Appunti di Zoologia

Origini, chimica e principi della vita

Il filosofo greco Aristotele affermava la teoria abiogenetica, la quale sosteneva che le forme di vita nascessero dalla materia inerte grazie ai flussi vitali. Le idee di Aristotele influenzarono, senza dubbio, il racconto biblico della Genesi. Il mondo scientifico espresse le sue prime perplessità con Francesco Redi, il quale, con un esperimento, dimostrò l'infondatezza di tale teoria. Sono del 1860, però, Louis Pasteur riuscì a convincere la comunità scientifica che gli organismi viventi non potevano nascere spontaneamente dalla materia non vivente. Pasteur enunciò la teoria biogenetica, secondo la quale la vita si origina solo da esseri viventi.

In tempi più recenti sono state avanzate altre teorie, come quella della panspermica planetaria, secondo la quale la Terra potrebbe essere stata colonizzata, in un passato remoto, da esseri intelligenti molto evoluti provenienti da altre galassie. Si fece poi avanti la teoria neo creazionista del disegno intelligente, o creazionismo scientifico. La zoologia è la scienza che studia come la vita si sia evoluta e quali siano i principi che la governano.

L'acqua è il composto più abbondante nelle cellule. Essa ha diverse proprietà straordinarie che la rendono particolarmente adatta per suo ruolo essenziale nei sistemi viventi. Essa ha: un'alta capacità di calore specifico, un alto calore di vaporizzazione, una singolare variazione di densità (durante i cambiamenti di temperatura), un'alta tensione superficiale e una bassa viscosità. Infine, l'acqua è un eccellente solvente per gli ioni dei sali, che sono molto importanti nei processi vitali.

Chimica e origine della vita

L'evoluzione chimica dell'ambiente prebiotico ha prodotto semplici composti organici, che, infine, hanno formato le cellule viventi. Il termine composti organici si riferisce ai composti che contengono carbonio. I carboidrati sono composti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Essi svolgono principalmente la funzione di elementi strutturali e sono fonti di energia chimica. I lipidi sono i grassi e le sostanze simili ai grassi. Essi sono formati da molecole a bassa polarità e, di conseguenza, sono insolubili in acqua, e rappresentano i maggiori combustibili degli animali.

Le proteine sono grosse e complesse molecole composte dai 20 amminoacidi comunemente ricorrenti. Gli amminoacidi si legano insieme mediante legami peptidici per formare lunghi polimeri lineari. Le proteine servono da impalcatura strutturale del protoplasma, formano molti componenti cellulari e possono anche avere funzione di enzimi. Gli acidi nucleici sono sostanze complesse e rappresentano una manifestazione fondamentale della vita. I due tipi di acidi nucleici delle cellule sono il DNA e l'RNA.

Evidenze scientifiche suggeriscono che l'atmosfera primordiale conteneva solo tracce di ossigeno, molto del quale ha reagito con l'idrogeno, formando l'acqua presente sulla Terra. L'atmosfera primordiale era dunque di tipo riducente, in quanto consisteva principalmente di molecole nelle quali l'idrogeno era molto di più dell'ossigeno. Oggi la nostra atmosfera è fortemente ossidante. Diversi composti del carbonio si sono accumulati sulla Terra durante un periodo di evoluzione chimica prebiotica. L'atmosfera primitiva conteneva composti gassosi semplici del carbonio, dell'azoto e dell'idrogeno. Questi furono i materiali di partenza con i quali furono costruiti i composti organici.

Per favorire una reazione chimica deve essere fornita una sorgente e continua di energia libera, come la luce ultravioletta del Sole, le scariche elettriche, o l'attività vulcanica. Molecole intermedie, altamente reattive, reagiscono con acqua e ammoniaca o azoto per formare molecole organiche più complesse, come amminoacidi, acidi grassi, urea, aldeidi, zuccheri, basi puriniche e pirimidiniche: tutti mattoni necessari per la sintesi dei composti organici più complessi della materia vivente.

Complessità e struttura degli organismi

Lo stadio successivo dell'evoluzione chimica implicò la condensazione di amminoacidi, purine, pirimidine e zuccheri, per ottenere molecole più grandi, quali proteine e acidi nucleici. Nei sistemi viventi, le reazioni di condensazione avvengono in un ambiente acquoso, il citoplasma, che contiene gli enzimi appropriati. Nei meteoriti possono trovarsi acidi grassi e alcol a lunga catena, che sono le molecole anfipatiche costituenti le membrane biologiche. Essi allora potrebbero essere i componenti delle membrane prebiotiche.

Dalle testimonianze fossili ora noi sappiamo che la vita esisteva 3,8 miliardi di anni fa. I primi organismi viventi furono le protocellule: unità autonome, circondate da membrana, con un'organizzazione funzionale complessa, che consentiva l'attività essenziale della vita, l'autoriproduzione. L'RNA, in qualche circostanza, può svolgere attività catalitica. Di conseguenza, i primi enzimi potrebbero essere stati RNA e le prime molecole in grado di replicarsi sarebbero state RNA.

Metabolismo e adattamento

Come si svilupparono i sistemi metabolici altamente complessi delle attuali cellule viventi? La storia precisa di questa fase dell'evoluzione della vita non è ancora nota. Gli organismi che possono sintetizzare il loro cibo da sorgenti inorganiche sono detti autotrofi. Gli organismi che mancano di questa capacità si chiamano eterotrofi. Si pensa che i microrganismi più antichi siano stati, in qualche modo, eterotrofi primitivi. Gli organismi autotrofi si svilupparono grazie alla fotosintesi. La fotosintesi è l'unico processo che restituisce energia libera alla biosfera. Gradualmente, l'ossigeno prodotto per fotosintesi cominciò ad accumularsi nell'atmosfera e a interferire con il metabolismo cellulare anaerobico. Man mano che l'atmosfera lentamente cambiava, compariva un nuovo tipo di metabolismo altamente efficiente: il metabolismo aerobico.

Poiché i cianobatteri fossili del Precambriano somigliano ai moderni cianobatteri, sembra probabile che la maggior parte dell'ossigeno nell'atmosfera primordiale sia stato prodotto mediante la fotosintesi. Il periodo Precambriano comprende il tempo geologico prima dell'inizio del periodo Cambriano, 600 milioni di anni fa. Gli organismi più primitivi proliferarono dando origine a una grande varietà di forme batteriche. Da queste si originarono i cianobatteri.

Organizzazione biologica

I batteri sono detti procarioti. Essi contengono un singolo cromosoma, presente in una regione nucleare, o nucleoide. I batteri e i cianobatteri sono tanto diversi dalle forme di vita che si sono evolute più tardi, da essere posti in un regno a parte, le monere. Nell'ultima decade si è scoperto che i procarioti comprendono due linee distinte di discendenti: gli Eubacteria e gli Archeobacteria. Le pareti cellulari degli archeobatteri non presentano acido muramico, presente in tutti gli altri batteri. Gli archeobatteri sono però così diversi dai veri batteri che sono posti in un regno distinto, gli Archea. Le monere, quindi, comprendono solo i veri batteri, gli eubatteri.

Gli eucarioti hanno cellule con nuclei, circondati da membrana, contenenti cromosomi formati da cromatina. I costituenti della cromatina comprendono proteine, dette istoni, RNA e DNA. Gli eucarioti comprendono animali, funghi, piante e numerose forme unicellulari precedentemente conosciute come protozoi o protisti. Gli eucarioti, di fatto, non derivano da un solo procariote, ma originano da una simbiosi di due o più tipi di batteri. La teoria dell'endosimbionte afferma che una popolazione ancestrale di cellule eucariotiche, derivate da batteri anaerobici, abbia evoluto un nucleo e altre membrane intracellulari da invaginazioni della membrana cellulare.

L'esplosione dell'attività evolutiva, che ebbe luogo alla fine del periodo Precambriano e all'inizio del Cambriano, fu senza precedenti e non è mai avvenuto nulla di paragonabile. La vita, da quando 3,5 miliardi di anni fa si è affermata sulla Terra, si è sviluppata ed evoluta rispettando alcuni principi. La storia della vita indica un continuo cambiamento, che noi chiamiamo evoluzione.

Caratteristiche della vita

Per studiare l'origine della vita ci dobbiamo chiedere come le molecole abbiano acquisito la capacità di un'esatta duplicazione. In alternativa, potremmo cercare di definire la vita sulla base delle proprietà più avanzate che caratterizzano i sistemi viventi più evoluti che oggi osserviamo. In conclusione, la nostra definizione di vita deve basarsi sulla storia comune della vita sulla Terra. Le caratteristiche generali più rilevanti che si sono manifestate durante la storia della vita comprendono:

• Unicità chimica: i sistemi viventi presentano un'organizzazione molecolare unica e complessa. La storia della vita ha realizzato l'assemblaggio di grandi molecole. Si conoscono quattro principali categorie di macromolecole biologiche: acidi nucleici, proteine, carboidrati e lipidi. Questa organizzazione di macromolecole dà ai sistemi viventi sia unità biochimica sia un grande potenziale di diversità.
• Complessità e organizzazione gerarchica: nel mondo vivente atomi e molecole sono assemblati in base a schemi che non sono presenti nel mondo non vivente. La gerarchia comprende macromolecole, cellule, organismi, popolazioni e specie. La cellula è la più piccola unità della gerarchia biologica ed è semiautonoma. Ogni livello via via superiore della gerarchia biologica è composto da unità di livello immediatamente sottostante. Una caratteristica importante di questa gerarchia è che le proprietà di un dato livello non possono essere comprese neppure dalla conoscenza più completa delle proprietà dei suoi singoli componenti.
• Riproduzione: i sistemi viventi possono riprodursi. La vita non origina spontaneamente, ma deriva soltanto da una vita precedente. La riproduzione a ogni livello di gerarchia comporta di solito un aumento di numero. L'ereditarietà è la trasmissione fedele dei caratteri dai genitori ai figli. La variabilità è la generazione di differenze tra i caratteri di individui diversi.
• Presenza di un programma genetico: un programma genetico consente una fedele trasmissione dei caratteri ereditari alle generazioni successive. La corrispondenza tra la sequenza delle basi del DNA e la sequenza degli aminoacidi in una proteina è nota come codice genetico. Esso è presente nei batteri e nel genoma nucleare di tutti gli animali e le piante.
• Metabolismo: gli organismi viventi si sostentano procurandosi il nutrimento dal proprio ambiente. Le sostanze nutritive sono demolite per ottenere energia chimica e componenti molecolari da usare nella costruzione e nel mantenimento del sistema vivente. Definiamo questi processi chimici essenziali metabolismo. Esso spesso è inteso come un'interazione di reazioni distruttive (cataboliche) e costruttive (anaboliche). Lo studio dello svolgimento di funzioni metaboliche complesse è noto come fisiologia.
• Sviluppo: tutti gli organismi attraversano un ciclo vitale caratteristico. Lo sviluppo comporta cambiamenti di dimensione e forma, nonché il differenziamento di strutture all'interno dell'organismo. La trasformazione che avviene da uno stadio all'altro della vita di un individuo è detta metamorfosi.
• Interazioni con l'ambiente: tutti gli animali interagiscono con il proprio ambiente. Lo studio dell'interazione degli organismi con l'ambiente è noto come ecologia. La scienza dell'ecologia ci permette di comprendere come un organismo possa percepire stimoli ambientali e rispondere in modi appropriati: una proprietà detta eccitabilità.
• Movimento: gli animali sono dotati di movimenti controllati dal proprio organismo. L'energia che gli organismi animali ricavano dall'ambiente consente loro di compiere e controllare i movimenti.

Vitalismo e scienza

Il vitalismo, l'idea secondo cui la vita sia dotata di una misteriosa forza vitale, che viola le leggi fisiche e chimiche, è stato in passato sostenuto con forza. La ricerca biologica ha fermamente respinto il vitalismo, dimostrando che tutti i sistemi viventi operano e si evolvono entro i limiti delle leggi fondamentali della fisica e della chimica. La prima legge della termodinamica è quella della conservazione dell'energia. L'energia non si crea né si distrugge, ma può essere trasformata. La seconda legge della termodinamica stabilisce che i sistemi fisici tendono a procedere verso uno stato di maggiore disordine o entropia. La sopravvivenza, la crescita e la riproduzione degli animali richiedono energia. I processi con cui gli animali acquistano energia, attraverso la nutrizione e la respirazione, sono oggetto di studio della fisiologia.

Gli animali costituiscono un ramo distinto dell'albero evolutivo della vita. Questo ramo fa parte di un ramo ancora più grande, noto come eucarioti: organismi le cui cellule contengono nuclei racchiusi da membrana. La caratteristica più distintiva degli animali è il loro sistema di nutrizione, che consiste nel mangiare gli altri organismi. Gli animali possono anche essere distinti per l'assenza di proprietà evolute in altre linee eucariotiche. I protisti possono costituire un ramo separato, legato all'albero della vita eucariotica, i cui membri contengono una mescolanza di proprietà somigliano sia a quelle delle piante che a quelle degli animali.

La scienza è un modo di porsi domande sul mondo naturale e, talvolta, di ottenere precise risposte al riguardo. Distinguiamo la scienza da altre attività che escludiamo dall'ambito scientifico, come l'arte e la religione. La Scienza Creazionista è oggi, di fatto, una credenza religiosa, supportata da una minoranza delle comunità religiose, e non può essere in alcun modo considerata scienza. Le caratteristiche della scienza devono essere le seguenti: deve essere guidata dalle leggi naturali, deve essere esplicativa con riferimento alle leggi naturali, è verificabile dall'osservatore del mondo, le sue conclusioni sono ipotesi, ed è contestabile. La conoscenza scientifica deve spiegare ciò che viene osservato in riferimento alle leggi naturali, senza richiedere l'intervento di enti o energie soprannaturali.

I criteri essenziali della scienza formano la base per il metodo ipotetico-deduttivo. Il primo passo di un tale metodo è la formulazione di ipotesi. Queste ipotesi sono basate su osservazioni. Il metodo scientifico osserva le seguenti fasi: osservazioni, domanda, ipotesi, prova empirica, conclusioni e pubblicazione. Se un'ipotesi è veramente potente nello spiegare un'ampia varietà di fenomeni correlati, essa conquisterà lo status di vera e propria teoria. Teorie potenti che guidano un ampio ambito della ricerca sono dette paradigmi. Anche i più importanti paradigmi sono soggetti a confutazione e sostituzione. Essi, quindi, sono sostituibili da nuovi paradigmi in un processo noto come rivoluzione scientifica. Le numerose domande che la gente si è posta sul mondo animale possono essere ora raggruppate in due principali categorie. La prima cerca di capire le cause prime o immediate che costituiscono la base del funzionamento dei sistemi biologici. Le scienze biologiche che si occupano di queste cause sono note come scienze sperimentali e procedono usando il metodo sperimentale. In contrapposizione alle domande relative alle cause prime dei sistemi biologici, vi sono le domande relative alle cause ultime che hanno prodotto sistemi viventi e le loro proprietà distintive nel corso dell'evoluzione. Le scienze biologiche che si occupano delle cause ultime sono note come scienze evolutive.

Processo riproduttivo

Le caratteristiche della riproduzione sessuale prevedono due genitori, maschio e femmina, che producono gameti, i quali, unendosi, diventano un nuovo individuo. La vita nasce dalla riproduzione di vite preesistenti. La riproduzione è una di quelle proprietà uniche e universali della vita. L'evoluzione delle specie dipende dalla riproduzione.

Le due forme fondamentali di riproduzione sono quella asessuale e quella sessuale. Nella riproduzione asessuale è presente un solo genitore e non esistono organi o cellule sessuali specifici. La riproduzione sessuale coinvolge due genitori, ciascuno dei quali produce delle cellule sessuali specializzate, o gameti, dalla cui fusione si sviluppa un nuovo individuo. Lo zigote che si forma da questa unione riceve il materiale genetico da ambedue genitori.

Per riproduzione asessuale si intende la produzione degli individui senza la formazione di gameti. Nella riproduzione asessuale tutta la progenie di un individuo ha lo stesso genotipo e viene chiamata clone. Essa avviene nei batteri, nei protisti e in molti phyla di invertebrati. Le principali forme di riproduzione asessuale sono:

• Scissione binaria, comune tra i batteri e i protozoi, che prevede la divisione per mitosi della cellula madre in due cellule figlie uguali tra loro.
• Scissione multipla, durante la quale il nucleo subisce una serie di divisioni mitotiche prima delle suddivisioni del citoplasma, dando origine a numerose cellule figlie.
• Gemmazione, una divisione ineguale dell'organismo, durante la quale da un'escrescenza del corpo di un individuo adulto si forma un nuovo individuo, che, raggiunto la maturazione, si separa dal genitore.
• Gemmulazione, che è la formazione di un nuovo individuo a partire da un aggregato di cellule.
• Frammentazione, durante la quale un animale pluricellulare si scinde in due o più parti, ognuna delle quali è in grado di diventare un individuo completo.

La riproduzione sessuale è la creazione di individui da gameti. Essa include la riproduzione bisessuale come forma più comune, che coinvolge due individui.