Biologia animale

Uno sguardo sulla vita

Capitolo 1: Le caratteristiche della vita

Tutti gli organismi viventi sono composti da cellule. Le nuove cellule sono generate esclusivamente dalla divisione di cellule preesistenti, concetti espressi nella teoria cellulare:

• Alcune delle forme di vita più semplici (protozoi) sono unicellulari (un'unica cellula).
• Organismi più complessi sono costituiti da miliardi di cellule e sono pluricellulari; in tali organismi i processi vitali dipendono dalle funzioni coordinate delle cellule che sono organizzate per formare tessuti, organi e apparati.

Ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica protettiva che le separa dall'ambiente. Questa regola il passaggio di materiale tra la cellula e l'ambiente. Le cellule possiedono molecole specializzate che contengono l'informazione genetica che è codificata nell'acido deossiribonucleico (DNA). Inoltre, sono caratterizzate da strutture interne (organelli) specializzate per svolgere funzioni precise.

Esistono due tipi di cellule:

• Cellule eucariotiche: organismi pluricellulari, tra cui l'uomo, caratterizzati da cellule con nucleo che contiene DNA e molti organelli circondati da membrana.
• Cellule procariotiche: batteri semplici, unicellulari, privi di nucleo e organelli circondati da membrana.

Gli organismi crescono e si sviluppano

La crescita biologica consiste nell'aumento della dimensione delle singole cellule di un organismo o nell'aumento del numero delle cellule o entrambi. Durante il processo di crescita, ogni parte dell'organismo continua a funzionare mentre cresce. Oltre ad accrescersi, si sviluppano ed includono tutti quei cambiamenti che avvengono durante la vita di un organismo. La forma e la struttura del corpo sono adatte alle funzioni che l'organismo svolge.

Gli organismi regolano i processi metabolici

Negli organismi viventi avvengono reazioni chimiche e trasformazioni energetiche per la:

• Nutrizione
• Crescita
• Riparazione cellulare
• Trasformazione dell'energia in forme utilizzabili

L'insieme di queste attività è chiamato metabolismo: sono continue e devono essere regolate per mantenere l'omeostasi, stato di equilibrio interno. Sono sistemi di controllo che si autoregolano e sono efficienti (es. la regolazione della concentrazione del glucosio nel sangue). Le cellule richiedono infatti un apporto costante del glucosio, che viene demolito per ottenere energia. Il sistema circolatorio ha la funzione di portare il glucosio a tutte le cellule.

Gli organismi rispondono agli stimoli

Tutte le forme di vita rispondono agli stimoli (cambiamenti fisici o chimici che avvengono nel loro ambiente interno o esterno). La risposta agli stimoli determina il movimento:

• Negli organismi più semplici, l'intero organismo è in grado di rispondere agli stimoli (es. organismi unicellulari rispondono alla luce ritraendosi).
• In alcuni lo spostamento è il risultato di un lento scivolamento della cellula (movimento ameboide).
• Negli animali più complessi, alcune cellule del corpo sono altamente specializzate a rispondere a stimoli specifici.
• In altri, è dato dall'oscillazione delle ciglia, o di strutture più lunghe chiamate flagelli. Alcuni animali come le spugne e i coralli sono detti sessili perché pur restando attaccati alla superficie, hanno ciglia o flagelli che li fanno spostare.

Gli organismi si riproducono

In alcuni organismi:

• La riproduzione è asessuata (es. l'ameba quando si riproduce si divide in due parti formando due amebe). Prima di dividersi questa fa la copia del suo materiale ereditario (GENI) e lo divide in maniera uguale tra due cellule. Le nuove amebe saranno entrambe identiche alla madre, solo più piccole. Solo se si verificano delle mutazioni genetiche ci saranno variazioni tra gli organismi che si riproducono asessualmente.
• Nella maggior parte dei vegetali e animali la riproduzione è sessuata e avviene con la produzione di cellule specializzate (uova o cellule spermatiche) che si uniscono per formare un uovo fecondato, dal quale si sviluppa un nuovo organismo. Questo sarà il prodotto dell'unione di diversi geni forniti sia dalla madre che dal padre. Questa variabilità genetica è alla base dei processi vitali dell'evoluzione e dell'adattamento.

Le popolazioni si evolvono e si adattano all'ambiente che migliora le capacità di un organismo di sopravvivere in un particolare ambiente. Possono essere di tipo: strutturale, fisiologico, comportamentale.

I livelli di organizzazione biologica

È possibile evidenziare una gerarchia dell'organizzazione biologica. Lo studio di una struttura mediante l'analisi delle sue parti è conosciuta come riduzionismo e ogni livello ha proprietà emergenti, cioè caratteristiche non presenti ai livelli inferiori.

• Gli organismi hanno diversi livelli di organizzazione.
• Livello chimico: il più semplice livello di organizzazione e comprende atomi: più piccola unità di un elemento chimico che ha in sé le proprietà caratteristiche di quell'elemento.
• Molecole: gli atomi si combinano chimicamente per formare le molecole.
• Livello cellulare: diversi tipi di atomi e molecole possono associarsi tra loro per formare le cellule: unità di base e funzionale della vita in grado di svolgere tutte le attività necessarie per la vita. Si associano per formare i tessuti. Si associano in strutture funzionali chiamate organi (es. cuore, stomaco ecc..). Associato con altri organi espletano le principali funzionali biologiche e formano i sistemi.

Trasmissione dell'informazione

Per crescere, svilupparsi, avere un metabolismo e riprodursi, l'essere vivente ha bisogno dell'informazione necessaria che viene codificata ed enunciati sotto forma di sostanze chimiche e di impulsi elettrici. Negli organismi che si riproducono in modo sessuato il figlio è una combinazione di caratteristiche dei suoi genitori. Nel 1953 James Watson e Francis Crick scoprirono la struttura dell'acido deossiribonucleico (DNA) che costituisce i GENI: unità di base del materiale ereditario.

Una molecola di DNA è composta da due catene di atomi avvolte per formare un'elica. Ogni catena ha una sequenza di nucleotidi (4 tipi di nucleotide). Ogni sequenza da 3 nucleotidi rappresenta una parte del codice genetico che è universale, ogni organismo lo possiede ma allo stesso tempo è diverso in ogni organismo.

L'informazione è trasmessa da segnali chimici ed elettrici. I geni controllano lo sviluppo e il funzionamento di ogni organismo e il DNA fornisce le proteine necessarie per determinare la struttura e la funzione delle cellule e dei tessuti. Le cellule utilizzano le proteine per comunicare, le cellule ad esempio producono composti chimici, come ormoni, che trasmettono segnali ad altre cellule. Gli organismi possono segnalare ad altre cellule distinti di secernere una determinata sostanza. Questi segnali chimici aiutano a regolare la crescita ecc.. e questi processi di segnalazione includono sequenze biochimiche complesse.

Molti organismi usano segnali elettrici per trasmettere informazioni. La maggior parte degli animali ha un sistema nervoso che trasmette:

• Per mezzo di impulsi elettrici
• Di molecole, chiamate neurotrasmettitori

Negli animali complessi il sistema nervoso trasmette i segnali dai recettori sensoriali (occhi, ecc) al cervello, informandolo dei cambiamenti che avvengono all'esterno.

L'evoluzione: il concetto di base unificante della biologia

L'evoluzione è il processo mediante il quale le popolazioni di organismi cambiano nel tempo. L'evoluzione coinvolge il passaggio dei GENI per nuovi tratti da una generazione all'altra, generando differenze nelle popolazioni.

I biologi usano un sistema binomiale per la nomenclatura degli organismi. La sistematica è il campo della biologia che studia la diversità degli organismi e la loro correlazione evolutiva; un aspetto della sistematica è la tassonomia, la scienza che studia la nomenclatura e la classificazione degli organismi.

Nel 18 secolo Carlo Linneo elaborò un metodo di nomenclatura e classificazione gerarchico. L'unità di base per la classificazione è la specie: gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamento simili. Costituita da una o più popolazioni, i cui membri della stessa specie si accoppiano gli uni con gli altri. I membri di una popolazione hanno un pool genico comune (i geni presenti nella popolazione) e derivano da un antenato comune.

Le specie strettamente correlate tra loro possono essere riunite in un livello superiore, il genere. Questo sistema è anche detto sistema di nomenclatura binomiale, poiché ciascuna specie è assegnata un nome doppio:

• La prima parte indica il genere
• La seconda, l'epiteto specifico, indica una particolare specie appartenente a quel genere

L'iniziale del nome che indica il genere è sempre maiuscola, mentre l'iniziale del nome indica la specie è minuscola, entrambi i nomi sono scritti in corsivo o sottolineati. Un certo numero di GENERI tra loro correlati costituiscono una famiglia: sono raggruppati in ordini, questi in classi, in phyla, in regni che sono assegnati a domini, ad ogni livello, ogni raggruppamento rappresenta un taxon: un gruppo sempre più grande che va dalle specie ai domini.

L'albero della vita comprende tre domini e sei regni

La sistematica si è evoluta con nuove tecnologie molecolari. La classificazione degli organismi cambia. I sistematici hanno sviluppato un albero genealogico della vita, cioè un albero che mostra correlazioni tra gli organismi sulla base delle similarità a livello molecolare:

• I batteri: sono riconosciuti come procarioti unicellulari diversi da tutti gli altri organismi.

Il microbiologo Carl Woese selezionò una molecola nota come RNA (rRNA) che partecipa al processo di sintesi proteica in tutti gli organismi. Da qui ipotizzò che la composizione molecolare dell'rRNA fosse più simile in organismi correlati e non in quelli lontanamente imparentati. I risultati dimostrarono che esistono due tipi di procarioti assegnando a questi due domini:

• Bacteria
• Archea

A questi corrispondono due regni diversi: gli eucarioti nel dominio Eurarya. Corrispondono i restanti 4 degli eucarioti fanno parte:

• Il regno protista: di cui fanno parte i protozoi, alghe, le muffe. Questi organismi sono unicellulari o pluricellulari semplici. Alcuni svolgono la funzione di fotosintesi.
• Regno plantae: sono pluricellulari complessi e svolgono la fotosintesi. Questo regno comprende sia piante non vascolarizzate (muschi) sia piante vascolarizzate (felci, piante a fiori) che hanno tessuti per il trasporto di materiali attraverso il corpo della pianta.
• Regno funghi: muffe e funghi, no fotosintesi.
• Regno animalia: organismi pluricellulari che devono mangiare altri organismi per nutrimento.

Tutte le specie si adattano in risposta ai cambiamenti ambientali, se non fosse così tutte si estinguerebbero. La selezione naturale è un importante meccanismo mediante il quale procede l'evoluzione. Charles Darwin e Alfred Wallace misero in risalto la teoria dell'evoluzione spiegata attraverso la selezione naturale. Affermarono che le forme di vita presenti discendono, attraverso modifiche, da forme preesistenti. Secondo Darwin, l'evoluzione è alla base delle diversità esistenti tra gli organismi che vivono sulla terra.

La teoria della selezione naturale si basa su tali osservazioni:

• Ogni membro di una specie è diverso dagli altri.
• Nascono molti più organismi di quelli in grado di sopravvivere fino alla riproduzione.
• Gli individui competono per procurarsi le risorse necessarie alla sopravvivenza, gli individui con caratteristiche vantaggiose sopravvivono, gli altri no.
• Gli organismi che sopravvivono si riproducono e trasmettono le caratteristiche vantaggiose alla prole e alle generazioni future.

L'ambiente perciò seleziona gli organismi a sopravvivere e l'adattamento porta cambiamenti nelle popolazioni. Alla base di queste variazioni ci sono mutazioni casuali (cambiamenti chimici o fisici nel DNA) che sono persistenti e possono essere ereditati. Le mutazioni modificano l'informazione genetica e rappresentano la base dell'evoluzione. Le popolazioni si evolvono in funzione di processi selettivi derivati da cambiamenti ambientali. Tutti i geni presenti in una popolazione ne costituiscono il pool genico. Esistono variazioni. La selezione naturale agisce sugli individui di una popolazione favorendo gli organismi con caratteristiche vantaggiose per contrastare le pressioni esercitate dall'ambiente. I membri di una popolazione che sopravvivono si adattano sempre più al loro ambiente e si modificano progressivamente dai loro antenati. La popolazione si diversifica e si evolvono nuove specie.

L'energia di vita

L'energia viene emanata dal sole, tutte le attività di una cellula o di un organismo richiedono energia. Ogni volta che si utilizza energia per eseguire un lavoro biologico, parte viene trasformata in calore e dispersa nell'ambiente. Tutti i processi chimici e le trasformazioni energetiche all'interno delle cellule prendono il nome di metabolismo, che avviene solo in presenza di energia che fornisce il nutrimento e parte di questo è utilizzato come carburante per la respirazione cellulare: processo in cui l'energia immagazzinata nelle molecole è rilasciata per essere utilizzata dalle cellule e tale energia rilasciata viene utilizzata per la sintesi di materiali necessari per le strutture cellulari.

Anche gli ecosistemi hanno bisogno di energia. Un ecosistema autosufficiente è costituito da tre tipi di organismi:

• Produttori
• Consumatori
• Decompositori

E da un ambiente fisico adatto per la loro sopravvivenza. Tutti gli organismi dipendono l'uno dall'altro e dall'ambiente ma il flusso continuo di energia è a senso unico. Nel senso che durante la fotosintesi, i produttori o autotrofi (piante) utilizzano l'energia solare per produrre molecole complesse partendo da anidride carbonica e acqua. I consumatori, come il bruco e gli uccelli, ricavano l'energia e di altre sostanze necessarie per nutrirsi, cibandosi di altri produttori. I decompositori sono eterotrofi che ottengono l'energia dal materiale organico morto. I produttori forniscono anidride carbonica più acqua più energia luminosa = zuccheri (cibo) + ossigeno. I consumatori o eterotrofi, cioè dipendono dai produttori per il cibo, energia e ossigeno. Si cibano dei produttori e degli zuccheri (ed altre molecole più ossigeno nutritivo) = anidride carbonica più acqua più energia. Solo così si manterrebbe l'equilibrio dell'ecosistema.

Il procedimento scientifico

La biologia è una scienza:

• È modo di pensare ad un metodo per studiare sistematicamente il mondo che ci circonda.
• Il procedimento scientifico è investigativo, dinamico e controverso e varia nel tempo perché influenzato da fattori culturali, sociali, storici e tecnologici.
• Al contrario, il metodo scientifico è ordinato, si fanno osservazioni accurate, si pongono domande critiche, si sviluppano ipotesi (affermazioni verificabili) e da queste si fanno delle predizioni verificate attraverso altre osservazioni oppure esperimenti, si raccolgono dati da analizzare e si interpretano i risultati per trovare conclusioni.
• I biologi lavorano sia in laboratorio che sul campo: spaziano dallo studio della struttura dei batteri e virus all’interazione delle comunità nella biosfera. Le applicazioni della ricerca biologica di base hanno portato allo sviluppo di tecnologie per i trapianti e il trattamento di patologie e l’incremento di cibo nel mondo.
• La scienza procede in modo sistematico, organizza e quantifica le conoscenze acquisite rendendole accessibili a tutti coloro che vogliono lavorarci. Questa utilizza metodi rigorosi per l’analisi dei problemi e cerca di fornire precise informazioni su alcuni aspetti dell’universo accessibili ai suoi metodi d’indagine.

Il pensiero scientifico utilizza:

• Ragionamento deduttivo: si inizia con le premesse per arrivare a delle conclusioni. Questo principio parte da principi generali per arrivare a conclusioni specifiche.
• Induttivo: parte da osservazioni specifiche per arrivare a conclusioni generali. Questo però è debole in quanto non si potrebbe mai arrivare a generalizzare definitivamente, in quanto le generalizzazioni sono frutto della creatività della mente dell’uomo e questa non è infallibile.

Di solito le scoperte importanti vengono fatte da coloro che hanno l’abitudine di osservare la natura in maniera critica riuscendo a riconoscere un fenomeno o un problema. Da queste osservazioni traggono delle ipotesi, spiegazione potenziale di osservazioni o fenomeni. Una buona ipotesi dovrebbe essere:

• Coerente con fatti ben stabiliti
• Essere analizzabile, cioè deve generare conclusioni definitive sia che i risultati siano positivi che negativi. I risultati devono essere riproducibili.
• Essere confutabile, deve esistere la possibilità di dimostrarne la non veridicità.

Successivamente, lo scienziato decide quale potrebbe essere sottoposta a test sperimentale. Un'ipotesi ben formulata può essere verificata, altrimenti rifiutata. Non si può considerare vera un'ipotesi solo perché alcune ipotesi si sono avverate; un'ipotesi può essere supportata da dati, ma non si può realmente dimostrare che sia vera. Un'ipotesi non confutabile è un'ipotesi che non si può provare che sia falsa, in quanto non può essere investigata scientificamente. In biologia, le ipotesi sono derivate sempre più da modelli che gli scienziati hanno sviluppato per dare una spiegazione comprensibile di osservazioni. Un'ipotesi è un'idea astratta, tuttavia gli scienziati possono fare delle previsioni verificabili che sono una conseguenza logica e deduttiva di un'ipotesi e non un evento futuro; una previsione può essere avvalorata mediante esperimenti controllati. Negli esperimenti scientifici bisogna evitare i preconcetti e per prevenirli si utilizza il metodo del ...