Appunti Zoologia generale

Appunti di zoologia generale

Introduzione alla zoologia generale

La zoologia studia gli organismi eucarioti eterotrofi. Come tutta la biologia, deve essere analizzata solo in un contesto evolutivo. Per evoluzione si intende il fatto che tutti gli organismi sono strettamente correlati dal punto di vista genealogico, derivando da un progenitore comune.

Caratteristiche generali degli organismi viventi

Le caratteristiche generali più rilevanti che si sono manifestate durante la storia della vita comprendono:

• Unicità chimica
• Complessità e organizzazione gerarchica
• Riproduzione (ereditarietà e variabilità)
• Presenza di un programma genetico
• Metabolismo
• Sviluppo
• Interazioni con l'ambiente
• Movimento

Unicità chimica

La storia della vita ha realizzato l'assemblaggio di grosse molecole, note come macromolecole, che sono notevolmente più complesse delle piccole molecole che costituiscono la materia non vivente. Queste macromolecole sono composte dagli stessi tipi di atomi e di legami chimici che ricorrono nella materia non vivente e obbediscono a tutte le leggi fondamentali della chimica; soltanto la complessa struttura organizzativa di queste macromolecole le rende uniche. Si conoscono quattro principali categorie di macromolecole biologiche: acidi nucleici, proteine, carboidrati e lipidi.

Organizzazione gerarchica

I sistemi viventi presentano un'organizzazione gerarchica unica e complessa. La materia non vivente è organizzata al massimo in atomi e molecole e spesso ha anche un grado di organizzazione più elevato. Nei sistemi viventi, si trova una gerarchia di livelli che comprende, in ordine crescente di complessità, macromolecole, cellule, organismi, popolazioni e specie. Ciascun livello si costruisce su quello a esso inferiore e ha la sua propria struttura interna, che, a sua volta, può anche essere gerarchica.

La cellula è la più piccola unità della gerarchia biologica ed è semiautonoma nella capacità di svolgere le proprie funzioni vitali, compresa la riproduzione. La cellula è, quindi, considerata come l'unità basilare dei sistemi viventi. Ogni livello via via superiore della gerarchia biologica è composto da unità del livello immediatamente sottostante. Una caratteristica importante di questa gerarchia è che le proprietà di ogni 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, mediante un processo di riproduzione. Anche se la vita ha sicuramente avuto origine almeno una volta da materia non vivente, ciò ha richiesto periodi enormemente lunghi e condizioni molto diverse da quelle dell'attuale biosfera. A ciascun livello della gerarchia biologica, le forme viventi si riproducono per generarne altre, simili a sé stesse. I geni si replicano per produrre nuovi geni. Le cellule si dividono per produrre nuove cellule. Gli organismi si riproducono, sessualmente o asessualmente, per dare luogo a nuovi organismi. Le popolazioni possono disperdersi per dare origine a nuove popolazioni e le specie possono far nascere nuove specie attraverso un processo detto di speciazione. La riproduzione a ogni livello di gerarchia comporta di solito un aumento di numero. Singoli geni, cellule, organismi, popolazioni o specie possono fallire nel riprodursi, ma la riproduzione, tuttavia, è una proprietà attesa di queste unità.

La riproduzione, a ciascuno di questi livelli, caratterizza i fenomeni complementari, e apparentemente contraddittori, di eredità e variabilità. L'eredità è la trasmissione fedele dei caratteri dai genitori ai figli, osservata di solito a livello di organismo. La variabilità è la generazione di differenze tra i caratteri di individui diversi. Nel processo riproduttivo, i caratteri dei discendenti somigliano a quelli dei loro genitori in diverso grado, ma di solito non sono identici. La replicazione del DNA avviene con alta precisione, ma, a frequenza ricorrente, avvengono degli errori. Se l'ereditarietà fosse perfetta, i sistemi viventi non cambierebbero mai; se la variabilità non fosse soggetta al processo ereditario, ai sistemi biologici mancherebbe la stabilità che permette loro di persistere nel tempo.

Programma genetico

Un programma genetico consente una fedele trasmissione dei caratteri ereditari alle generazioni successive. Le strutture delle molecole proteiche, necessarie per lo sviluppo e il funzionamento dell'organismo, sono codificate negli acidi nucleici. La corrispondenza tra la sequenza delle basi nel DNA e la sequenza degli aminoacidi in una proteina è nota come codice genetico. Il codice genetico fu stabilito precocemente nella storia della vita; esso è presente nei batteri e nel genoma nucleare di tutti gli altri organismi. La costanza di questo codice, tra le forme viventi, fornisce una prova chiara dell'origine unica della vita. Il codice genetico ha subito cambiamenti minimi nel corso dell'evoluzione, perché ogni alterazione distruggerebbe la struttura di tutte le proteine, cosa che a sua volta altererebbe gravemente le funzioni cellulari che richiedono strutture proteiche altamente specifiche. Soltanto nel caso raro in cui le strutture proteiche alterate siano ancora compatibili con le proprie funzioni cellulari, un tale cambiamento avrebbe la sorte di sopravvivere e di essere riprodotto.

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. Essi comprendono digestione, produzione di energia e sintesi di molecole e altre strutture. Il metabolismo spesso è inteso come un'interazione di reazioni distruttive (cataboliche) e costruttive (anaboliche). I processi chimici anabolici e catabolici fondamentali utilizzati dai sistemi viventi sono comparsi molto presto nella storia della vita e sono condivisi da tutte le forme viventi. Essi comprendono sintesi di carboidrati, lipidi, acidi nucleici, proteine e loro parti costitutive, nonché la rottura dei legami chimici per ricavare l'energia immagazzinata in essi.

Sviluppo

Tutti gli organismi attraversano un ciclo vitale caratteristico. Lo sviluppo embrionale descrive i tipici cambiamenti che un organismo subisce dalla sua origine (di solito la fecondazione dell'uovo) alla forma adulta finale. Lo sviluppo, generalmente, comporta cambiamenti di dimensione e forma, nonché il differenziamento di strutture all'interno dell'organismo. Anche gli organismi unicellulari si accrescono in grandezza e replicano le proprie parti costitutive, finché si dividono in due o più cellule. Gli organismi pluricellulari subiscono cambiamenti più marcati per tutta la vita. Forme che compaiono in stadi diversi dello sviluppo di alcuni organismi pluricellulari sono talmente dissimili tra loro da risultare difficilmente attribuibili alla stessa specie.

Gli embrioni sono distintamente diversi dalle forme giovanili e adulte nelle quali si svilupperanno. Anche lo sviluppo postembrionale di alcuni organismi comprende stadi enormemente diversi gli uni dagli altri. La trasformazione che avviene da uno stadio all'altro è detta metamorfosi. Vi è poca somiglianza, per esempio, tra l'uovo, la larva, la pupa e l'adulto degli insetti. Gli stadi precoci dello sviluppo tendono spesso a essere più simili in animali di specie imparentate tra loro.

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. Di particolare importanza sono i fattori che determinano la distribuzione geografica e l'abbondanza degli animali. La scienza dell'ecologia ci permette di comprendere come un organismo possa percepire stimoli ambientali e rispondere in modi appropriati, modificando il proprio metabolismo e la propria fisiologia.

Tutti gli organismi rispondono a stimoli nel proprio ambiente, una proprietà detta eccitabilità. La risposta a uno stimolo può essere semplice, come in un organismo unicellulare che si avvicina o si allontana da una sorgente luminosa o sfugge da una sostanza nociva; oppure può essere molto articolata, come la risposta di un uccello a una serie complessa di segnali nel rito del corteggiamento. Vita e ambiente sono inseparabili. Non possiamo isolare la storia evolutiva di un gruppo di specie affini dagli ambienti in cui è avvenuta.

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. In tutte le forme di vita, questi ultimi, a livello cellulare, sono essenziali per la riproduzione, per lo sviluppo e per le risposte agli stimoli. Negli organismi pluricellulari, tali movimenti servono anche per lo sviluppo. Negli animali, il movimento autonomo raggiunge livelli di grande diversità. Osservando su una scala maggiore, possiamo notare come intere popolazioni o specie possono disperdersi col tempo da un luogo geografico a un altro attraverso la locomozione.

Il movimento caratteristico della materia non vivente, come quello delle particelle in soluzione, il decadimento radioattivo dei nuclei e l'eruzione dei vulcani non è controllato dagli oggetti stessi e coinvolge spesso forze esterne. I movimenti degli organismi viventi, spesso adattabili e utili, sono assenti nel mondo inanimato.

• Actina e miosina: movimento muscolare, contrazione
• Tubulina: movimento ciliare e flagellare, locomozione

La natura della scienza

• Guidata da leggi naturali: ogni cosa è naturale
• Esplicativa con riferimento alle leggi naturali
• Verificabile da tutti
• Le sue conclusioni sono ipotesi
• È contestabile

Il metodo scientifico tratta di fare:

• Osservazioni di un fenomeno
• Sviluppo di ipotesi
• Esperimento di verifica delle ipotesi
• Conclusione
• Pubblicazione dei risultati

La parte più importante è mettere il campione di controllo in un esperimento, ovvero fase sperimentale in cui si sa cosa deve avvenire per poter fare un confronto tra il controllo e i risultati dell'esperimento per valutarne la significatività. L'esperimento è considerato valido se è ripetibile infinite volte.

Suddivisione classica degli organismi

• Procarioti: Unicellulari. Il DNA non è racchiuso in un nucleo. Organismi primitivi che si dividono in monere (batteri aerobi e alghe azzurre) e archeobatteri (batteri anaerobici – utilizzano metano o zolfo come molecola energetica).
• Eucarioti: Unicellulari e pluricellulari. DNA racchiuso in un nucleo, cellula compartimentalizzata. Suddivisi in 4 regni:
  • Animali
  • Piante
  • Funghi
  • Protisti

Mitosi e meiosi

• Mitosi: Une cellula 2n dà origine a 2 cellule 2n.
• Meiosi: Due divisioni meiotiche che portano una cellula 2n a formare 4 cellule n.

Protisti

I protisti sono i primi eucarioti unicellulari. Si sono formati con il passaggio dal brodo primordiale. Il passaggio dalla cellula procariote a quella eucariote è avvenuto da batteri a protisti. Generalmente i protisti vivono in colonie, che si differenziano da un organismo pluricellulare perché dividendo la colonia le singole cellule possono continuare a vivere.

Sono state proposte diverse ipotesi per il passaggio da cellule procariote a eucariote, la più supportata è la teoria di La Margulis, chiamata teoria endosimbiontica:

I primi organismi procarioti erano probabilmente anaerobici, il primo passaggio avviene quando compare l'ossigeno sul pianeta, quindi alcuni organismi prima anaerobici iniziano ad utilizzarlo come fonte energetica e diventano aerobici. L'ipotesi prevede che un organismo aerobico abbia fagocitato un organismo anaerobico senza digerirlo, instaurando un rapporto di simbiosi tra i due organismi. Nelle cellule eucariotiche esiste un organello che utilizza ossigeno, con un DNA proprio e capace di riprodursi all'interno del citoplasma: il mitocondrio.

La seconda fase prevede che in questo nuovo organismo avvenga la formazione della membrana, della formazione dell'apparato del Golgi, il nucleo fino ad arrivare ad una cellula eucariotica simile alla nostra. Da questa cellula si evolvono tre possibilità:

1. Funghi: All'interno è rimasta con un nucleo e un mitocondrio, ma è cambiata la capacità di creare attorno alla membrana plasmatica di creare una parete cellulare.
2. Piante: L'ipotesi prevede un ulteriore simbionte, un batterio autotrofo (cianobatterio) che entra in simbiosi con questa cellula a formare il cloroplasto della attuale cellula eucariotica vegetale, anch'essi posseggono proprio DNA cellulare come i mitocondri.
3. Animali: Qui molti scienziati discordano dalla teoria. Gli animali generalmente si muovono. I protisti, che generalmente vivono in acqua, utilizzano il flagello per il movimento. L. Margulis sostiene che anche il flagello sarebbe derivato da una simbiosi tra un batterio spirochete, ma manca un dato fondamentale perché questa teoria possa essere veritiera: la mancanza del DNA che non permetterebbe la simbiosi tra le due cellule. Chi non sostiene questa teoria pensa che il flagello sia di origine endogena, ovvero che la cellula stessa l'abbia prodotta.

Protozoi

Possono essere considerati a seconda del loro ciclo: aplonti, diplonti o aplodiplonti. Ricorda: per definizione i gameti sono n!

• Aplonti: Tutte le cellule del ciclo cellulare sono aploidi (n), tranne lo zigote (2n). Due gameti (n), si uniscono a formare lo zigote (2n). La prima divisione dello zigote è una meiosi, per cui si formano 4 cellule (n), vegetative. Ad un certo momento, a causa di stimoli esterni, cambiano la fisiologia (non la morfologia) e si trasformano in cellule gametiche, quindi capaci di unirsi tra di loro a formare lo zigote. Lo zigote può rimanere zigote, per superare le stagioni avverse, ma generalmente va sempre incontro alla prima divisione meiotica.
• Diplonte: Tutte le cellule del ciclo cellulare sono (2n) tranne i gameti (n). I gameti (n) si uniscono a formare lo zigote (2n) e si divide per divisione mitotica, a formare tante cellule (2n). Ad un certo punto, per cambiamento di stimolo esterno, le cellule vegetative (2n) subiscono una divisione meiotica con formazione dei gameti (n).
• Aplodiplonte (eterofasico): Esistono due generazioni: una aplonte e una diplonte. Spesso queste generazioni oltre ad essere diverse per i cromosomi lo sono anche morfologicamente, generalmente la generazione diploide è più grande di quella aploide. I gameti (n) si uniscono a formare lo zigote (2n) che si divide per mitosi a dare una prima generazione di cellule (2n). Ad un certo punto, uno stimolo esterno, induce una divisione meiotica per cui tutte le cellule (2n) subiscono divisioni meiotiche che danno generazioni (n) vegetative. Ad un certo punto, dopo un certo numero di formazione di queste cellule vegetative (gamonti) si formano i gameti (n) con un cambio della fisiologia delle cellule. Tra le generazioni aplonte e diplonte spesso cambiano gli habitat.

Albero filogenetico

Primo albero filogenetico degli organismi presentato su base molecolare. Il disegno in alto è un ribosoma, e ci dice quale acido nucleico è stato utilizzato: quello della sub-unità più piccola. È importante perché ci permette di vedere che gli Archeabatteri sono divisi dagli Eubatteri. Si nota anche una divisione tra piante, funghi, animali e protisti. Piante, funghi e animali hanno un antenato comune. I protisti invece hanno una decina di rami che ci indicano che non vi è un antenato comune, perciò la variabilità dei protisti è nettamente superiore alla variabilità di tutti gli altri metazoi.

Uno studioso aveva calcolato che esiste una maggiore differenza molecolare tra due ceppi della stessa specie rispetto all'uomo e il pipistrello.

Protisti sono i primi eucarioti unicellulari. Con il termine protozoi, in genere si intendono i protisti che sono eterotrofi, poiché tra i protisti sono presenti sia organismi autotrofi che eterotrofi. Il termine “protozoi” non ha valore sistematico, filetico perché i protisti hanno origini diverse, non hanno antenati in comune. Tra i protozoi ci sono le amebe e i ciliati, che non hanno alcun parente in comune, spesso le amebe sono più associate ai flagellati. I primi procarioti sono di circa 4 miliardi di anni fa, dopo circa 2 miliardi sono comparsi i protisti e più tardi i primi metazoi.

Molte soluzioni che hanno trovato i protisti sono invariate da moltissimo tempo, perché la morfologia si è affinata a determinati ambienti ed è la più adattabile ai determinati ambienti. Difficilmente troviamo negli stessi ambienti forme di protisti molto diverse tra loro. I ciliati sono considerati dagli studiosi quelli che hanno raggiunto la massima diversificazione. Infatti, in una singola cellula sono sviluppati tutti gli organelli che necessita per vivere.

• Le ciglia: organi di movimento
• Apparato di escrezione: costituito da vacuoli contrattili, che permettono di mantenere all'organismo l'equilibrio osmotico
• L'apparato nucleare: costituito da due nuclei, un micronucleo e un macronucleo