Appunti I parte: Funzioni

Zoologia - introduzione

Zoologia → studio degli organismi viventi; nasce come sistema per classificare gli organismi. Linneo nel 1700 inizia a classificare gli animali in base a delle caratteristiche prettamente morfologiche. Linneo fu colui che introdusse i vari ranghi tassonomici.

Con il tempo lo zoologo moderno diventa colui che possiede forti basi di sistematica ma anche colui che approfondisce aspetti generali della vita degli animali → ha un approccio scientifico multidisciplinare. Inizia ad avere una visione sempre più completa della biologia dei viventi → ne studia il funzionamento, la struttura corporea, la fisiologia, lo sviluppo, la genetica, il comportamento e le interazioni e le dinamiche fra le varie popolazioni e l’ambiente.

Osservando i processi biologici, con il tempo, si sono potute trarre delle applicazioni tecnologiche/biotecnologiche che hanno permesso di studiare meglio gli esseri viventi ma non solo → lo studio degli animali diventa un vero e proprio modello per la ricerca, per esempio per chiarire meccanismi cellulari e processi fisiologici e di sviluppo nell’uomo.

Bauplan

Esiste un’enorme quantità di esseri viventi che popola la nostra terra e un’enorme numero di forme che questi esseri possono assumere. Tutte queste forme sono derivate da un lungo processo di selezione → sono state selezionate le forme più adatte a vivere in quel determinato ambiente.

Ogni gruppo animale presenta uno schema strutturale corporeo chiamato bauplan → schema corporeo che gli permette di vivere in uno specifico ambiente. Non tutti gli schemi corporei sono possibili in un ambiente, questo perché i componenti che formano il bauplan di un organismo:

• Devono essere strutturalmente e funzionalmente compatibili tra di loro e con l’ambiente in cui l’animale vive;
• L’acquisizione di nuove strutture deve essere sempre compatibile con le strutture precedenti che devono essere ben integrate all’interno dell’organismo. La comparsa di nuove strutture deve sempre tener presente delle strutture già presenti → ci sono dei vincoli evolutivi.

Bauplan (possibile domanda d’esame) → disegno strutturale o schema corporeo degli organismi viventi che appartengono a un determinato gruppo. Il bauplan è quindi il modo di descrivere l’organismo nella sua completezza → tiene conto del significato adattativo e dello schema strutturale di un animale, ma anche dei vincoli evolutivi che agiscono su di essi.

Cosa definisce il bauplan dei diversi phyla animali?

Livello di organizzazione cellulare

• Livello protoplasmico → organismi unicellulari la cui cellula è in grado di svolgere tutte le funzioni essenziali da sola. Gli organismi così descritti vengono chiamati protozoi.
• Livello cellulare → gli organismi sono costituiti da aggregati cellulari, sono organismi pluricellulari. Non sono però dei veri e propri organismi perché le cellule non sono aggregate a formare tessuti, sono solo organizzate in strati e svolgono funzioni diverse ma ben precise. Le spugne ne sono un esempio. Gli organismi in questo tipo di livello vengono chiamati parazoi e mesozoi.
• Livello cellulare-tissutale → livello in cui le cellule sono organizzate in tessuti. Gli organismi in questo tipo di livello vengono chiamati eumetazoi (o metazoi) diblastici.
• Livello di tessuti e organi → organismi in cui i tessuti sono organizzati a formare dei veri e propri organi. Si parla di eumetazoi triblastici pseudocelomati.
• Livello di sistemi di organi → organismi in cui gli organi sono organizzati a formare dei veri e propri apparati. Si parla di eumetazoi triblastici celomati.

Foglietti germinativi (embrionali)

Negli organismi pluricellulari c’è un sistema di sviluppo più complesso rispetto ad un organismo unicellulare. Durante la formazione dell’embrione compaiono i tre foglietti embrionali da cui poi deriveranno i tessuti:

• Ectoderma: sistema nervoso ed epidermide;
• Endoderma: tubo digerente e apparato respiratorio;
• Mesoderma: sistema muscolare, scheletrico, circolatorio e i reni.

In base al numero di foglietti embrionali da cui si sviluppano gli organismi, essi si dividono in:

• Eumetazoi diblastici → animali che presentano solo due foglietti embrionali (endoderma ed ectoderma). Non presentando il mesoderma non avranno nemmeno strutture come il sistema muscolare e perciò non potranno svolgere determinate funzioni.
• Eumetazoi triblastici → animali che presentano tre foglietti embrionali.

Simmetria corporea

Gli animali sono praticamente tutti simmetrici. L’asimmetria è molto rara: solo in alcuni protozoi, come le amebe, si riscontra → non hanno un piano che li divide in parti uguali.

Generalmente esiste almeno un piano che attraversa l’animale e che lo divide in due parti speculari. Di simmetrie ce ne sono di diversi tipi, come quella sferica → esistono alcuni organismi che la presentano, ma è molto rara e si ritrova solo in alcuni protozoi. Tutti i piani che passano per il centro dell’animale dividono il suo corpo in parti speculari.

La maggior parte degli animali presenta invece simmetria radiale e simmetria bilaterale:

• Radiale → tipica di animali che vivono fissi ad un substrato e che devono affrontare l’ambiente a 360 gradi. Sono poco mobili: devono riuscire a percepire tutti gli stimoli che arrivano dall’ambiente che li circonda. Nella simmetria radiale esistono molti piani che passano per l’asse oro-aborale e che dividono l’animale in due parti speculari.
• Bilaterale → la maggior parte degli animali la presenta. Esiste solo un piano che attraversa l’animale e lo divide in due parti uguali. Si può parlare di un piano antero-posteriore. L’animale viene diviso in una zona anteriore, posteriore, dorsale e ventrale.

La simmetria bilaterale è stata una conquista essenziale per gli animali perché con essa compare la cefalizzazione → presenza di un capo che ospita gli organi di senso al suo interno e che permette all’animale di muoversi in maniera direzionata percependo l’ambiente. Inoltre, si ha anche l’acquisizione delle strutture locomotorie: le appendici.

Cavità corporee

Gli organismi viventi possono essere:

• Acelomati → privi di cavità corporea. Sono organismi molto semplici che non presentano cavità (se non quella gastrovascolare utilizzata per la digestione e la distribuzione dei nutrienti). Il corpo dell’animale è riempito da tessuto connettivale.
• Pseudocelomati → compaiono le prime cavità, anche se molto semplici. Non sono circondate da pareti proprie, da delle membrane, e contengono un liquido. Avere una cavità permette l’acquisizione di nuovi organi e la costituzione di nuove strutture.
• Celomati → organismi che hanno cavità che sono separate da tutto il resto mediante tessuto mesodermico chiamato mesentere (importante per sostenere e mantenere in posizione i vari organi).

Il bauplan interagisce direttamente con l’ambiente in cui vive, integrandosi in esso → la sua forma e la sua dimensione nell’ambiente hanno una certa importanza.

Restrizioni per la costruzione di bauplan

Ci sono alcune restrizioni per la costruzione di un bauplan determinate dall’ambiente, dalla dimensione e dalla forma.

Ambiente

Esistono tre tipi di ambiente:

• Ambiente marino: ambiente più stabile, in cui la temperatura è tendenzialmente costante. Anche la concentrazione salina è importante → è molto vicina alla concentrazione salina intracellulare degli organismi viventi, viene chiamata concentrazione isotonica.
• Ambiente d’acqua dolce;
• Ambiente terrestre: quest’ultimi sono due luoghi piuttosto stressanti per la variazione dei parametri ambientali (come temperatura e concentrazione) che invece nell’ambiente marino rimanevano costanti. Inoltre, nell’ambiente terrestre, estremamente variabile, gli organismi possono anche andare incontro a disidratazione.

Per i motivi elencati sopra, i primi organismi viventi compaiono nell’ambiente marino, ambiente in cui è facile vivere e organizzarsi. Non ci sono problemi di osmoregolazione e ognuno di loro è in grado di scambiare le proprie esigenze con l’ambiente esterno.

Anche se l’ambiente marino è comodo per vivere, non ha dato una grande spinta evolutiva che invece hanno dato la conquista dell’ambiente aereo e di quello di acqua dolce → per poter vivere in un ambiente scomodo doveva essere necessario riuscire a costruire un ambiente intracellulare indipendente dall’ambiente esterno e che fosse in grado di essere mantenuto indipendente e regolato rispetto ai cambiamenti esterni.

Le cellule tendono ad organizzarsi sempre di più in tessuti che, a loro volta, si organizzano in organi specializzati nel mantenere costante l’omeostasi dell’organismo in un ambiente poco comodo:

• Mantengono costante la concentrazione ionica;
• Danno la possibilità di scambi di O₂ e di CO₂;
• Permettono l’eliminazione di scorie azotate;
• Consentono la digestione, l’assorbimento e la distribuzione dei nutrienti.

Quindi, la conquista di ambienti “scomodi” ha portato allo sviluppo di tessuti, organi e apparati. La formazione di organi che mantengono un ambiente interno distinto e costante ha permesso l’occupazione della terra ferma e dei suoi ambienti più estremi come deserti e le zone polari artiche. Inoltre, ha consentito l’aumento delle dimensioni e la variabilità di forme degli organismi.

Dimensione e rapporto superficie-volume

Gli organismi ora possono aumentare di dimensioni:

• Vantaggi: mantenere più facilmente l’omeostasi e proteggersi dalla predazione;
• Svantaggi: c’è un limite alla crescita in dimensioni dell’animale e bisogna tener conto del suo rapporto superficie-volume: quando l’animale accresce di dimensioni il suo rapporto superficie-volume diminuisce. Ciò significa che cresce di più il suo volume rispetto alla sua superficie.

Il volume dell’animale aumenta molto più rapidamente rispetto alla superficie → questo porta alla formazione di nuove strutture.

• Animali di grosse dimensioni hanno un basso rapporto superficie-volume. Questo significa che le strutture implicate in funzioni che risentono del rapporto S/V devono modificarsi o ingrandirsi per compensare l’aumento dimensionale. Ne consegue un inadeguato scambio di sostanze e gas con l’esterno;
• Animali di piccole dimensioni hanno un alto rapporto superficie-volume, in quanto dimensioni (volumi) ridotte portano a superfici più ampie. Ne consegue quindi un adeguato scambio con l’esterno.

Forma degli animali e rapporto superficie-volume

Alcune forme degli organi di animali dipendono dal rapporto superficie-volume, come per esempio i padiglioni auricolari → essi si sviluppano in modo tale da adattarsi meglio all’ambiente in cui l’animale deve vivere. L’elefante africano ha padiglioni auricolari più grandi e più sviluppati di quelli di un elefante asiatico per aumentare la dispersione di calore.

Nonostante gli animali abbiano forme diverse, tutti funzionano nello stesso modo → il loro funzionamento si basa sempre su pochi principi fisici, chimici e biologici. Ci sono quindi dei temi ricorrenti durante l’evoluzione → tutti gli animali devono adempiere alle stesse funzioni di base: mangiare, digerire e metabolizzare, distribuire i prodotti utili, recuperare ossigeno, eliminare le scorie, muoversi e percepire i diversi stimoli dall’ambiente.

Alimentazione

Tutti gli animali per sopravvivere devono svolgere diverse funzioni che si basano tutte su stesse azioni di base. Considerando il metodo tramite il quale gli organismi si procurano le sostanze nutritive è possibile suddividerli in:

• Organismi autotrofi: sintetizzano sostanze organiche partendo da sostanze semplici ed usando l’energia ricavata da una fonte esterna. Sono in grado di nutrirsi da soli;
• Organismi eterotrofi: si procurano sostanze organiche già sintetizzate, necessarie per produrre energia. Tutti gli animali sono organismi eterotrofi.

Tipo di alimento

Le strategie che gli animali utilizzano per recuperare gli alimenti sono molteplici e cambiano da animale ad animale. In base al tipo di alimento gli animali vengono classificati in:

• Erbivori → si nutrono di ciò che appartiene al mondo vegetale;
• Carnivori → si nutrono di tessuti provenienti da altri animali. Solitamente sono anche predatori;
• Onnivori → si nutrono sia di tessuti vegetali che di animali;
• Saprofagi → si nutrono di sostanze organiche in decomposizione.

Modalità di presa dell’alimento

Gli animali vengono anche suddivisi in base alla modalità con cui essi recuperano gli alimenti:

• Sospensivori/filtratori → si cibano di particelle alimentari sospese nell’acqua. Sono per la maggior parte animali acquatici di acqua marina. Le particelle possono essere di varia natura, solitamente plancton, e vengono trattenute dagli organismi tramite tentacoli o branchie. I filtratori sono dotati di strutture particolari che possono spostare l’acqua per avvicinare le particelle alla bocca. La filtrazione è un ottimo modo per procurarsi il cibo e viene utilizzata anche da animali di grandi dimensioni (es: squalo bianco).
• Intercettori → non hanno specifici sistemi per muovere l’acqua: si mettono contro corrente e intercettano le particelle che vengono trasportate da essa. Intercettori e filtratori vengono anche detti microfagi: si nutrono di piccole particelle.
• Detritivori → si nutrono di sostanze organiche in decomposizione (es: lombrico). Consumano i depositi limitandosi ad inghiottire il substrato traendone i nutrienti o utilizzando lobi o tentacoli raccoglitori;
• Brucatori → animali che si nutrono di vegetali. Hanno apparati boccali forniti di strutture robuste e resistenti. Raschiano o strappano la vegetazione o gli organismi animali incrostati al substrato. A questa categoria non appartengono solo gli animali da pascolo ma anche piccoli animali come il riccio di mare.
• Predatori → si cibano, per la maggior parte, di altri animali. Hanno strutture specializzate nel percepire la presenza di altri animali e dei sistemi di cattura per mirare e immobilizzare la preda. Gli occhi sono sempre molto sviluppati e, inoltre, sono dotati di efficienti e sviluppati sistemi locomotori che gli permettono di muoversi molto rapidamente.
• Fluid feeders → animali che si nutrono di alimenti fluidi. Ne esistono vari tipi: Ematofagi = si cibano di sangue come le zanzare o le sanguisughe; o Fitofagi = si nutrono della linfa delle piante; o alcuni animali invece predigeriscono la preda prima di mangiarsela come i ragni o alcune stelle marine → essi iniettano nella preda paralizzata nella tela degli enzimi che sciolgono i tessuti di quest’ultima per poi nutrirsene.
• Necrofagi → animali che si cibano di tessuti di altri animali già morti (es: iene o avvoltoi).

Qualunque sia il metodo utilizzato, tutti gli animali compiono sempre le stesse azioni per nutrirsi: ingerimento del cibo (trituramento in parti più piccole), digestione (passaggio da macromolecole a molecole più piccole), assorbimento, distribuzione delle molecole e defecazione. Tutto ciò che non viene digerito viene eliminato tramite le feci → egestione o defecazione.

• Defecazione → eliminazione delle feci, tutto ciò che non è stato digerito;
• Escrezione → eliminazione dei cataboliti azotati;

ATP = energia chimica

Tutte le fasi dell’alimentazione richiedono energia che viene ricavata dall’accumulo di nutrienti sotto forma di glicogeno o di grasso (sostanze di scorta per la produzione di energia) → quindi nel momento in cui gli animali si nutrono. L’energia chimica utilizzata è l’ATP → produzione di energia dall’idrolisi di ATP in ADP. L’animale, quindi, mangia per produrre energia sotto forma di ATP. Essa viene prodotta mediante glicolisi o mediante i mitocondri grazie al ciclo di Krebs. L’ATP viene spesa per tutte le funzioni vitali: mantenere il metabolismo di base, svolgere tutte le attività locomotorie, riprodursi, accrescersi e termoregolarsi.

Le principali fonti di ATP sono carboidrati, proteine e lipidi → unità costitutive delle cellule dell’organismo. Ovviamente solo loro non bastano e vanno integrati con vitamine, minerali, amminoacidi o acidi grassi essenziali.

Digestione delle macromolecole

Carboidrati, proteine e grassi sono delle macromolecole che non possono essere utilizzate sotto forma di polimeri → devono essere ridotte in parti più piccole, in monomeri, tramite la digestione. Le macromolecole non riescono ad attraversare le membrane plasmatiche e, inoltre, possono non essere riconosciute dal sistema immunitario. Per questi motivi vengono ridotte in monomeri → piccole molecole che, per diffusione, possono attraversare la membrana cellulare.

Esistono due diversi tipi di digestione:

• Digestione intracellulare → avviene all’interno della cellula stessa. Viene utilizzata dagli organismi unicellulari che non hanno l’apparato digerente oppure dagli organismi pluricellulari il cui bauplan prevede un livello organizzativo cellulare → strati di cellule che non sono organizzate in tessuti.

Come avviene la digestione intracellulare? Le cellule prelevano le particelle alimentari mediante fagocitosi, ovvero tramite l’emissione di pseudopodi: grazie a queste estroflessioni citoplasmatiche le particelle raggiungono l’interno della cellula dove si formano delle vescicole (vacuoli alimentari). Le sostanze contenute all’interno delle vescicole vengono digerite graz