Biologia e Genetica

Biologia e genetica: uno sguardo alla vita

Biologia: dal greco bios (vita) e logos (parola). La biologia è la scienza che studia gli organismi viventi e i loro rapporti con l’ambiente che li circonda.

Evoluzione

Le popolazioni di organismi si sono evolute nel tempo da forme di vita primordiali. Gli scienziati hanno accumulato molte prove in grado di dimostrare che le diverse forme di vita sul nostro pianeta sono correlate e che le popolazioni si sono evolute nel tempo da forme di vita primordiali. Il processo dell’evoluzione è struttura portante della biologia e uno dei temi principali di questo libro.

Trasmissione dell’informazione

Le informazioni devono essere trasmesse all’interno degli organismi e tra gli organismi. La sopravvivenza e la funzione di ogni cellula e di ogni organismo dipendono da una trasmissione regolata dell’informazione. L’evoluzione dipende dalla trasmissione dell’informazione genetica da una generazione all’altra.

Trasferimento dell’energia

Tutti i processi vitali richiedono un continuo ingresso di energia. La maggior parte dell’energia per la vita viene dalla luce del sole. L’energia solare è trasferita attraverso i sistemi viventi dai produttori ai consumatori; i decompositori ottengono energia alimentandosi dei corpi morti e dei rifiuti sia dei produttori sia dei consumatori. L’energia è inoltre continuamente trasferita da un composto chimico a un altro all’interno di ogni cellula.

L’evoluzione, la trasmissione dell’informazione e il flusso di energia sono le forze che conferiscono agli organismi viventi le loro caratteristiche uniche.

Caratteristiche generali della materia vivente

Gli organismi viventi sono costituiti da un’unità di base chiamata cellule. Le nuove cellule sono generate esclusivamente dalla divisione di cellule preesistenti. Alcune delle forme di vita più semplici sono unicellulari, costituite cioè da un’unica cellula, mentre altre sono formate da miliardi di cellule. In questi organismi pluricellulari, i processi vitali dipendono dalle funzioni coordinate dalle cellule, che possono essere organizzate a formare tessuti, organi e apparati.

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 possiedono molecole specializzate che contengono l’informazione genetica. Nella maggior parte delle cellule, l’informazione genetica è codificata nell’acido desossiribonucleico (DNA).

Tipicamente, le cellule sono fornite di strutture interne, chiamate organelli, specializzate per svolgere funzioni precise.

Tipi di cellule

• Cellule procariotiche: esclusive dei batteri e di organismi microscopici chiamati archaea.
• Cellule eucariotiche: formano tutti gli altri organismi e contengono una varietà di organelli circondati da membrana, incluso un nucleo che contiene il DNA.

Complessità scientificamente determinata

Complessità specificamente determinata, costante nel tempo e nello spazio.

• Problemi: necessità dell’esistenza di una grande mole d’informazione specifica, contenuta in ciascun organismo.
• Risposte: esistenza di macromolecole informazionali (capacità di contenere grandi quantità d’informazioni); il DNA è il composto chimico in cui è depositata questa informazione (detta informazione genetica). L’insieme delle molecole di DNA contenenti l’informazione genetica di una cellula ne costituisce il genoma.

Capacità di accrescimento

Gli organismi viventi 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. Alcuni organismi continuano a crescere durante tutta la loro vita mentre molti hanno un periodo di crescita definito che termina quando sono raggiunte le dimensioni tipiche dell’età adulta.

Oltre ad accrescersi, gli organismi si sviluppano. Lo sviluppo comprende tutti i cambiamenti che avvengono durante la vita di un organismo.

Problemi e risposte

• Problemi: Gli organismi viventi devono essere in grado di trasformare i composti inorganici in composti organici specifici di ciascun organismo. Gli organismi viventi devono essere in grado di produrre energia dalla materia.
• Risposte: Esistenza di catalizzatori estremamente specifici ed efficienti, gli enzimi, ciascuno dei quali è responsabile di una data reazione. In ogni organismo, si svolgono solo le reazioni per le quali esso è in grado di produrre il corrispondente enzima; una buona parte dell’informazione genetica riguarda il modo in cui sintetizzare i diversi enzimi.

Regolazione dei processi metabolici

In tutti gli organismi avvengono reazioni chimiche e trasformazioni energetiche essenziali per la nutrizione, la crescita, la riparazione cellulare e la trasformazione dell’energia in forme utilizzabili  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. I meccanismi omeostatici sono sistemi di controllo che si autoregolano, molto sensibili ed efficienti.

Capacità di autoriproduzione

La riproduzione può essere asessuata quando una cellula si riproduce dividendosi in due parti che vanno a formare due nuove cellule identiche. La cellula madre, prima di dividersi, copia il suo materiale ereditario e lo divide equamente tra le due cellule. Il verificarsi di mutazioni genetiche, cambiamenti permanenti nei geni, fa sì che vi siano variazioni fra gli organismi che si riproducono asessualmente.

Nella maggior parte dei vegetali e degli animali, la riproduzione è sessuata e avviene con la produzione di cellule specializzate (uova e cellule spermatiche) che si uniscono per formare un uovo fecondato, dal quale si svilupperà il nuovo organismo. La prole proveniente dalla riproduzione sessuata è il prodotto dell’interazione di diversi geni forniti sia dalla madre sia dal padre. Tale variabilità genetica è alla base dei processi vitali dell’evoluzione e dell’adattamento.

Problemi e risposte

• Problemi: Necessità di un meccanismo di replicazione e di trasmissione dell’informazione genetica specifica di ciascun organismo. Necessità che la moltiplicazione delle cellule degli organismi avvenga solo quando il materiale genetico è stato duplicato e la crescita è stata sufficiente.
• Risposte: Esistenza di un meccanismo di replicazione del DNA che assicura la conservazione dell’informazione. Esistenza di meccanismi che assicurano la precisa ripartizione del materiale replicato tra cellule figlie (mitosi e meiosi). Esistenza di meccanismi che controllano la divisione cellulare in funzione della crescita della cellula e della replicazione del materiale genetico.

Capacità di rispondere agli stimoli

Tutte le forme di vita rispondono agli stimoli, cambiamenti fisici o chimici che avvengono nel loro ambiente interno o esterno. Gli stimoli in grado di provocare una risposta nella maggior parte degli organismi sono:

• Cambiamenti di colore, intensità o direzione della luce;
• Cambiamenti di temperatura, pressione e suono;
• Cambiamenti della composizione chimica di terreno, aria o acqua circostanti.

Negli esseri più semplici, l’intero organismo è in grado di rispondere agli stimoli.

Movimento

La risposta agli stimoli determina il movimento, sebbene non sempre la locomozione. Negli esseri più semplici, l’intero organismo è in grado di rispondere agli stimoli; in altri è il risultato di un lento scivolamento della cellula, in altri ancora è dato dall’oscillazione di piccole estroflessioni della cellula simili a peli, chiamate ciglia, oppure di strutture più lunghe chiamate flagelli.

La maggior parte degli animali si muove, striscia, nuota, corre o vola contraendo i muscoli mentre i vegetali, pur non avendo risposte così ovvie, rispondono alla luce, alla gravità, all’acqua, al tatto e ad altri stimoli.

Adattamento all’ambiente

La capacità di una popolazione di evolversi e di adattarsi all’ambiente 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. Gli adattamenti possono essere di tipo strutturale, fisiologico, comportamentale, oppure una combinazione di questi. Ciascun organismo vincente dal punto di vista biologico è un insieme complesso di adattamenti coordinati che si sono prodotti attraverso processi evolutivi.

Problema e risposta

• Problema: Necessità di un meccanismo di adattamento compatibile con la conservazione e la trasmissione dell’informazione genetica.
• Risposta: Esistenza di un meccanismo di evoluzione per selezione naturale su fenotipi generati dall’insorgenza di mutazioni casuali nell’informazione genetica.

Teoria cellulare

• La cellula è l’unità fondamentale della materia vivente
• Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule
• Le cellule derivano esclusivamente dalla divisione di altre cellule

Dove compare una cellula, ce ne deve essere una che la precede, così come animali possono venire solo da animali e piante da piante [Teoria della cellula. Rudolph Virchow, 1858]

Caratteristiche delle cellule

Organismi

• Unicellulari (batteri): composti da un’unica cellula contenente tutta l’informazione genetica
• Pluricellulari (animali, piante, funghi): composti da più cellule, ciascuna delle quali presenta una forma e funzione tipica  divisione dei compiti: le cellule cooperano per la vita dell’organismo ma ciascuna di essa si limita a svolgere un ruolo limitato e specifico e quindi si può specializzare per svolgerlo al meglio  vantaggio selettivo rispetto ai monocellulari

N.B. Il genoma delle diverse cellule che compongono un organismo multicellulare è identico, ciò che varia è l’espressione genica: cellule diverse esprimono set di geni diversi.

I livelli di organizzazione biologica

Lo studio di una struttura mediante l’analisi delle sue parti è conosciuto come riduzionismo. Ogni livello ha proprietà emergenti, cioè caratteristiche non presenti ai livelli inferiori.

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 molecole possono associarsi tra loro per formare le cellule. Comunque, una cellula è molto più che una composizione di atomi e molecole; le sue proprietà emergenti la rendono la struttura di base e l’unità funzionale della vita: è il più semplice componente della materia vivente in grado di svolgere tutte le attività necessarie per la vita.

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 compiute da gruppi di organi coordinati tra loro, chiamati sistemi.

Gli organismi pluricellulari sono formati da sistemi che funzionano insieme con grande precisione. 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. Lo studio di come gli organismi siano in relazione tra loro e con il loro ambiente fisico è chiamato ecologia.

La trasmissione dell’informazione

Nel 1953, James Watson e Francis Crick scoprirono la struttura dell’acido deossiribonucleico, la grande molecola che costituisce i geni, le unità di base del materiale ereditario. Una molecola di DNA consiste di due catene di atomi avvolte a formare un’elica. Ogni catena è costituita da una sequenza di subunità chimiche, dette nucleotidi. Nel DNA sono presenti quattro tipi di nucleotidi e ciascuna sequenza formata da tre nucleotidi rappresenta una parte del codice genetico.

La scoperta di Watson e Crick portò alla comprensione di tale codice genetico. L’informazione codificata nelle sequenze di nucleotidi del DNA trasmette l’informazione genetica da una generazione all’altra. Questo codice può codificare una miriade d’istruzioni per lo sviluppo di organismi diversi. Il codice genetico è un eclatante esempio dell’unicità della vita perché è universale, ovvero virtualmente identico in tutti gli organismi.

I geni sono responsabili del controllo, dello sviluppo e del funzionamento di ciascun organismo. Il DNA contiene la “ricetta” per creare tutte le proteine necessarie all’organismo. Le proteine sono grosse molecole importanti nel determinare la struttura e la funzione delle cellule e dei tessuti. Alcune proteine svolgono un ruolo importante nella comunicazione all’interno e fra le cellule. Certe proteine sulla superficie di una cellula servono come marcatori, per far sì che altre cellule le “riconoscano”. Altre proteine presenti sulla superficie della cellula servono come recettori in grado di legarsi con dei messaggeri chimici.

Le cellule usano le proteine e molti altri tipi di molecole per comunicare. In un organismo pluricellulare, le cellule producono composti chimici, come gli ormoni, che trasmettono segnali ad altre cellule. Gli ormoni ed altri messaggeri chimici possono segnalare a cellule presenti in organi distanti di secernere una determinata sostanza  aiutano a regolare la crescita, lo sviluppo e i processi metabolici. I meccanismi coinvolti nella segnalazione cellulare spesso includono sequenze biochimiche complesse.

Conoscere in maniera approfondita come le cellule comunichino tra loro permette nuove scoperte su come il nostro corpo riesca a proteggersi da organismi patogeni.

Molti organismi usano i segnali elettrici per trasmettere le informazioni. La maggior parte degli animali ha un sistema nervoso in grado di trasmettere informazioni sia per mezzo di impulsi elettrici che di molecole chiamate neurotrasmettitori. Le informazioni trasmesse da una parte all’altra del corpo sono importanti nella regolazione dei processi vitali.

Le informazioni possono essere trasmesse anche da un individuo ad un altro  rilascio di composti chimici, stimoli visivi e sonori.

L’energia della vita

La vita sulla Terra dipende dall’energia continuamente emanata dal sole. Ogni volta che viene utilizzata energia per eseguire un lavoro di tipo biologico, parte di essa viene trasformata in calore e dispersa nell’ambiente.

Processi chimici e trasformazioni energetiche all’interno delle cellule degli organismi  metabolismo. L’energia è necessaria per sostenere le attività metaboliche essenziali per la crescita, la riparazione e il sostentamento.

Respirazione cellulare: le cellule catturano l’energia rilasciata da molecole nutrienti attraverso una serie di reazioni chimiche regolate attentamente  energia usata per il lavoro cellulare o per sintetizzare nuovi componenti cellulari.

Anche gli ecosistemi dipendono da un continuo apporto di energia.

Ecosistema autosufficiente

Un ecosistema autosufficiente è composto da tre tipi di organismi:

• Produttori o autotrofi: piante, alghe e certi batteri che possono produrre il loro cibo da materiale semplice. La maggior parte utilizza la luce solare come fonte di energia e attua la fotosintesi. L’energia luminosa è accumulata nei legami chimici delle molecole di cibo prodotte. Anidride carbonica + acqua + energia luminosa  glucosio e ossigeno.
• Consumatori o eterotrofi: dipendono dai produttori per cibo, energia e ossigeno. Essi ricavano energia degradando gli zuccheri e altre molecole prodotte durante la fotosintesi. Durante la respirazione cellulare, si ha la rottura dei legami chimici e l’energia in essi immagazzinata diviene disponibile per i processi vitali: Glucosio + ossigeno  anidride carbonica + acqua + energia.
• Decompositori: organismi eterotrofi che ottengono il nutrimento dalla degradazione di materiali organici non viventi  fanno sì che questi materiali possano essere riutilizzati.

Tali organismi dipendono l’uno dall’altro e dall’ambiente per le sostanze nutritive, l’energia, l’ossigeno e l’anidride carbonica. Tuttavia, il flusso di energia è a senso unico  gli organismi non sono in grado né di creare energia né di utilizzarla completamente.