Biologia animale

Biologia animale

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

Restrizioni per la costruzione di un bauplan

Le restrizioni per la costruzione di un bauplan sono: l’ambiente, la dimensione, la forma e la simmetria.

Ambiente

L’ambiente può essere marino, di acqua dolce oppure terrestre e aereo. L’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 dimensionale, viene facilitata l’osmoregolazione e la protezione contro la radiazione. L’aumento dimensionale pone anche vincoli (svantaggi).

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.

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 (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 ciucciano 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 dei grassi), o ghiandole come il pancreas. Ha solo funzione digerente e qui l’alimentazione è continua.

Questo può essere rettilineo o a U. lo stomaco possiede cellule che secernono enzimi e acidi (pepsinogeno, HCl). L’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 ad una molecola di trasporto.

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 H₂O e CO₂). 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. C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. È la fase in cui si ha l’ossidazione delle molecole organiche per la produzione di ATP. La CO₂ è tossica, quindi da eliminare e l’H₂O serve per svolgere numerose reazioni cellulari.

La respirazione negli organismi serve per recuperare O₂ ed eliminare CO₂ tramite 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 O₂. L’ossigeno diminuisce in alta quota e varia in ambienti ristretti come quelli sotterranei. Questo è meno idrosolubile e liposolubile della CO₂ ed ha più basso tasso di diffusione nei liquidi. L’efficienza di distribuzione dell’ossigeno è molto bassa. La massima distanza che l’O₂ può percorrere per diffusione è minore di 1-2 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 dei gas dipende dalla legge di Fick Q = D x A x Y 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:

• Modificare A: costruzione di superfici espanse.
• 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 CO₂, sono afferenti). Dagli archi branchiali partono i filamenti branchiali (un centinaio da una parte e dall’altra), costituiti da lamelle branchiali, che sono ripiegamenti, ognuna irrorata da capillari. Qui l’O₂ entra nei capillari sanguigni ed entra nei vasi efferenti, mentre la CO₂ esce. Tra una lamella e l’altra scorre H₂O. il flusso di sangue e quello di acqua sono in contro 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 H₂O per evaporazione e quindi ci sarebbe un 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 dei 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 O₂ e lo cedono ai tessuti. Sono 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 O₂ e rilasciarlo lentamente 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 ciclolisi (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 ha 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 e 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.