche

Le tre ere più importanti in cui è suddivisa la storia della Terra sono:

• L'era paleozoica, caratterizzata da un'esplosione di forme di vita nel periodo Cambriano, terminato con una catastrofe;
• L'era mesozoica, caratterizzata dalla massima diffusione dei dinosauri, terminata con una catastrofe;
• L'era cenozoica, caratterizzata dalla diffusione di angiosperme, pesci, uccelli e insetti.

Il tempo profondo è un concetto che deriva dalla geologia. Nel Settecento i 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 rivela importante anche per l'elaborazione di una teoria dell'evoluzione, dal momento che la storia della vita richiede anch'essa tempi lunghissimi. Da qui il concetto di tempo profondo: il tempo delle trasformazioni naturali, tanto lungo che per noi è quasi impossibile farcene un'idea chiara. I già antichi organismi viventi risalgono a 3,5 miliardi di anni fa.

Il concetto di Hutton venne ripreso da 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 che l'idea del gradualismo, secondo il quale gli eventi di cui troviamo traccia in natura, per quanto appaiano grandiosi, sono frutti del sommarsi nel tempo di piccoli cambiamenti e non di eventi improvvisi e catastrofici.

La classificazione dei viventi

Gli scienziati classificano gli organismi per conoscerli meglio. Nel Settecento, il biologo Linneo inventò la nomenclatura binomia, cioè con due nomi. Ogni essere vivente è caratterizzato da due nomi: genere e specie. La specie è costituita da generi molto simili tra loro che possono incrociarsi producendo una prole fertile, cioè una prole che può riprodursi. Il genere è un gruppo di specie correlate, derivate da un antenato comune. Il genere, incrociandosi, produce la gene fertile. Il lupo e il cane sono biologicamente la stessa specie. Entrambi sono Canis lupus: il lupo è una specie naturale e il cane è il risultato della selezione artificiale esercitata da più di 14.000 anni. Lupi e cani, sia domestici sia rinselvatichiti, possono incrociarsi e produrre prole fertile. Il termine razza è di uso zootecnico e non zoologico (gruppo animale appartenente agli animali domesticati dall'uomo e creato artificialmente). Per le piante si parla di varietà. La sistematica studia la relazione tra gli organismi viventi e fossili, classificandoli. La classificazione degli organismi è basato su un sistema gerarchico formato da gruppi, anche dette unità tassonomiche, e su dei criteri evolutivi. Le strutture analoghe sono all'apparenza simili, ma hanno una struttura evolutiva diversa. Le strutture omologhe hanno una struttura comune, ma poi si sono sviluppate per dare vita a strutture con funzioni differenti. I domini sono tre (Eubatteri, Archeobatteri e Eukarya) e i regni sono sei.

I batteri

I Batteri (Monera) sono procarioti microscopici poiché sono organismi unicellulari dove il DNA non è racchiuso in una membrana. Essi sono i più antichi e numerosi organismi della Terra, colonizzano gli ambienti più diversi e sono semplici e si riproducono velocemente e tanto. I Batteri si riproducono per scissione binaria e, in condizioni sfavorevoli, formano spore, cioè delle cellule resistenti. Inoltre possono essere eterotrofi o autotrofi.

I batteri saprofiti sono batteri che decompongono la materia organica e la rendono disponibile per altri organismi. L'azione svolta da questi batteri è molto importante perché chiudono la catena alimentare. I batteri simbionti vivono in simbiosi con altri organismi. Questi batteri sono presenti nello stomaco dei ruminanti. I batteri fissatori vivono in simbiosi con le piante dei legumi che li aiutano a prendere l'azoto che serve per la crescita delle piante. I batteri parassiti vivono a spese dell'organismo e sono patogeni, cioè portano malattie.

Gli eubatteri comprendono quasi tutti i batteri viventi, possono essere a vita libera o parassiti o simbionti e hanno una grande varietà di forme. Gli eubatteri possono essere divisi in base alla forma: i cocchi hanno forma tondeggiante, i bacilli sono a forma di bastoncino e gli spirilli hanno una forma a spirale.

I cianobatteri sono eubatteri fotosintetici che vivono nelle acque dolci e contengono clorofilla. Essi formano spesso dei filamenti. Purtroppo talvolta producono fioriture tossiche.

Gli archeobatteri comprendono poche forme di batteri, occupano ambienti estremi e vivono in ambienti molto salati, detti alofili, o molto caldi, detti termofili, come le sorgenti termali che raggiungono la temperatura di 70-80 °C. Essi possono vivere nel tubo digerente di alcuni ruminanti.

Il regno dei protisti

Al regno dei protisti appartengono gruppi di organismi molto diversi tra loro, che sono:

• I protozoi;
• I funghi mucillaginosi;
• Le muffe d'acqua;
• Le alghe.

I protisti comprendono eucarioti unicellulari, eterotrofi e autotrofi, e alcune alghe pluricellulari. I protozoi, che appartengono ai protisti, sono solitamente eterotrofi unicellulari e si riproducono per scissione. I protozoi sono:

• I mastigofori, come il Trypanosoma, cioè degli organismi che sono aiutati a muoversi grazie alla loro struttura;
• I sarcodini, che non hanno forma;
• I ciliati, che sono caratterizzati dalla loro pelosità;
• Gli opalinidi, che hanno ciglia e sono parassiti del tratto digerente di anfibi;
• I sporozoi, che non hanno né ciglia né flagelli e un esempio è il Plasmodium.

I funghi mucillaginosi somigliano alle amebe e vivono sul legno marcescente. Le muffe d'acqua somigliano ai funghi ma hanno cellule riproduttive con flagelli. Anch'esse vivono su organismi morti e alcuni sono parassiti della vite e della patata.

Le alghe sono eucarioti fotosintetici, unicellulari o pluricellulari. Le alghe unicellulari vivono vicino alla superficie dell'acqua e, insieme a piccoli animali, formano il plancton. Le alghe pluricellulari vivono in acque saline poco profonde o lungo le coste, si ancorano al fondo e sono divise in base ai pigmenti che hanno e quindi in alghe rosse, alghe brune e alghe verdi.

Il regno dei funghi

La maggior parte dei funghi è pluricellulare, tranne i lieviti. I funghi sono eterotrofi e decompongono la materia. L'ifa è il filamento fungino, mentre il micelio è l'intreccio delle ife che formano la struttura riproduttiva. Il regno dei funghi è composto da:

• Gli zigomiceti, che sono funghi saprofiti e simbionti;
• I saccaromiceti, che sono i lieviti;
• Gli ascomiceti;
• I basidiomiceti.

Dai funghi è possibile estrarre la penicillina. Alcune specie fungine vivono in simbiosi con altri organismi, formando associazioni note come:

• I licheni, ovvero la combinazione (o simbiosi) fra un fungo e un'alga verde e sono ottimi bioindicatori, cioè appartengono a quegli organismi sensibili all'inquinamento e, quando sono presenti, vuol dire che l'ambiente è sano;
• Le micorrize, cioè l'associazione simbiotica tra funghi e radici di piante superiori.

Il regno delle piante

Le piante sono organismi fotosintetici pluricellulari che, a differenza delle alghe, si sono adattate a condizioni di vita sulla terraferma. Molto tempo dopo la conquista delle terre emerse, le piante si sono separate in due linee evolutive:

• Le briofite, cioè muschi, epatiche e antocerote;
• Le tracheofite, cioè piante vascolari.

Le piante vascolari hanno sviluppato sistemi di conduzione dell'acqua e delle sostanze nutritive. Esse hanno radici e foglie. Tutte le tracheofite comprendono un'enorme varietà di forme vegetali suddivise in due gruppi:

• Le crittogame, cioè piante senza semi come le felci, che vivono in ambienti umidi;
• Le spermatofite, cioè piante con semi, che possono essere suddivise in gimnosperme, tra cui le conifere, e angiosperme, ossia le piante con i fiori.

Le felci vivono a tutte le latitudini costituendo gran parte della vegetazione del sottobosco, presentano vasi conduttori per l'acqua e le sostanze nutritive e dipendono dalla presenza di acqua per la fecondazione.

Le attuali gimnosperme sono tutte piante con semi e comprendono quattro gruppi, il più noto dei quali è quello delle conifere. Tra le conifere vi sono pini, abeti, larici, cedri del Libano, cipressi, ginepri e sequoie giganti.

Le angiosperme sono oggi le piante più diffuse sul nostro pianeta perché occupano più del 90% della superficie terrestre in cui sono presenti forme vegetali e comprendono tutti gli alberi a foglie larghe (latifoglie), le erbe dei prati e la maggior parte delle piante coltivate. Il grande successo delle angiosperme è dovuto allo sviluppo di due organi speciali: il fiore e il frutto. Il loro seme è protetto all'interno del frutto. Le radici ancorano la pianta al terreno e assorbono l'acqua, il fusto sostiene le foglie per esporle alla luce ed è il canale attraverso cui sono trasportate le sostanze all'interno della pianta. Le foglie, infine, sono la sede della fotosintesi clorofilliana. I fiori hanno una funzione di richiamo per gli animali impollinatori: nei fiori avviene la riproduzione sessuata, da cui si formano i semi e si sviluppano i frutti. I frutti hanno la funzione di disperdere il seme a una certa distanza dalla pianta d'origine, dove di solito è più facile trovare spazio aperto e luce solare. Le piante si distinguono in base alla loro longevità, infatti esistono:

• Piante annuali, che hanno un ciclo vitale di massimo un anno;
• Piante biennali, che hanno un ciclo vitale di massimo due anni;
• Piante perenni, che hanno un ciclo vitale più lungo di due anni;
• Piante sempreverdi, come le conifere che non perdono le foglie;
• Piante decidue, cioè tutte le piante che perdono le foglie.

Il regno animale

Gli animali sono organismi molto diversi tra di loro, ma che hanno caratteristiche in comune. Gli animali sono eterotrofi e pluricellulari. Si sono evoluti presumibilmente dai protisti e di solito si riproducono per via sessuata. Hanno poi cellule specializzate. Gli animali moderni sono classificati in circa 30 phyla. Per classificarli si possono usare i seguenti criteri:

• Il numero di strati di tessuto in cui si organizzano le cellule che può essere parazoa, come nel caso delle spugne in cui non ci sono veri tessuti e organi, mesozoa, che sono parassiti di animali marini, e eumetazoa, che sono animali con veri tessuti e organi;
• La struttura di base del corpo e l'organizzazione delle varie parti, che può essere radiale o bilaterale;
• La presenza e il numero di cavità corporee, cioè acelomati, che non hanno il celoma ovvero una cavità interna che via via si riduce o scompare, pseudocelomati, che non hanno un vero e proprio celoma, e celomati. Il celoma ha funzione idrostatica, cioè sostiene l'animale;
• Il modello di sviluppo dell'embrione, che può essere a livello di protostomi, in cui la bocca compare in coincidenza o nelle vicinanze della prima apertura che si forma nell'embrione in via di sviluppo, o di deuterostomi, in cui l'ano compare dalla parte opposta rispetto all'apertura boccale.

I poriferi, o spugne, sono di dimensioni molto variabili (da 1 cm a 2 m) e sono prevalentemente marine. Non sono organizzate in veri tessuti e organi ma cellule separate tendono a riformare la struttura di partenza. Si nutrono per filtrazione: una spugna di 10 cm filtra 20 l di acqua al giorno. I poriferi hanno il corpo a forma di sacco organizzato in due strati di cellule, alcune differenziate in:

• Coanociti, che sono flagellati e servono per il nutrimento;
• Cellule epiteliali, che rivestono l'animale e alcune di esse hanno fibre contrattili;
• Ameboidi, che filtrano le particelle alimentari, portano le spicole e i gameti sia maschili sia femminili.

I poriferi si riproducono per via asessuata (per germinazione, cioè un pezzo si stacca ed aderisce al substrato) o asessuata con la formazione di una larva natante che poi si fissa al substrato.