Biologia applicata

Lezione 1-2

Definizione di biologia

La biologia (dal greco bìos = vita e lògos = studio) è la scienza che studia la vita e gli organismi

viventi, che si distinguono dalla materia inanimata in base ad alcune caratteristiche comuni.

Caratteristiche dei sistemi viventi

I sistemi viventi sono tipicamente dei sistemi aperti e si possono definire tali solo se possiedono

sei caratteristiche: i sistemi viventi sono in grado di accrescersi, di riprodursi, di rispondere agli

stimoli provenienti dall’ambiente esterno, di trasformare energia, di mantenere l’omeostasi

ossia l’equilibrio dinamico e infine, in quanto appartenenti a una specie, sono in grado di

evolversi.

Le caratteristiche della vita

Gli organismi sono composti da cellule

Sebbene siano molti diversi tra loro per dimensione e aspetto, tutti gli organismi viventi sono

costituiti da unità di base chiamate cellule. Le nuove cellule sono generate esclusivamente dalla

divisione di cellule preesistenti. Questi concetti sono espressi dalla teoria cellulare, uno dei

concetti unificanti fondamentali della biologia.

Alcune delle forme di vita più semplici sono unicellulari, costituite cioè da un’unica cellula; altre

forme di vita, invece, sono pluricellulari, ossia costituite da miliardi di cellule.

Ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica protettiva che la separa dall’ambiente

circostante. La membrana plasmatica regola il passaggio di materiale tra la cellula e l’ambiente.

Le cellule posseggono molecole specializzate che contengono l’informazione genetica. Nella

maggior parte delle cellule, l’informazione genetica è codificata nel DNA. Tipicamente, le cellule

sono fornite di strutture interne, dette organelli, specializzate per svolgere funzioni precise.

Esistono fondamentalmente due diversi tipi di cellule:

 Cellule procariotiche: esclusive dei batteri e di organismi microscopici detti archeobatteri. I

procarioti sono classificati in due gruppi principali, ossia archea (procarioti più antichi. Vivono

sia negli habitat comuni ma anche in condizioni estreme tipo a notevoli profondità dove si ha

assenza di ossigeno, temperature elevate, acque estremamente salate o pozze coperte di ghiaccio

dell’Antartide) e bacteria (procarioti più numerosi e più diversificati. Di questo gruppo fanno

parte i micoplasmi ossia le più piccole cellule viventi, prive di parete cellule, con un diametro di

0,2m, vivono nel terreno e nelle acque di scarico e alcune specie vivono nelle mucose umane.

Dei bacteria fanno parte anche i cianobatteri, ossia organismi fotosintetici che catturano

energia luminosa e la trasformano in energia chimica producendo ossigeno). I micoplasmi

non si vedono con il microscopio ottico, non modificano la morfologia delle cellule contaminate

pur essendo presenti, alterano la crescita e le caratteristiche biochimiche/antigeniche delle cellule

in vitro, sono visibili solo con microscopio a fluorescenza dopo colorazione del DNA o altre

metodiche tipo PCR. Le cellule procariotiche non hanno solo aspetti negativi in quanto sono

batteri patogeni per piante e animali (es. clostridium botulinum, salmonella, vibrio cholerae),

ma sono anche utili e fondamentali per gli organismi viventi (attività fotosintetica,

decompongono organismi morti, fissano l’azoto). Nel nostro organismo, più precisamente sulla

pelle, nel cavo orale, nel tubo digerente, nelle vie respiratorie ed in minor misura sulle

mucose genitali, sono presenti colonie batteriche più o meno vaste e di diverso tipo. Alcune

colonie possono essere definite commensali o simbionti, come la Flora Batterica Intestinale

che con la sua fermentazione consente la liberazione di moltissime vitamine del gruppo B,

favorisce il mantenimento dell’integrità della mucosa intestinale e si oppone alla proliferazione

di altri microrganismi patogeni. Alcuni batteri hanno la capacità di formare endospore, ossia

strutture molto resistenti ad agenti chimici, al calore e alle radiazioni.

 Cellule eucariotiche: contengono una varietà di organelli circondati da membrana, incluso un

nucleo che contiene il DNA.

I virus meritano un discorso a parte essendo privi di caratteristiche distintive degli esseri viventi.

Non sono considerati esseri viventi anche se sono in grado di interagire con essi.

Gli organismi crescono e si sviluppano

La crescita biologica consiste in un aumento della dimensione delle singole cellule di un

organismo o nell’aumento del numero delle cellule, o entrambi. La crescita di un organismo può

essere uniforme oppure può essere maggiore in alcune parti, cosicchè le proporzioni del corpo

cambiano durante il processo di accrescimento. Uno degli aspetti significativi del processo di

crescita è che ogni parte dell’organismo continua a funzionare mentre cresce.

Oltre ad accrescersi, gli organismi viventi si sviluppano. Lo sviluppo comprende tutti i

cambiamenti che avvengono durante la vita di un organismo.

Gli organismi regolano i propri processi metabolici

In tutti gli organismi viventi avvengono reazioni chimiche e trasformazioni energetiche essenziali

per la nutrizione, la crescita, la riparazione cellulare e la trasformazione dell’energia in forme

utilizzabili. L’insieme delle attività chimiche dell’organismo è chiamato metabolismo. In ciascun

essere vivente, le reazioni metaboliche avvengono di continuo e devono essere accuratamente

regolate per mantenere l’omeostasi, uno stato di equilibrio interno.

Gli organismi rispondono agli stimoli

Tutte le forme di vita rispondono agli stimoli, cambiamenti fisici o chimici che avvengono nel

loro ambiente interno od esterno.

Gli organismi si riproducono

Tutti gli esseri viventi sono in grado di generare altri organismi simili a se stessi, garantendo così

la perpetuazione della specie a cui appartengono.

Le popolazioni si evolvono e si adattano all’ambiente

La capacità di una popolazione di evolversi e di adattarsi all’ambiente le permette di sopravvivere

in un mondo soggetto a continui cambiamenti. Gli adattamenti sono caratteri ereditari che

migliorano la capacità di un organismo di sopravvivere in un particolare ambiente.

I livelli di organizzazione biologica

Gli organismi hanno diversi livelli di organizzazione

Il livello chimico è il più semplice livello di organizzazione e comprende gli atomi e le molecole.

Un atomo è la più piccola unità di un elemento chimico che ha in sé le proprietà caratteristiche di

quell’elemento. Gli atomi si combinano chimicamente per formare le molecole. A livello cellulare,

diversi tipi di atomi e di molecole possono associarsi tra loro per formare le cellule. Durante

l’evoluzione degli organismi pluricellulari, le cellule si sono associate per formare i tessuti. Nella

maggior parte degli organismi complessi, i tessuti si associano in strutture funzionali chiamate

organi. Negli animali, le principali funzioni biologiche sono espletate da gruppi di organi

coordinati tra loro, chiamati sistemi. Gli organismi pluricellulari sono formati da sistemi che

funzionano insieme con grande precisione.

Esistono diversi livelli di organizzazione ecologica

Gli organismi interagiscono tra loro dando luogo a livelli ancora più complessi di organizzazione

biologica. Tutti i membri di una specie che vivono contemporaneamente in una stessa area

geografica costituiscono una popolazione. Le popolazioni di organismi che vivono in un’area

particolare e interagiscono tra loro formano una comunità. Una comunità, insieme all’ambiente

nel quale si trova, è detta ecosistema. L’insieme di tutti gli ecosistemi esistenti sulla Terra è

definito biosfera. La biosfera comprende tutto ciò che è abitato dagli organismi viventi. Lo studio

di come gli organismi siano in relazione tra loro e con il loro ambiente fisico è chiamato ecologia.

L’evoluzione è il concetto di base unificante della biologia

L’evoluzione è il processo con il quale le popolazioni di organismi cambiano nel tempo. La teoria

evoluzionistica è diventata il più importante concetto unificante della biologia.

Le specie si adattano in risposta ai cambiamenti ambientali

Ciascun organismo è il prodotto di complesse interazioni tra i geni ereditati dai suoi antenati e le

condizioni ambientali. Se tutti gli organismi appartenenti a una specie fossero identici tra loro,

ogni cambiamento ambientale potrebbe rivelarsi disastrosamente per tutti e la specie si

estinguerebbe. Gli adattamenti ai cambiamenti ambientali sono il risultato di processi evolutivi

che avvengono in lunghi periodi e coinvolgono molte generazioni.

La selezione naturale è un importante meccanismo mediante il quale procede l’evoluzione

Sebbene il concetto di evoluzione sia stato affrontato attraverso i secoli da filosofi e naturalisti,

Charles Darwin fu il primo a portare all’attenzione generale la teoria dell’evoluzione e a suggerire

un meccanismo plausibile, la selezione naturale, che potesse spiegarla.

La cellula

La cellula è l’unità strutturale e funzionale di tutti gli organismi viventi. Essi si accrescono e si

sviluppano, regolano i propri processi metabolici, rispondono agli stimoli e si riproducono.

Il termine cellula fu proposto da Robert Hooke (1665), un fisico inglese ma anche naturalista del

XVII secolo, osservando una fettina sottile di sughero con un microscopio rudimentale. Osservò

diverse file di celle, ben delimitate, simili a quelle di un alveare, che gli ricordavano le piccole

celle di un convento o di una prigione.

Classificazione degli esseri viventi

La classificazione degli organismi viventi è oggetto di studio della sistematica (disciplina che

studia la diversità esistente fra gli organismi e le loro relazioni evolutive) e della tassonomia (si

occupa della classificazione dei viventi, cioè del loro ordinamento all’interno di diverse categorie,

basandosi sulle loro relazioni evolutive).

I cinque regni

La classificazione dei viventi presenta numerosi aspetti controversi, soprattutto quando riguarda

gli organismi inferiori, per questo motivo sono stati proposti diversi schemi e quello a cui si fa

ancora più spesso riferimento prevede la suddivisione di tutti gli esseri viventi (a esclusione dei

virus) nei cinque regni monere, protisti, funghi, piante e animali, in base alla complessità della

struttura e alle modalità di nutrizione.

La cellula: l’unità base della vita

Le cellule, i mattoni che costituiscono gli organismi, sono un ottimo esempio dell’unità di tutti gli

organismi viventi.

La teoria cellulare è un concetto unificante della biologia

Due scienziati tedeschi utilizzarono un ragionamento induttivo per arrivare alla conclusione che

tutte le piante e gli animali sono costituiti da cellule. Più tardi, un altro scienziato tedesco osservò

che le cellule si potevano formare solo per divisione di una cellula preesistente. Il loro lavoro

contribuì fortemente allo sviluppo della teoria cellulare, il concetto unificante che stabilisce che

le cellule rappresentano l’unità vivente fondamentale di funzione e di organizzazione degli

organismi e tutte le cellule derivano da altre cellule. I punti salienti della teoria cellulare erano i

seguenti:

 Tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule.

 La cellula è la più piccola unità di materia vivente.

 Tutte le cellule derivano da altre cellule.

 Le cellule contengono le informazioni ereditarie.

 Le informazioni si trasmettono dalla cellula madre alle cellule figlie.

L’organizzazione di tutte le cellule è fondamentalmente simile

L’organizzazione delle cellule e le loro piccole dimensioni sono proprietà critiche che permettono

loro di mantenere in equilibrio l’ambiente intracellulare per consentire il funzionamento corretto

dei processi biologici. Affinchè la cellula mantenga il suo equilibrio interno, i suoi contenuti

devono essere separati dall’ambiente esterno. La membrana plasmatica è una membrana di

superficie strutturalmente distinta che circonda tutte le cellule e svolge una funzione protettiva.

Nelle cellule vegetali è circondata da parete rigida costituita da cellulosa che conferisce ai tessuti

vegetali rigidità ed elasticità, sostegno all’intera pianta e mantiene il corretto bilancio osmotico.

Qualsiasi cellula possiede tre strutture fondamentali:

 Membrana plasmatica: involucro esterno della cellula, la delimita separandola dalle altre e

dall’ambiente circostante.

 Citoplasma: soluzione acquosa di consistenza gelatinosa nella quale si compiono tutte le

funzioni cellulari.

 Materiale genetico: rappresenta le informazioni che definiscono le caratteristiche della cellula

stessa e della sua attività; tali informazioni vengono trasmesse alle cellule figlie.

Le dimensioni cellulari hanno un limite

Pur essendo le dimensioni cellulari estremamente variabili, la maggior parte delle cellule ha

dimensioni microscopiche; pertanto, per misurarle si utilizzano unità di misura molto piccole. Una

cellula deve assumere nutrimento e altri materiali e deve liberarsi dei prodotti di rifiuto generati

dalle reazioni metaboliche; tutto ciò che entra o esce dalla cellula deve passare attraverso la

membrana plasmatica che deve essere abbastanza grande, rispetto al volume cellulare, da

rispondere alle necessità di regolazione del passaggio di materiale: un fattore critico, quindi, nel

determinare le dimensioni di una cellula è il rapporto tra la sua area superficiale e il suo volume.

Inoltre, le cellule hanno dimensioni piccole in quanto le molecole, una volta all’interno, devono

essere trasportate in quei siti della cellula dove vengono trasformate e poiché le cellule sono di

piccole dimensioni, le distanze percorse dalle molecole al loro interno sono relativamente brevi.

Cellule procariotiche ed eucariotiche

In base all’organizzazione del materiale genetico ed alla presenza di compartimenti cellulari

distinti, si distinguono due tipi di cellule: le cellule procariotiche e le cellule eucariotiche.

L’elemento fondamentale che le differenzia è rappresentato dall’assenza della membrana nucleare

nei procarioti, al contrario gli eucarioti hanno un nucleo delimitato da una doppia membrana. Tra

gli eucarioti si distinguono cellule vegetali e cellule animali.

Le cellule procariotiche non contengono organuli circondati da membrane

Le cellule procariotiche sono tipicamente più piccole di quelle eucariotiche. Infatti, il diametro

medio di una cellula procariotica è solo un decimo di quello di una cellula eucariotica. Nelle

cellule procariotiche, il DNA non è racchiuso all’interno di un nucleo, ma è localizzato in una

regione limitata della cellula, detta nucleoide. Il nucleoide non è delimitato da una membrana, a

differenza del nucleo delle cellule eucariotiche. Come le cellule eucariotiche, le cellule

procariotiche hanno una membrana plasmatica che circonda la cellula. La membrana plasmatica

delimita il contenuto della cellula, originando un compartimento interno. In alcune cellule

procariotiche, la membrana plasmatica si può invaginare formando un complesso di membrane

sulle quali possono avvenire reazioni metaboliche. Molte cellule procariotiche possono avere una

parete cellulare, struttura che racchiude l’intera cellula, compresa la membrana plasmatica.

Molti procarioti possiedono flagelli, lunghe fibre che si protendono dalla superficie cellulare. I

flagelli sono utilizzati come propulsori e sono fondamentali per la locomozione.

Il denso materiale interno delle cellule batteriche contiene i ribosomi, piccoli complessi di RNA e

proteine in grado di sintetizzare polipeptidi. I ribosomi delle cellule procarioti sono più piccoli

rispetto a quelli delle cellule eucariotiche. Le cellule procariotiche presentano anche granuli di

deposito che contengono glicogeno, lipidi o composti fosforilati.

Sistemi di membrane dividono le cellule eucariotiche in compartimenti

Le cellule eucariotiche sono caratterizzate dalla presenza di organuli delimitati da membrana

altamente organizzata, incluso un nucleo contenente il DNA. I primi biologi credevano che le

cellule fossero costituite da un gel omogeneo, detto protoplasma. I biologi chiamavano la

porzione di protoplasma al di fuori del nucleo citoplasma mentre quella all’interno del nucleo

viene chiamata nucleoplasma. Esso è definito come l’insieme di fibrille che costituiscono uno

scheletro che fornisce dei punti di attacco per il DNA.

Il citoplasma è il mezzo interno nel quale si svolgono tutte le attività metaboliche e sintetiche

della cellula. Da esso dipendono i movimenti intracellulari, i cambiamenti di viscosità, il

movimento ameboide, l’elasticità e la contrattilità. Il citoplasma è formato da una componente

fluida, chiamata citosol, e da una serie di particelle insolubili. In esso si verificano molte reazioni

chimiche tra cui le reazioni metaboliche.

Le proprietà particolari delle membrane biologiche permettono alle cellule eucariotiche di

svolgere molte funzioni diverse

Le membrane cellulari hanno proprietà particolari che permettono agli organuli da esse delimitati

di svolgere diverse funzioni. Le membrane funzionano anche come superfici di lavoro cellulare.

Le membrane permettono anche di immagazzinare energia.

Il nucleo cellulare

Il nucleo è tipicamente l’organulo più rilevante della cellula. Nella maggior parte delle cellule, il

DNA è localizzato all’interno del nucleo. A differenza delle cellule procariotiche, in cui la

molecola del DNA ha forma circolare e il DNA è libero nel citoplasma, in quelle eucariotiche le

molecole di DNA sono molecole lineari molto lunghe e hanno estremità caratteristiche e il DNA è

separato dal citoplasma.

L’involucro nucleare è costituito da due membrane concentriche che separano il contenuto del

nucleo dal citoplasma circostante. Esso scompare durante la profase e si ricostituisce durante la

telo