Biologia animale

L’EVOLUZIONE, I TEMI DELLA BIOLOGIA E LA RICERCA SCIENTIFICA (CAP 1)

BIOLOGIA = studio scientifico della vita => nel senso forma e funzione degli esseri viventi => cambia

continuamente. Questa diversità è legata al cambiamento nel corso degli anni (le prime tracce di animali

risalgono a 700 milioni di anni fa).

I cinque criteri per pensare alla vita sono: organizzazione, informazione, energia e materia, interazioni ed

evoluzione.

1. ORGANIZZAZIONE

La biologia, e quindi lo studio della vita sulla Terra, si estende dalla scala microscopica delle molecole e delle

cellule che compongono gli organismi alla scala globale dell’intero pianeta vivente. Infatti, esistono diversi

livelli di organizzazione biologica:

• ATOMO: più piccola quantità di materia che mantiene le proprietà di un elemento.

• MOLECOLE E MACROMOLECOLE BIOLOGICHE (macromolecole primarie ed essenziali delle cellule,

non si trovano solo negli esseri viventi ma anche nei virus, ad esclusione dei lipidi): strutture

chimiche che consistono di due o più unità chiamate atomi.

• ORGANELLI: componenti funzionali presenti nelle cellule.

• CELLULE: unità di base della vita sia a livello strutturale sia a livello funzionale. Alcuni organismi

sono costituiti da un’unica cellula che svolge tutte le funzioni vitali. Altri organismi sono

pluricellulari e in essi esiste una ripartizione dei compiti tra cellule specializzate.

• TESSUTI: gruppo di cellule che collaborano per svolgere una determinata funzione.

• ORGANI: parte dell’organismo composta da molti tessuti e che svolge specifiche funzioni.

All’interno di un organo, ogni tessuto ha una particolare disposizione e fornisce specifiche

proprietà e funzioni all’organo.

• APPARATI/SISTEMI: insieme di organi.

• ORGANISMO: singoli esseri viventi.

• POPOLAZIONE: tutti gli individui di una specie che vivono all’interno di una determinata area e che

si incrociano.

• COMUNITA’: matrice di organismi che abitano un dato ecosistema. Ogni forma di vita appartiene

a una specie, un gruppo i cui membri possono riprodursi solo con altri membri del gruppo.

• ECOSISTEMA: costituito da tutti gli esseri viventi in una particolare area, insieme a tutte le

componenti non viventi dell’ambiente con cui la vita interagisce, come suolo, acqua, gas

atmosferici e luce.

• BIOSFERA: composta da tutte le forme di vita terrestri e da tutti i luoghi in cui è presente la vita.

Per facilitare lo studio dei sistemi viventi => riduzione della complessità, ci vogliono modelli semplici che

illustrino l’integrazione tra funzione e struttura. Quindi si parla di riduzionismo, che consiste appunto nel

ridurre sistemi complessi a componenti più semplici.

Quando si cambia il livello di complessità, appaiono delle proprietà nuove => se si mettono insieme due

cellule, il tessuto che si origina ha delle proprietà nuove che le cellule da sole non avevano. Queste proprietà

emergenti derivano dalla disposizione e dalle interazioni fra le parti del sistema che aumentano con

l’aumentare della complessità del sistema stesso. Per comprendere la coevoluzione della forma e della

funzione nei viventi a tutti i livelli di organizzazione, si parla di biologia dei sistemi, ovvero lo studio di un

sistema biologico a partire dell’analisi delle interazioni tra le sue parti.

A ogni livello della gerarchia biologica, si trova una correlazione tra struttura e funzione, comune in tutti gli

organismi viventi, quindi l’analisi di una struttura biologica fornisce indicazioni sul suo ruolo e sul suo

funzionamento.

Per esempio, il colibrì, un uccello di piccole dimensioni, funziona come un piccolo insetto che ha bisogno di

rimanere immobile davanti al fiore per poter succhiare il nettare. Questo gli è permesso dal fatto che può

ruotare le ali all’altezza della spalla e, quindi, rimanere in una posizione in volo di stallo.

L’abbinamento tra struttura e funzione nelle strutture della vita è da ricondursi alla selezione naturale.

La cellula è l’unità di organizzazione più piccola in grado di eseguire tutte le attività vitali. La “teoria delle

cellule” del 1800 afferma che tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule e che queste rappresentano

l’unità base della vita. Infatti, tutte le azioni degli organismi sono basate sull’attività delle cellule.

Queste condividono determinate caratteristiche comuni, come il fatto di essere racchiuse da una membrana

che regola gli scambi di sostanze con l’ambiente esterno. Tuttavia, si possono distinguere procarioti

(organismi cellulari, ovvero batteri e archeobatteri) ed eucarioti (tutti le altre forme di vita, compresi vegetali

e animali).

La cellula eucariotica contiene organuli avvolti da

membrana. Alcuni di questi, tra cui il nucleo che contiene il

DNA, sono presenti nelle cellule di tutti gli eucarioti, mentre

altri sono specifici di particolari tipi di cellule (es: il

cloroplasto si trova solo nelle cellule vegetali, nelle quali

avviene la fotosintesi). Gli eucarioti sono presentano

un’organizzazione interna, caratterizzata da

compartimentazione e dalle relazioni tra questi

compartimenti, che sono specializzati. Invece, le cellule

procariotiche, che sono più piccole, sono prive di nucleo e

di organuli avvolti da membrana; infatti, presentano una

scarsa organizzazione interna e non si ha

compartimentazione.

Chiave di successo evolutivo (misurabile anche nella valutazione comparativa quali-quantitativa della

biodiversità) => organizzazione compartimentata (diversi distretti/forme => funzioni diverse e specializzate,

per esempio mitocondrio, cloroplasto, membrana nucleare) => differenza sostanziale tra le cellule che

compongono i viventi.

2. INFORMAZIONE

Nelle cellule, i cromosomi contengono materiale genetico sotto forma di DNA (acido desossiribonucleico).

Ciascun cromosoma contiene una lunghissima molecola di DNA con centinaia di migliaia di geni, ovvero le

unità dell’ereditarietà, che si trasmettono dai genitori ai figli. I geni codificano le informazioni necessarie a

costruire tutte le molecole che devono essere sintetizzate in una cellula, e che a loro volta stabiliscono

l’identità e la funzione della cellula stessa. Ogni individuo in principio era un’unica cellula, lo zigote, contenete

il DNA ereditato dai genitori.

L’informazione deve essere diffusa spazialmente (tra i distretti delle cellule, analogamente alle parti del corpo

dando forma e funzione), ma anche trasmessa temporalmente (da una generazione all’altra) => ad ogni

passaggio, l’informazione viene rimescolata e selezionata durante la riproduzione (tra gamete maschile e

gamete femminile).

Chiave di successo evolutivo: nei viventi esiste molta più informazione di quella

che viene utilizzata in un determinato spazio dal vivente e in un determinato

momento della sua vita. Questa grande disponibilità di informazione viene

prodotta attraverso la riproduzione sessuata => l’informazione viene passata

dalla cellula madre alle due cellule figlie.

Dalla struttura molecolare del DNA dipende la sua capacità di archiviare l’informazione genetica. Una

molecola di DNA è composta da due lunghe catene, i filamenti, disposti in una doppia elica. I filamenti sono

formati dai nucleotidi, indicati con le abbreviazioni A, T, C e G. Sequenza specifiche di questi quattro

nucleotidi codificano l’informazione del gene. La sequenza fornisce le istruzioni per la produzione di proteine,

ovvero i principali artefici della costruzione e del mantenimento della cellula e delle sue attività. I geni

controllano la produzione di proteine in maniera indiretta, attraverso l’RNA. La sequenza di nucleotidi in un

gene viene scritta in mRNA, che viene poi tradotto nella serie corrispondente di aminoacidi. Da queste due

fasi deriva una proteina specifica, con forma e funzione caratteristiche. Questo processo viene denominato

espressione genica.

DNA – TRASCRIZIONE –> mRNA – TRADUZIONE –> Catena di aminoacidi – RIPIEGAMENTO –> PROTEINA

Le molecole di mRNA sono tradotte in proteine, ma altri RNA cellulari funzionano in modo diverso.

Espressione dei geni => attraverso le codifiche (trascrizione e traduzione) => grande variabilità, soprattutto

con traduzione (pochi nucleotidi) => il passaggio dell’informazione contenuta in un gene porta alla

produzione di una proteina funzionale.

Tutti gli organismi sono caratterizzati da uno stesso codice genetico, quindi una particolare sequenza di

nucleotidi ha lo stesso significato in qualsiasi organismo. Le differenze tra gli organismi riflettono le differenze

esistenti tra le loro sequenze nucleotidiche, non nel loro codice genetico => indice del fatto che tutta la vita

è correlata.

L’informazione ultima è data da una serie di informazione chimiche in successione, ovvero le basi azotate del

DNA. Il genoma è lungo circa 3 miliardi di paia di basi. Quindi la probabilità di ciascuno di avere una

3 miliardi

determinata combinazione è di (¼) . Quindi l’informazione è data dalla sequenza delle basi e dalla

lunghezza.

I geni, appunto, sono sempre gli stessi (es: se si contano i geni di un verme, del moscerino della frutta e di un

uomo, non c’è troppa differenza). Il meccanismo che fa sì che l’informazione venga amplificata è lo splicing.

Splicing alternativo: modo che si ha di esprimere, partendo dalla stessa informazione del DNA, più fenotipi,

in più forme => il 60-75% dei geni umani va incontro ad eventi di splicing alternativo, solo 1-2% dei geni del

nematode (verme) è in grado di fare splicing alternativo. => diversità esseri viventi, la vita si è organizzata

in maniera diversa.

L’insieme di istruzioni genetiche ereditate da un organismo è detto genoma. La genomica, invece, è un

approccio secondo il quale i ricercatori, anziché studiare un singolo gene alla vita, analizzano interi gruppi di

geni in una o più specie. La proteomica, analogamente, è lo studio di gruppi di proteine e delle loro proprietà.

L’insieme delle proteine è chiamato proteoma. Questi nuovi approcci sono stati resi possibili da tre

innovazioni: tecnologie ad alta processività, che analizzano numerosi campioni biologici molto rapidamente;

la bioinformatica, ovvero strumenti informatici che sono in grado di gestire enormi quantità di dati, e la

formazione di tea di ricerca interdisciplinari, cioè gruppi di specialisti in diverse materie, che hanno lo scopo

di comprendere come avviene il coordinamento delle attività di tutte le proteine e degli RNA non tradotti,

codificati nel DNA.

3. ENERGIA E MATERIA

Una necessità fondamentale è l’energia. il movimento, la crescita, la riproduzione e tutte le diverse attività

cellulari sono forme di lavoro che richiedono energia. Esiste una sola fonte energetica primaria, la radiazione

solare => unica componente energetica che entra nel sistema della vita e viene trasformata => non generata

da esseri viventi. Gli organismi sono in grado, attraverso relazioni e funzioni, di soddisfare la necessità di

ottenere energia, partendo dall’energia termica e solare del pianeta attraverso dei processi chimici

(formazione e degradazione di

molecole). Questa caratteristica

cambia a seconda degli organismi

viventi => autotrofia ed eterotrofia.

Tutti gli esseri viventi hanno una

relazione ciclica basandosi sul flusso

dell’energia. Quando le foglie delle

piante assorbono i raggi solari nel

processo di fotosintesi, le molecole

al loro interno convertono l’energia

luminosa in energia chimica,

contenuta in sostanze nutritive

(zuccheri). Questa energia viene

trasferita ai consumatori dalle piante

e da altri organismi fotosintetici

(produttori). I consumatori sono organismi che si nutrono di altri organismi o dei loro resti. Quando un

organismo sfrutta l’energia chimica per compiere un lavoro, parte dell’energia si disperde nell’ambiente sotto

forma di calore. Quindi, l’energia entra sotto forma di luce ed esce sotto forma di calore. Invece, le sostanze

chimiche nell’ecosistema vengono usate e riciclate => le sostanze che una pianta assorbe dall’aria o dal suolo

vengono immagazzinate all’interno di essa e successivamente trasmette all’animale che se ne nutre. Alla fine,

le sostanze vengono restituite all’ambiente con il contributo dei decompositori, come batteri e funghi, che

scompongono i rifiuti organici, le lettiere di foglie e i corpi di organismi morti. Quindi, le sostanze chimiche

sono di nuovo disponibili e possono essere riassorbite dalle piante.

4. INTERAZIONI

Le interazioni assicurano l’integrazione armonica di tutte le parti, che funzionano così come un’unica entità

(sia le molecole che i componenti di un ecosistema). Ai livelli gerarchici inferiori, le interazioni tra i

componenti degli organismi (organi, tessuti, cellule e molecole) sono fondamentali per il loro corretto

funzionamento.

Molti processi biologici hanno la capacità di autoregolarsi, attraverso meccanismi di controllo (feedback) =>

la relazione tra gli organismi deve trovare un equilibrio => ci sono stimoli e reazioni. Attraverso i meccanismi

di controllo gli organismi viventi possono regolare tutte le varie funzioni e le relazioni tra gli esseri viventi e

l’ambiente.

Nella regolazione per retroazione, la risposta di un processo serve a regolare

il processo stesso. Questa può essere negativa o positiva.

Feedback negativo: la risposta riduce lo stimolo iniziale => quando il livello

arriva a una certa soglia si ha uno stimolo a bloccare qualcosa => es:

regolazione del glucosio nel sangue => stimolo: elevato livello ematico di

glucosio, quindi la cellula pancreatica produce l’insulina, che entra in

circolazione nell’organismo mediante il sangue e arriva alle cellule epatiche

e muscolari => risposta: captazione del glucosio da parte di queste cellule,

che viene immagazzinato nel fegato.

Feedback positivo => il prodotto finale accelera la propria produzione =>

parto nei mammiferi => quando si ha una certa posizione del feto pronto per

il parto, il feto comincia a premere su organi che lo racchiudono e questo

determina una distensione, il rilascio dell’ossitocina e quando finiscono le

contrazioni termina il parto.

A livello degli ecosistemi, tutti gli organismi interagiscono tra di loro. Da queste interazioni, gli organismi

possono trarre un beneficio reciproco, oppure una specie trae beneficio a discapito di un’altra, o, invece,

entrambe le specie possono risultare danneggiate. Le interazioni tra gli organismi contribuiscono a regolare

il funzionamento dell’ecosistema come un’unica entità. Nel loro ambiente, gli organismi interagiscono

continuamente anche con fattori fisici e l’ambiente è, a sua volta, influenzato dagli organismi che lo

popolano.

Pianta: organismo autotrofo => le foglie assorbono l’energia luminosa del sole, acqua e Sali dal suolo e il

diossido di carbonio dell’aria => condizioni chimiche-biochimiche che portano alla formazione di molecole

energetiche, rilasciando ossigeno. Gli animali (organismi eterotrofi) mangiano le foglie e i frutti dell’albero,

restituendo sostanze nutritive e minerali al suolo con i loro rifiuti organici. Quando le foglie cadono, vengono

decomposte da organismi che restituiscono minerali al suolo. L’acqua e i minerali presenti nel suolo vengono

poi assorbiti dall’albero attraverso le radici.

Anche gli esseri umani interagiscono con il loro ambiente. Le interazioni dell’uomo a volte hanno

conseguenze disastrose, come il riscaldamento globale, un aspetto importante del cambiamento climatico,

che ha già avuto ricadute sugli organismi e sui loro habitat in tutto il pianeta. Di conseguenza, le popolazioni

di molte specie stanno riducendo la loro dimensione e questo può portare all’estinzione, ovvero la perdita

permanente di una specie.

5. EVOLUZIONE

La vita si è evoluta per miliardi di anni, producendo un’enorme varietà di organismi, esistenti o estinti. Ma

insieme alla diversità, si riscontra anche l’uniformità sotto forma di caratteristiche condivise.

L’evoluzione (cambiamento) della vita (dell’ambiente e degli esseri viventi, quelli con cellule, DNA e altre

macromolecole biologiche) è il principio organizzativo fondamentale su cui raccontar (logos) scientificamente

la vita (bios) cioè la biologia (anche quella animale).

L’evoluzione è un processo di cambiamento secondo cui gli organismi che oggi popolano la Terra hanno

accumulato differenze rispetto ad antenati comuni mentre si adattavano ai diversi ambienti. Quini, è

possibile spiegare la diversità tra due con l’ipotesi che alcuni cambiamenti ereditari si siano verificati dopo

che due specie si sono discostate dal loro antenato comune. Tuttavia, le due specie condividono anche alcuni

tratti, in quanto discendono da un antenato comune.

Molte delle forme e funzioni che si vedono attualmente non sono cambiate più di tanto. Quindi, struttura e

funzione evolvono, ma mantengono caratteristiche e proprietà comuni.

L’evoluzione è la sintesi della diversità e unicità degli esseri viventi.

Ad oggi sono note 1,8 milioni di specie di organismi. A ciascuna specie viene assegnato un nome composto

da due parti: la prima parte è il nome del genere, mentre la seconda parte indica la specie all’interno del

genere. Le specie conosciute comprendono 100 000 specie di funghi, 290 000 di piante, 57 000 di vertebrati

e 1 milione di insetti.

Caratteristiche comuni di tutti gli esseri viventi:

1. Cellule e organizzazione (più o meno efficace, ma tutte le cellule sono organizzate => organizzazione

funzionale interna, ma anche di relazione con l’esterno => la cellula ha bisogno di relazioni con altre

cellule). Questo