Biologia animale

BIOLOGIA ANIMALE

Ogni gruppo animale presenta uno schema corporeo: il bauplan, che presenta 4

caratteristiche principali:

- Simmetria corporea

- Livello di organizzazione

- Cavità corporea

- Foglietti germinativi (ectoderma, mesoderma, endoderma)

Tutte le strutture in un organismo devono essere compatibili l’uno con l’altro e con

l’ambiente. Queste sono strutture selezionate, possono modificarsi ma non

scompaiono (selezione di Darwin).

I cetacei derivano da mammiferi terrestri, ma con vincoli evolutivi (ad esempio la

respirazione polmonare non cambia).

Tutti gli animali devono: mangiare, digerire, respirare, eliminare le scorie azotate,

muoversi, percepire stimoli dall’esterno e riprodursi.

Le restrizioni per la costruzione di un bauplan sono: l’ambiente, la dimensione, la

forma e la simmetria.

1- Ambiente: può essere marino, di acqua dolce oppure terrestre e aereo. Acqua

dolce e terrestre sono ambienti stressanti.

l’ambiente marino è stabile, ricco di cibo, mentre l’acqua dolce e la terra sono

stressanti perché non sono stabili ad esempio per il cambiamento della

concentrazione salina.

I primi organismi erano organismi unicellulari (protozoi). Non avevano problemi

di osmoregolazione perché la concentrazione salina della cellula era uguale a

quella dell’ambiente esterno.

Sono comunque necessari organi e apparati che regolano le condizioni interne

dell’organismo e mantengono ad esempio la concentrazione ionica costante;

questi sono determinati da un lungo processo di selezione che porta

all’evoluzione.

Quando vi è un aumento dimensione viene facilitata l’osmoregolazione e la

protezione contro la redazione. L’aumento dimensionale pone anche vincoli

(svantaggi).

2- Dimensione: RAPPORTO SUPERFICIE/VOLUME

Se ad esempio aumento una sfera il suo rapporto S/V diminuisce. Se un animale

è piccolo ha un rapporto ampio e può svolgere tutte le funzioni scambiando

rapporti con l’ambiente. Se è grande non tutte le sue cellule possono interagire

con l’ambiente. Queste cellule sono circondate da membrana interstiziale,

quindi dovranno apparire nuove strutture.

Il rapporto S/V influisce sulla forma e sulla dimensione di alcune strutture (come

ad esempio i padiglioni auricolari degli elefanti). Quindi questo rapporto è

importante per l’osmoregolazione.

3- Forma e simmetria

Sono rari gli animali asimmetrici (ad esempio alcuni protozoi e spugne). La

maggior parte degli animali sono simmetrici. Le simmetrie possono essere di

due tipi: simmetria sferica (è rara), quando tutti i diametri della sfera sono

assi di simmetria e passano tutti per il centro. Non ci sono specializzazioni come

la polarità; simmetria radiale tipica dei sessili o ventonici (=attaccati ad un

substrato, ad esempio meduse e coralli). Presentano una zona aborale (quella

attaccata al substrato) e una zona orale. L’asse ORO – ABORALE definisce un

sopra e un sotto, perché divide in modo radiale l’organismo in parti uguali;

simmetria bilaterale solo un piano antero – posteriore. Cefalizzazione (organi

sensoriali localizzati principalmente nella regione cefalica)

ALIMENTAZIONE

Tutti si devono alimentare per ricavare energia. Gli eterotrofi si procurano sostanze

organiche già sintetizzate sottoforma di cibo, quindi si devono procurare con l’alimento

l’energia. Grazie all’accumulo di energia è possibile un’alimentazione discontinua.

- Erbivori: vegetali, frutta, semi e polline

- Carnivori: tessuti e cellule animali

- Onnivori: sono i meno specializzati

Modalità di alimentazione:

- Detritivori, organismi decompositori rivestono una particolare importanza nel

processo di decomposizione. Sono frantumatori di particelle organiche

- Fluidfeeders, si cibano di fluidi. Possono essere ematofagi o fagotofagi

- Filtratori, alimentazione per filtrazione. Richiede poca energia.

Il cibo può essere pretrattato da strutture esterne specifiche (mascelle e denti), per

rendere più facile la digestione, ma esiste anche una predigestione (tipo i ragni,

compiono liquefazione mediante enzimi, poi ciuccia la preda. Oppure tipo la stella

marina).

Sequenza di eventi nell’alimentazione

Ingestione (triturazione cibo in parti più piccole) – digestione (macromolecole

demolite in molecole più piccole) – assorbimento (piccole molecole entrano nelle

cellule del canale alimentare e distribuite mediante app. di distribuzione) – egestione

(residui non digeriti eliminati con le feci)

Questi eventi necessitano di un forte dispendio energetico, cioè ATP (energia

chimica). ATP formato da una base azotata, uno zucchero e tre fosfati. Avviene la

scissione di un gruppo fosfato. Quindi da energia chimica (ATP) a energia meccanica

(ADP). Quando l’animale non mangia l’energia è accumulata sotto forma di glicogeno

o grassi. Una percentuale di energia è spesa per il metabolismo di base, un’altra per

l’attività tipo il movimento, per la riproduzione, per l’accrescimento e per la

termoregolazione.

La cellula prende energia dal metabolismo energetico: glicolisi (2 molecole di ATP),

ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa (36 ATP). Le fonti sono le macromolecole:

carboidrati, proteine e lipidi. Questi sono anche le principali unità costitutive delle

cellule. I nutrienti essenziali sono le vitamine, i minerali, gli amminoacidi o acidi grassi

essenziali. L’acqua invece, è essenziale per lo svolgimento delle reazioni cellulari. Le

macromolecole, al contrario dei monomeri, NON possono attraversare le membrane

plasmatiche.

La digestione prevede la degradazione (scissione) dei polimeri in monomeri. Può

avvenire in camere con enzimi (come lo stomaco), ma non sempre è così. Può essere

digestione intracellulare in cui avviene una fagocitosi, si crea un vacuolo in cui è

contenuto il nutrimento. Questo vacuolo si fonde con un lisosoma, che presenta enzimi

digestivi che digeriscono le particelle di cibo.

Oppure può essere digestione extracellulare che avviene in:

- una cavità digerente (non è presente l’ano), che contiene enzimi prodotti dalle

cellule;

- Una cavità gastrovascolare, presente in piccoli organismi e in cui

l’alimentazione è discontinua. Qui avviene sia la digestione che la distribuzione;

- Un tubo digerente, che richiede più spese energetiche. Presenta due aperture,

un ano e una bocca. Sono presenti anche specializzazioni come lo stomaco,

l’intestino o la cistifellea (produzione e accumulo di bile, fondamentale per la

successiva digestione die grassi), o ghiandole come il pancreas. Ha solo

funzione digerente e qui l’alimentazione è continua.

Questo può essere rettilineo o a U.

Stomaco possiede cellule che secernono enzimi e acidi (pepsinogeno, HCl).

Intestino (assorbe) presenta cellule che delimitano un lume. I monomeri

devono essere assorbiti e arrivare poi al circolo sanguigno. Il processo di

diffusione avviene mediante gradiente e quindi non richiede dispendio di

energia, le molecole di soluto (liposolubili) si diffondono quindi attraverso la

membrana e si spostano (molecole idrosolubili) attraverso un poro rivestito di

materiale proteico. Avviene poi il co-trasporto che prevede invece dispendio di

energia. Le molecole di soluto (ioni minerali Fe e Ca, più il fruttosio) si attaccano

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ad una molecola di trasporto. (superficie interna dell’intestino tenue = 550 m ).

Se aumenta la superficie dell’intestino, aumenta l’assorbimento (con vari adattamenti)

come ad esempio lo squalo presenta una valvola a spirale, il verme una doccia

intestinale, mentre quello dell’uomo si arrotola su sé stesso. La lunghezza

dell’intestino è variabile, ad esempio gli erbivori ce l’hanno più lungo dei carnivori.

Eccezione: la tenia (parassita intestinale) non ha il tubo digerente ma presenta un

epitelio di rivestimento, cioè un epiderma microvillato per aumentare la superficie di

assorbimento.

Destinazione delle sostanze alimentari

Queste sostanze vengono accumulate in grassi, o glicogeno (zuccheri). Gli scheletri

carboniosi vengono sintetizzati in proteine. I monomeri fungono da substrato che con

aggiunta di O (quindi ossidazione) si crea ATP (con scarto di H O e CO ).

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Questo ossigeno arriva dall’ambiente esterno tramite la respirazione.

RESPIRAZIONE

Le cellule necessitano ossigeno per ricavare energia dai nutrienti. L’anidride carbonica

prodotta deve essere eliminata perché acidifica l’ambiente. La respirazione può essere

cellulare, avviene nei mitocondri. C H O + 6O -> 6CO + 6H O. è la fase in cui si ha

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l’ossidazione delle molecole organiche per la produzione di ATP. La CO è tossica,

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quindi da eliminare e l’H O serve per svolgere numerose reazioni cellulari.

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La respirazione negli organismi serve per recuperare O ed eliminare CO tramite

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sistemi respiratori associati con sistemi circolatori. Avviene uno scambio di gas tra

l’individuo e l’ambiente, per diffusione attraverso la membrana cellulare e questi gas

devono essere disciolti in un liquido infatti le superfici respiratorie devono essere

mantenute umide. Gli scambi sono influenzati da fattori fisici (come la salinità) e

ambientali:

- Ambiente acquatico: è più viscoso. L’acqua crea più attrito per gli scambi e

anche la salinità influisce, perché l’ossigeno diminuisce con l’aumento della

salinità. La capacità dei gas di disciogliersi è influenzata anche dalla

temperatura, se è bassa l’ossigeno di discioglie meglio. I pesci sono animali

eterotermi: la loro temperatura corporea varia in base alla temperatura esterna.

- Ambiente terrestre: bassa viscosità e maggior quantità di O . L’ossigeno

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diminuisce in alta quota e varia in ambienti ristretti come quelli sotterranei.

Questo è meno idrosolubile e liposolubile della CO ed ha più basso tasso di

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diffusione nei liquidi. L’EFFICIENZA DI DISTRIBUZIONE DELL’OSSIGENO E’ MOLTO

BASSA. La massima distanza che l’O può percorrere per diffusione è minore di 1

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mm (infatti non può raggiungere alcuni organi).

Gli scambi gassosi dipendono da S/V. se il rapporto S/V è ALTO negli organismi piccoli,

come i protozoi o la planaria, le cellule sono tutte a contatto con l’ambiente e lo

scambio avviene da cellula a cellula, quindi attraverso la superficie corporea, anche se

avviene ventilazione mediante movimento corporeo e ciglia, per mantenere sempre un

gradiente di concentrazione di gas favorevole alla diffusione (necessario ATP). Il tasso

di diffusione die gas dipende dalla legge di Fick Q = DxAxY D= coefficiente di

diffusione (dipende dal mezzo), A= area superficie di scambio, Y= gradiente di

concentrazione.

per ottimizzare il processo di scambio dei gas si può modificare A o Y

1. Modificare A: costruzione di superfici espanse

2. Modificare Y:

• STRUTTURE PER VENTILAZIONE

• SISTEMA CIRCOLATORIO

MANTENGONO differenze di concentrazione di O2 e CO2 tra superficie respiratoria e

ambiente FAVORENDO lo scambio dei gas.

Se il rapporto S/V è BASSO, negli animali grossi, sono presenti molte cellule

nell’organismo, che quindi vanno oltre all’1 mm. Quindi le cellule più interne

rimangono non ossigenate. Sono necessari degli apparati di respirazione. Devono

avere superficie molto ampia (come ad esempio ripiegamenti di membrana). Devono

essere a contatto con l’ambiente e devono avere epiteli ampi, sottili e umidi. A questi

è associato anche un sistema circolatorio.

APPARATI RESPIRATORI

- BRANCHIE possono essere interne o esterne. Sono espansioni lamellari

ramificate e riccamente vascolarizzate, possiedono un rivestimento epiteliale

sottilissimo e delicato, infatti per questo molti organismi lo proteggono

all’interno.

Funzionamento: (nei pesci) sono presenti gli ARCHI BRANCHIALI, colonne

cartilaginee, in cui scorrono vasi sanguigni (il sangue blu è quello non

ossigenato, ricco di CO , sono afferenti). Dagli archi branchiali partono i

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FILAMENTI BRANCHIALI (un centinaio da una parte e dall’altra), costituiti da

LAMELLE BRANCHIALI, che sono ripiegamenti, ognuna irrorata da capillari. Qui

l’O entra nei capillari sanguigni ed entra nei vasi efferenti, mentre la CO esce.

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Tra una lamella e l’altra scorre H O. il flusso di sangue e quello di acqua sono in

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conto corrente. Quello di sangue fluisce nella direzione opposta di quello

dell’acqua (acqua scorre sulle lamelle branchiali). Questo succede perché se

fossero equicorrente si arriverebbe all’equilibrio e non passerebbe più ossigeno.

Ventilazione: con consumo di ATP. Per mantenere sempre un gradiente di

concentrazione di gas favorevole alla diffusione. (esempio nei pesci)

- POLMONI: strutture ambiente terrestre, le branchie non possono funzionare

perché c’è un’eccessiva perdita di H O per evaporazione e quindi ci sarebbe un

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collasso. I polmoni sono strutture protette dall’esterno. Si differenziano in:

Polmoni a diffusione: (anfibi, lumache, molluschi) sono sacchettini delimitati

da epitelio sottile, umido e vascolarizzato. Presentano un PNEUMOSTOMA cioè

un buco che si apre e si chiude (un foro che fa comunicare la camera umida) per

far uscire ed entrare aria. Gli anfibi hanno un polmone sacciforme, non hanno

la cassa toracica, infatti ad esempio le rane deglutiscono l’aria. Lo scambio dei

gas avviene per diffusione.

Polmoni a ventilazione: tipici de vertebrati. Sono organi parenchimatosi.

Sono presenti gli alveoli, cioè strutture acinose, definite da epitelio sottile ed

umido. Presentano una rete per lo scambio gassoso. Sono strutture dentro cave.

Gli alveoli sono a diretto contatto con i vasi sanguigni (capillari sanguigni) per il

passaggio dei gas. L’aria entra nei polmoni attraverso la cavità boccale o le vie

nasali, passa alla trachea e ai bronchi, per raggiungere infine gli alveoli. La

parete degli alveoli e dei capillari è estremamente sottile, cosicché la distanza

che l’ossigeno deve percorrere per diffusione non supera i 2 micrometri. A livello

degli alveoli l’aria si trova in intimo contatto con il sangue che fluisce attraverso

l’estesa rete di minuti vasi che circondano l’alveolo.

L’entrata e l’uscita di aria è regolata dall’aspirazione e dall’espirazione. Avviene

una ventilazione a livello del diaframma, che si contrae. Tutto ciò avviene con

consumo di ATP. Durante l’inspirazione il diaframma si contrae e anche i muscoli

della cassa toracica, l’espirazione è il contrario.

La contrazione non funziona negli animali che volano.

Polmoni a libro: (nei ragni)

negli insetti sono presenti le trachee

Tutti hanno i PIGMENTI RESPIRATORI (come l’emoglobina). Sono grosse molecole

con ioni metallici (RAME O FERRO) che catturano O e lo cedono ai tessuti. Sono

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disciolti nel sangue (negli invertebrati) o associati ai globuli rossi (vertebrati).

Emocianina (Cu) ed emoglobina (Fe).

Adattamento per lunghi periodi di immersione: avviene grazie all’elevata

presenza di MIOGLOBINA nei muscoli, per immagazzinare O e rilasciarlo lentamente

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nei muscoli.

Adattamento all’altitudine: sono presenti polmoni o parabronchi per gli scambi

gassosi e sacchetti aerei che consentono un flusso unidirezionale di aria ossigenata nei

polmoni e abbassano il peso specifico dell’animale. C’è così una massima estrazione di

ossigeno grazie ai polmoni più i sacchi aerei.

SISTEMI DI TRASPORTO

Servono per distribuire le sostanze nutritive, i gas, i messaggi chimici (come gli

ormoni) e hanno funzioni di raccolta delle sostanze di rifiuto. Distribuiscono il calore e

mantengono l’equilibrio omeostatico (funzione tampone). Hanno anche funzione

immunitaria.

Negli organismi unicellulari, che hanno un rapporto S/V alto, i sistemi di trasporto sono

la ciclosi (correnti citoplasmatiche) per la distribuzione delle sostanze; per

l’eliminazione delle scorie e per gli scambi gassosi avviene una diffusione e trasporto

attraverso le membrane cellulari.

Negli organismi pluricellulari piccoli, che hanno un rapporto S/V alto e presentano una

cavità digerente, tutte le cellule sono a contatto con l’ambiente esterno o con i liquidi

della cavità digerente. Animali piccoli e semplici effettuano la distribuzione con

semplice diffusione e trasporto attraverso le membrane. Ad esempio la planaria o la

medusa possiedono una cavità gastrovascolare come sistema di trasporto. La cavità

vascolare quindi come sistema di trasporto ha funzione di digestione, distribuzione e

diffusione. Anche i liquidi della cavità corporea sono sistemi di trasporto, si trovano

tra il tubo digerente e la parete corporea. Il liquido ha funzione di distribuzione dei gas.

È fatto circolare da movimenti a scatto dell’animale.

Negli organismi pluricellulari grandi, che hanno rapporto S/V basso, le cellule sono

circondate da liquido interstiziale con cui scambiano sostanze e gas. Non è sempre

necessario un sistema circolatorio, ma è indispensabile quando l’organismo cresce di

dimensione e hanno un basso rapporto S/V. non tutte le cellule sono a contatto con

l’ambiente o con il liquido delle cavità. C’è quindi un aumento del tasso metabolico e

c’è necessità di trasportare più rapidamente le sostanze nutritive e l’ossigeno ed

eliminare le scorie. Il processo di diffusione è inadeguato perché ci metterebbe troppo

a spostarsi. Ad esempio una molecola di glucosio impiega 1 sec per percorrere 100

micrometri, 100 sec per 1 mm e 3 ore per 1 cm. Il sistema circolatorio riduce le

distanze di diffusione.

Il SISTEMA CIRCOLATORIO è forma