Appunti di Zoologia

Introduzione alla zoologia

La zoologia è la disciplina biologica che si occupa dello studio degli animali (o metazoi) e dei protozoi (anche se questi ultimi non sono considerabili veri e propri animali).

Origine della vita sulla Terra

Circa 4,6 miliardi di anni fa si è originato il pianeta Terra. Circa un miliardo e mezzo di anni dopo sono comparse le prime forme di vita sotto forma di cellula. Queste forme di vita erano procarioti unicellulari. Con il passare del tempo (circa 2 miliardi di anni) comparve la prima cellula eucariotica. Il momento chiave, però, che segna l’esplosione di biodiversità si verifica durante il Cambriano (circa 600 milioni di anni fa). In questa fase erano presenti tutti i principali phylum conosciuti.

Teoria di Alexander Oparin

La prima teoria che venne elaborata per quanto riguarda l’origine della vita fu quella di Alexander Oparin. Secondo lo scienziato, l’ambiente primitivo antecedente alla vita era caratterizzato dall’assenza di ossigeno molecolare e presenza di idrogeno (inizialmente l’atmosfera era riducente), acqua, anidride carbonica, metano ed ammoniaca, cioè composti organici semplici che reagiscono chimicamente in ambiente stabile senza energia libera.

Esperimento di Urey-Miller

A confermare questa teoria ci fu l’esperimento di Urey-Miller, in cui i due scienziati utilizzarono i composti sopra citati, li introdussero in una camera isolata sottoposta ad alte temperature e scariche elettriche (che simulavano i fulmini) e dopo aver raffreddato il tutto si accorsero di aver ottenuto un brodo primordiale fra cui acidi grassi, amminoacidi, acido glutammico, urea… ecc. Questi composti rappresentavano i mattoni fondamentali per la formazione di macromolecole presenti anche nel nostro corpo, come l’RNA, il DNA, le proteine e i fosfolipidi.

Formazione delle prime cellule

Questi ultimi, spontaneamente, se messi in soluzione acquosa, tendono ad unirsi gli uni con gli altri in una particolare disposizione, cioè un doppio strato, in cui la testa idrofila di questi composti è disposta verso la soluzione mentre invece le code idrofobe si dispongono l’una insieme all’altra (sono molecole anfipatiche). Quando questo doppio strato si chiude forma una sorta di bolla che isola l’ambiente interno da quello esterno. Alcune volte poteva accadere che questo doppio strato lipidico, al momento della chiusura, inglobasse alcune molecole come ad esempio RNA, DNA e amminoacidi. Questo ha portato alla formazione di proto-cellule. La formazione di cellule vere e proprie si è avuta con la loro replicazione.

Si pensa che questo processo si sia avviato grazie alla presenza di alcuni RNA inglobati che erano in grado di replicarsi ed alcune volte di catalizzare la formazione di proteine. Tali RNA, chiamati ribozimi, avevano anche una funzione enzimatica (Mondo a RNA). Con degli step successivi sembra che il ruolo del DNA si sia ottimizzato e abbia cominciato ad effettuare una funzione di trasporto delle informazioni e le proteine abbiano cominciato a facilitare il procedimento di reazioni chimiche (enzimi). Infatti, le cellule che presentavano DNA come trasportatore dell’informazione genica e proteine adibite a funzioni enzimatiche avevano un vantaggio evolutivo.

Sviluppo degli organismi complessi

Le cellule oggi presenti sono molto più complesse ed in generale si possono suddividere in due categorie:

• Organismi autotrofi: Sintetizzano cibo da sostanze inorganiche (o sfruttando la luce o altre fonti di energia)
• Organismi eterotrofi: Dipendono dall’ambiente organico

In particolare, i primi microrganismi comparsi erano autotrofi anaerobi (fotosintesi) che con il passare del tempo trasformarono l’atmosfera da riducente ad ossidante producendo continuamente ossigeno. Questo permise anche di favorire un nuovo modello di metabolismo energetico altamente efficiente, cioè quello tipico degli organismi aerobici eterotrofi.

La vita pre-cambriana

Comprende il periodo di tempo antecedente al Cambriano, circa 600 milioni di anni fa. La maggior parte dei Phyla di animali comparve in pochi milioni di anni all’inizio del Cambriano (Esplosione Cambriana). Prima di questo periodo i depositi fossili sono privi di forme più complesse di cellule batteriche (gli stromatoliti sono i fossili più antichi fino ad ora ritrovati). La rarità dei fossili precambriani è dovuta alla scarsa fossilizzazione più che all’assenza di diversità.

La formazione di un unico organismo pluricellulare è dovuta a colonie batteriche che nel tempo sono diventate sempre più interdipendenti. L’accelerazione della speciazione e della biodiversificazione è avvenuta con la progressiva deriva dei continenti.

Organismi primitivi

Alcuni degli organismi più primitivi attualmente esistenti sono i cianobatteri, sono procarioti e sono stati i primi produttori di ossigeno nella Terra. Non hanno né nucleo né organelli ed hanno un singolo cromosoma, non complessato da istoni.

La cellula eucariota è molto più complessa di un procariota. Ha un DNA strutturato in più cromosomi (complessati da istoni) e sono presenti diversi organelli (fra cui reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, mitocondri, e plastidi nei vegetali).

La teoria della simbiogenesi

Il passaggio fra una cellula procariota ed eucariota può essere spiegata con la teoria della simbiogenesi (Lynn Margulis). Secondo tale teoria alcune cellule hanno inglobato altre che sono sopravvissute all’interno del citoplasma ed hanno instaurato un processo di collaborazione (simbiosi). Pare che i mitocondri e i cloroplasti siano, di fatti, degli antichi batteri che nel tempo si sono convertiti in organelli all’interno della cellula che nel passato li ha fagocitati. Questi organelli, infatti, hanno un DNA proprio che ricorda strutturalmente quello procariotico.

Pare che altre strutture come flagelli, cilia e fuso mitotico si siano originati per simbiogenesi batterica (es. spirochete). Nel tempo gli organismi hanno raggiunto un livello di diversificazione tale da poterli suddividere in cinque Regni (classificazione di Wittaker) costituiti da:

• Monere
• Protisti
• Funghi
• Piante
• Animali

Classificazione moderna

Questa classificazione recentemente è stata rivista poiché per suddividere i gruppi, questi devono essere monofiletici (tutti gli organismi hanno un progenitore comune). Il concetto di regno anche se non proprio corretto è stato in parte mantenuto. Oggi il modello base utilizzato è l’Albero della vita, in cui si possono riconoscere tre grandi classi, chiamate Domini:

• Bacteria
• Archaea
• Eukarya

Questa classificazione è stata proposta da Carl Woese.

La riproduzione

È il processo attraverso il quale organismi viventi (chiamati genitori) generano altri individui della stessa specie (chiamati discendenti) mediante diversi meccanismi. È un processo comune per tutti gli esseri viventi che avviene in modo spontaneo, infatti i virus non vengono considerati viventi perché non possono riprodursi autonomamente ma necessitano dei meccanismi molecolari dell’ospite.

Confutazione della generazione spontanea

Nel 1668, Francesco Redi, un medico naturalista al servizio dei Medici, compì il primo esperimento con il metodo sperimentale scientifico. Demolì sperimentalmente il concetto di generazione spontanea, secondo cui le larve si originano dalla putrescina (tesi postulata da Aristotele e sostenuta dai contemporanei). Nell’esperimento utilizzò tre barattoli contenenti carne. Uno veniva lasciato aperto, uno veniva chiuso e uno veniva avvolto nell’apertura con una retina. Redi notò che nel primo, dopo poche ore, iniziavano ad aggregarsi delle mosche che deponevano delle uova nella carne e nel giro di un giorno nascevano le larve. Nel secondo la carne marciva dopo qualche giorno ma all’interno non nascevano larve poiché le mosche non potevano deporre le uova. Nell’ultimo la carne marciva sempre dopo qualche giorno, ma il barattolo, essendo coperto soltanto da una retina, poteva rilasciare odori che richiamavano le mosche e deponevano le loro uova in prossimità della retina. Questo esperimento dimostrava che le larve non potevano nascere spontaneamente ma dovevano essere prima deposte.

Scoperte di Anthony Leeuwenhock

Anthony Leeuwenhock, ottico e naturalista olandese, fu il primo, mediante un microscopio, a verificare l’esistenza di un microcosmo costituito da batteri e protozoi, fu anche il primo ad osservare gli spermatozoi. Nel 1674 presenta le ricerche alla Royal Society dove sviluppa la protozoologia, la microbiologia e la batteriologia.

Esperimenti di Spallanzani e Pasteur

Confutazione della generazione spontanea degli infusori: Spallanzani nel suo esperimento sterilizzò due beute contenenti acqua e paglia. Una era aperta e l’altra chiusa. La prima dopo qualche giorno cominciava ad intorbidarsi mentre la seconda no. A seguire Pasteur effettuò lo stesso esperimento, ma con due matracci “a collo di cigno”. Questa volta anche il primo non si intorbidiva, questo perché dal matraccio passa molta meno aria e particolato rispetto che nella beuta. Questi esperimenti dimostravano che a portare alla proliferazione della vita contribuiva anche il contatto con l’ambiente esterno che può trasportare microrganismi che possono colonizzare questi substrati.

Riproduzione negli organismi viventi

Come abbiamo già detto la riproduzione è una delle caratteristiche uniche e universali per la vita. Ci sono principalmente due processi riproduttivi:

• Riproduzione asessuale: avviene mediante il processo di mitosi. È un tipo di riproduzione presente in batteri, protisti e molti invertebrati, rara in eumetazoi complessi e assente in vertebrati. Un solo genitore e non esistono organi sessuali. Gli individui sono tutti identici al genitore (cloni).
• Riproduzione sessuale: avviene mediante il processo di meiosi. È presente per tutti gli Eukarya. Si producono cellule sessuali (gameti). La loro fusione porta alla formazione dello zigote.

Mitosi e meiosi

La mitosi avviene anche nelle cellule somatiche dei pluricellulari eucarioti ma non viene utilizzata per fini riproduttivi. Nella mitosi si parte da una cellula diploide (2n). Ciascun cromosoma si duplica passando a 4n e subito dopo la cellula si divide portando alla formazione di due cellule diploidi 2n.

La meiosi è un processo complesso in cui si parte da una cellula diploide (2n) e si ottengono quattro cellule aploidi (n), chiamate gameti. Per portare alla formazione di un nuovo individuo due gameti si devono unire. In particolare, ciascun cromosoma presente nel corredo si duplica e ognuno si appaia con il cromosoma fratello facendo avvenire il crossing-over, ovvero lo scambio di informazioni generiche fra cromatidi e nel complesso fra i cromosomi stessi. In seguito, si hanno due cicli di divisione in cui si formano quattro cellule aploidi n. Con il crossing-over ciascun cromosoma n è diverso l’uno dall’altro. Con l’incontro di un altro gamete si forma la vita e questo fa sì che si aumenti la variabilità genetica che è fondamentale per far fronte alle variazioni dell’ambiente in cui gli organismi sono inseriti. Questo permette di far in modo che gli organismi di una specie sopravvivano e non si estinguano (se tutti gli organismi della specie fossero uguali sarebbe più probabile che a fronte di una variazione questi non si adattino e di conseguenza, questo, determinerebbe la morte di tutta la specie).

Riproduzione nei protisti

Essenzialmente avviene in modo asessuale, ma può avvenire in modo sessuale in alcuni casi.

Riproduzione asessuale nei protisti

Porta alla formazione di cloni. Si divide in:

• Divisione binaria: Si divide in due, cioè è una divisione mitotica che porta alla formazione di due individui identici (scissione e gemmazione).
• Divisione multipla (schizogonia): Il nucleo subisce una serie di divisioni mitotiche prima delle divisioni del cytoplasma e origina numerose cellule figlie, comune in protozoi e parassiti.
• Amitosi: Il macronucleo mantiene il suo aspetto interfasico, non compaiono né centrioli né fuso e si divide senza la distribuzione di cromosomi caratteristica della mitosi.

Micronucleo: Informazione genetica
Macronucleo: Metabolismo e sintesi proteica

Riproduzione sessuale nei protisti

Coinvolge due genitori e cellule sessuali (gameti), la cui fusione porta alla formazione di un nuovo individuo.

Gameti:

• Isogamia: Gameti identici, molto spesso entrambi flagellati.
• Eterogamia/Anisogamia: Differenze morfologiche e di mobilità.
  Macrogamete
  Microgamete
• Oogamia: Sono presenti sempre differenze. Un gamete è immobile (femminile) e l’altro è mobile (maschile).

Cicli ontogenetici

Insieme di processi con cui si compie lo sviluppo biologico. In Eukarya si distinguono tre cicli a seconda di come il corredo aploide e diploide si alternano nel corso del ciclo (posizione della meiosi):

• Ciclo dei diplonti: Tutto il ciclo avviene in fase diploide eccetto i gameti (es. ciliati).
• Ciclo degli aplonti: La meiosi è zigotica. La prima divisione a cui va incontro lo zigote è la meiosi e quindi tutto il ciclo avviene in fase aploide con l’unica eccezione dello zigote stesso (es. chlamidomonas eugametos).
• Ciclo aplodiplonte: La meiosi non è né gametica né zigotica. Varie generazioni di cellule in fase diploide dopo lo zigote, una di queste ad un certo punto subisce la meiosi alla quale seguono altre divisioni mitotiche prima della formazione di gameti (es. foraminiferi).

Ciliati: fase asessuale (scissione binaria), fase sessuale (coniugazione: dopo un certo numero di cicli di divisione cellulare deve andare incontro a coniugazione perché il macronucleo si riduce troppo e deve essere ricostruito).

Foraminiferi: Sia riproduzione asessuale (strutture microsferiche, senza corazza di carbonato, vanno incontro a schizogonia) che riproduzione sessuale (le cellule sono flagellate aploidi, cioè gameti, si incontrano, formano lo zigote e poi torna in fase microsferica).

Riproduzione negli Eukarya

È presente anche la riproduzione asessuale, in due modi:

• Rigenerazione: Capacità di ricostituire grazie a crescita e differenziazione parti del corpo che si sono perdute.
  • Riserva di cellule totipotenti (molto spesso interstiziali) capaci di dare cellule somatiche o germinali, presente in cnidari (idrozoi) e platelminti (turbellari, planarie).
  • Più o meno estesa reversibilità somatico-germinale, presente in anellidi (oligocheti, rigenerano due individui completi di gonadi da due monconi di cellule somatiche) e molluschi (rigenerazione di gonadi da parte di cellule somatiche della parete del canale ermafroditico).
• Riproduzione somatogonica: è chiamata riproduzione e si può suddividere in:
  • Gemmazione: Nuovo individuo a partire da piccole estroflessioni del corpo generante (cnidari, briozoi, poriferi, tunicati). La divisione è ineguale e si genera da una escrescenza del genitore.
  • Endogenesi (gemmulazione): Formazione di corpi durevoli in condizioni ambientali critiche quando le colonie vanno a disfacimento. Aggregazione di cellule totipotenti rivestite da strutture protettive (poriferi, briozoi). Il nuovo individuo si forma a partire da un aggregato di cellule rivestite.
  • Scissiparità: Un individuo si scinde in una o più parti da cui prendono origine nuovi individui.
    Frammentazione: Rigenerazione di individui successiva alla scissione rigenerante. Si spezzano in frammenti che rigenerano le parti mancanti.
    Strobilazione: Rigenerazione precedente la scissione ripetuta sullo stesso individuo (cestodi, scifozoi).

Quando l’individuo generante non è adulto si parla di:

• Progenesi larvale: Ricorrente in platelminti, trematodi e cestodi.
• Poliembrionia: Un singolo individuo generante dà origine a più individui distinti, presente in imenotteri parassiti (struttura detta throphamnios strozza l’embrione in più parti) e in mammiferi.

Riproduzione sessuale

Per quanto riguarda la riproduzione sessuale, come abbiamo già detto essa coinvolge due genitori e cellule specializzate (gameti), la cui fusione (fecondazione) genera uno zigote, che si svilupperà in un nuovo organismo unico. È una ricombinazione che aumenta la variabilità genetica. La vera distinzione fra riproduzione asessuale e sessuale è che in quest’ultima esiste la meiosi, processo di doppia divisione in cui si passa dal corredo diploide della cellula germinale a quello aploide dei gameti. La fecondazione ristabilisce il corredo diploide della linea somatica.

Modalità di fecondazione

Modalità che consentono l’avvicinamento dei gameti:

• Fecondazione esterna:
  • Vicinanza dei riproduttori
  • Coordinazione nell’emissione dei gameti
  • Interazione chimica tra i gameti
  • Ipergamesi (produzione in eccesso di gameti)
• Fecondazione interna:
  • Fattori anatomo-fisici: organi copulatori, spermatofore
  • Corteggiamento
  • Interazione chimica tra i gameti

Tipicamente presenti un maschio che produce spermi e una femmina che produce uova (dioici). Esistono anche organismi monoici ed ermafroditi (producono sia gameti maschili che femminili oppure per un certo periodo producono gameti femminili e ad un certo punto cambiano sesso).

Organi sessuali nei metazoi

Nei metazoi abbiamo gli organi sessuali primari (gonadi) deputati alla produzione dei gameti maschili (testicoli) e femminili (ovario).

Ermafroditismo (monoicismo)

Caratteristica morfo-funzionale di organismi che possiedono sia organi riproduttivi maschili che femminili. Per alcuni organismi si pensa che sia dovuto ad un adattamento della vita solitaria: sessile, scavatori, endoparassiti… ecc.