Biologia ed Etologia lezioni

Biologia animale ed etologia

Lezione 1

12 CFU

Elena Tricarico. File su Moodle sono parte integrante dell’esame.

Esame

Compito scritto: 30 domande a risposta chiusa (5 risposte possibili per domanda), 15 su biologia animale e 15 su etologia. Sono presenti anche delle domande aperte. Non è previsto l’orale. 0 per le risposte sbagliate o non date.

Libro di testo

• Biologia, un’introduzione. Ultima edizione, a cura di Laura Gandola e Roberto Odone.
• Slide corso
• Materiali aggiuntivi che vengono caricati su Moodle
• Il comportamento degli animali: pag. 16-17, 24-25, 34-62, 115-121, 198-207, 210-215

Cellule eucariote e procariote sono domande possibili d’esame.

Biologia, un’introduzione

Diviso in tre parti:

A- Classificazione, evoluzione e ambiente

• Origine ed evoluzione della vita
• Classificazione dei viventi
• Batteri, Protisti e funghi (i funghi non sono piante)
• Il regno delle piante
• Il regno degli animali
• Darwin e l’origine della specie
• L’evoluzione dell’uomo
• Ecologia
• Il comportamento degli animali
• Etologia umana

B- Cellule e genetica

• Le biomolecole
• La cellula: struttura e funzioni
• Scambi energetici nelle cellule
• La divisione delle cellule: mitosi e meiosi (domanda d’esame)
• Da Mendel alle nuove scoperte di genetica
• DNA e sintesi delle proteine

Delle biomolecole vuole sapere i grandi gruppi.

C- Il corpo umano

• Sistema riproduttore e cenni agli apparati

Non parlare del concetto di razza in quanto siamo una sola razza con diverse identità culturali.

Domanda

• Quali sono i tre domini, quanti sono i regni nel mondo vivente (6).
• Cosa vuol dire omeoterme ed eteroterme.
• Procariote ed eucariote.
• Organismi unicellulari e pluricellulari.
• Cos’è un individuo ermafrodito (un animale che ha entrambi gli organi riproduttori).

Il fatto che siamo in cima alla catena evolutiva non vuol dire che siamo i mammiferi più perfetti: abbiamo perso tanti elementi come la capacità di sentire gli ultrasuoni (sentiti dai pipistrelli e i delfini).

Lezione 2

Capitolo 1 - Origine ed evoluzione della vita

La nascita dell’Universo e del Sistema solare

Il nostro Universo ha avuto origine da un’enorme esplosione, il Big Bang, circa 13 miliardi di anni fa. Prima di questo evento, tutta l’energia e la materia erano compresse in un punto infinitamente piccolo: il Big Bang consiste nella liberazione di questa energia, da cui le particelle di materia iniziano a formarsi e allontanarsi.

Domanda: Esplosione che ha determinato l’Universo?

La temperatura, quindi, era elevatissima (100 miliardi °C). La materia era sotto forma di protoni e neutroni, che si scontravano tra loro per l’elevata energia, aggregandosi e formando i primi nuclei atomici. Quando l’Universo raggiunge i 2500°C, i protoni iniziarono ad attrarre gli elettroni, che resero possibile i primi atomi, da cui si origineranno con il tempo pianeti e stelle.

Il Sole è nato circa 5 miliardi di anni fa, a partire da un ammasso di polvere e gas (idrogeno ed elio prevalentemente), che ruotavano nello spazio. Questa nube si condensò gradualmente, quando elio e idrogeno erano attratti dalla gravità verso il centro della nube. Con l’aumento della temperatura, i nuclei si fondevano. I pianeti, secondo le attuali teorie, si sarebbero formati a partire da gas e polveri in movimento intorno alla stella appena nata.

La Terra nasce intorno a 4 miliardi e mezzo di anni fa: al tempo era un luogo inospitale, dove il vulcanismo era molto attivo (attività geologiche dovute alla recente nascita). È possibile che l’atmosfera primordiale della Terra fosse costituita principalmente da idrogeno ed elio, dispersi con il tempo nello spazio (poca era l’attrazione gravitazionale). Le nubi di vapore, condensandosi per l’abbassamento della temperatura, avrebbero dato origine alle superfici acquose, ma ancora non era possibile vivere sul pianeta per le elevate temperature. Ad oggi riusciamo a vivere sulla Terra grazie alla biosfera, tra gli 8 e i 10 km, dove determinate condizioni di temperatura e di concentrazione di gas permettono la vita terrestre. È il gas serra a permettere la vita: le temperature, altrimenti, si aggirerebbero intorno ai -20. 3 miliardi e mezzo di anni fa, la Terra era sempre ricca di vulcani, che eruttavano in continuazione. Le coste erano dominate da formazioni rocciose di colore verde chiaro, che in realtà erano spessi agglomerati di batteri, forme primitive ma efficaci a vivere in situazioni estreme. Questi agglomerati si chiamano stromatoliti, e sono state ritrovate nei fossili di vari paesi a testimonianza della condizione della Terra di circa 3 miliardi e mezzo di anni fa. Parlando di batteri, parlo di forme viventi, si parla quindi di VITA: come è arrivata la vita sulla Terra?

Le caratteristiche degli esseri viventi

Gli esseri viventi (piante e animali) hanno 5 caratteristiche comuni:

• Gli esseri viventi si riproducono: per via sessuata (sessi separati che si accoppiano) o per via asessuata (dividendosi a metà: protozoi e batteri).
• Gli esseri viventi crescono e si sviluppano.
• Gli esseri viventi sono adattati al loro ambiente, sviluppando processi di adattamento per vivere nell’ambiente in cui si trovano.
• Gli esseri viventi rispondono agli stimoli (alcuni stimoli chimici sollecitano la cellula, altri stimoli sollecitano l’essere vivente).
• Gli esseri viventi sono in grado di prendere energia dall’ambiente e di trasformarla da una forma all’altra: trasformano l’energia dell’ambiente, come le piante e i decompositori (che rimettono in circolazione tutti gli elementi nutritivi utili per gli altri esseri viventi) - Si evolvono (e a volte si estinguono!).

La teoria cellulare

Il concetto importante è che gli esseri viventi sono costituiti da cellule. Nel 1600 l’invenzione del microscopio (Hooke) ha permesso di scoprire come i tessuti fossero strutturati e come le cellule potessero riprodursi: la parola “cellule” deriva da “celle”, separate tra loro. Grazie all’ausilio del microscopio, quindi, è nata la teoria cellulare, secondo la quale la cellula è l’unità di base degli esseri viventi.

Gli esseri viventi possono essere formati da:

• Una sola cellula: organismi unicellulari;
• Più cellule simili, che danno origine ad una colonia;
• Tante cellule: organismi pluricellulari.

La differenza tra colonia e organismi pluricellulari sta nel fatto che la colonia vede cellule simili, mentre gli organismi pluricellulari (come noi) hanno cellule specializzate.

Sempre secondo la teoria cellulare, vi sono tutta una serie di reazioni chimiche all’interno delle cellule: pur essendo molto piccole e visibili solo attraverso il microscopio, sono entità molto attive. Oltretutto, le cellule si originano da altre cellule e contengono le informazioni ereditarie alla base del nostro patrimonio genetico (passato da cellula madre a cellula figlia).

La teoria cellulare stabilisce che:

• Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule;
• Le reazioni chimiche di un organismo vivente hanno luogo dentro le cellule;
• Le cellule si originano da altre cellule;
• Le cellule contengono le informazioni ereditarie degli organismi di cui fanno parte, e queste informazioni passano dalla cellula madre alla cellula figlia.

L’origine della vita

Le cellule possono essere di vari tipi, ma hanno in comune 4 caratteristiche:

• La presenza di una membrana cellulare (esterna) che separa la cellula dall’ambiente circostante;
• Presenza di enzimi, particolari proteine che innescano le reazioni chimiche (soprattutto abbassano la soglia di attivazione: per far avvenire delle reazioni si necessita di una certa energia, e gli enzimi entrano in gioco per far abbassare la quantità di energia necessaria per innescare la reazione);
• Capacità di duplicarsi, dando origine a nuove cellule e trasmettendo l’informazione genetica;
• Possibilità di evolversi (corrispondono a pieno alle caratteristiche degli organismi viventi).

Tre miliardi di anni fa, erano presenti sulla Terra agglomerati di batteri verdi, quindi vita. Varie sono le ipotesi di arrivo della vita sulla Terra, fra cui le ipotesi extraterrestri:

• La vita si sarebbe originata da qualche parte nello spazio e in seguito sarebbe arrivata sulla Terra grazie ad alcuni esseri intelligenti;
• Alcune comete o asteroidi avrebbero portato sulla Terra le prime cellule, che poi avrebbero dato vita a tutti gli esseri viventi. A supporto di ciò, vi sono delle tracce ritrovate in meteoriti e asteroidi caduti sulla Terra.

Secondo la maggior parte degli scienziati, invece, la vita è nata sulla Terra, secondo due fasi:

• Formazione delle molecole organiche (con presenza di carbonio: formano zuccheri, lipidi…) a partire da sostanze inorganiche (non contenenti carbonio);
• Dalle molecole organiche si sarebbero originate le cellule per i cosiddetti fenomeni di autoaggregazione.

L’ipotesi di Oparin (1922)

Il biochimico russo Oparin sostiene che la vita sulla Terra fu preceduta da una lunga serie di eventi, secondo due fasi: l’evoluzione chimica e l’evoluzione prebiologica. L’ambiente primitivo vedeva l’atmosfera quasi priva di ossigeno, mentre idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto erano in qualche modo già disponibili nell’atmosfera e nelle acque. L’energia sul pianeta era moltissima, sotto forma di calore, scariche elettriche e radiazioni dal Sole. Oparin ipotizzò quindi che, in queste condizioni, dai gas dell’atmosfera si sarebbe potute formare grandi quantità di molecole complesse, raccolte poi nei mari e nei laghi, dando origine ad un “brodo primitivo”. Queste molecole, sempre più numerose e vicine (fase prebiologica), portarono alla formazione di piccoli sistemi primitivi, detti coacervati, punto di partenza del mondo vivente.

Verso la metà del secolo, il giovane laureato Miller conferma l’idea geniale di Oparin, e cerca di dimostrarla con esperimenti di laboratorio. Nel 1953 Miller dà inizio ai suoi esperimenti, cercando di ricreare le condizioni dell’atmosfera primordiale, mettendo in un’ampolla gli elementi presenti al tempo e condizionandoli con scariche elettriche (come fossero fulmini e radiazioni primordiali). Si accorse così che venivano a formarsi molecole organiche (amminoacidi, zuccheri, lipidi e parti di acidi nucleici): Oparin aveva ragione, perché da materia inorganica dei gas sulla Terra si potevano formare molecole organiche.

Le tappe della teoria di Oparin: via via che la Terra si raffreddava, il vapore acqueo si condensava e dava origine alle nubi che scatenarono piogge sulla Terra, si formavano quindi bacini acquiferi, dentro ai quali vi era tutta una serie di molecole organiche che contenevano gli elementi indispensabili alla vita (il famoso brodo primordiale). Nel brodo primordiale si formano le prime molecole proteiche e in seguito abbiamo gli aggregati. I coacervati non sono vere e proprie cellule, sono uno stadio base della cellula: sono un insieme di proteine. Nei coacervati, poi, per la presenza di radiazioni, si formano acidi nucleici (DNA), quindi cominciano a manifestarsi tutte le componenti essenziali della cellula: dalle singole parti si arriva quindi allo sviluppo della cellula.

Pasteur e la generazione spontanea

Sin dai tempi di Aristotele si credeva che gli esseri viventi più semplici, come vermi, scarafaggi, rane e salamandre potessero generarsi dalla polvere e dal fango. Questa teorie è rimasta in voga fino al 1700/1800, quando arrivarono diverse prove sperimentali.

Francesco Redi, nel 1668, eseguì un esperimento per verificare se fosse davvero possibile: mise un pezzo di carne in un contenitore sigillato, in un contenitore scoperto e in un contenitore coperto da una garza (che permetteva il passaggio dell’aria). In questo ultimo, le mosche depositavano uova in superficie: questa fu la prima prova che confutava (metteva in discussione) l’ipotesi della generazione spontanea della vita. Le larve nascevano infatti solo nei barattoli in cui era stato possibile depositare le uova.

Nel 1768, Spallanzani prepara degli infusi in alcune ampolle, e li porta in ebollizione per più di un’ora: alcune le tappa del tutto, altre le lascia all’aria aperta. Nei contenitori portati ad ebollizione e tappati non nasce nulla, negli altri nascono batteri: questa è un’ulteriore prova che la vita non nasce dal nulla. Avvalora quindi il lavoro di Francesco Redi, ma si chiede come possa essere nato qualcosa nei contenitori scoperti.

La tradizione della generazione spontanea, però, era molto forte, tanto che illustri sostenitori europei credevano che Spallanzani, con l’ebollizione degli infusi, avesse potuto impedire la nascita della vita per un’alterazione delle sostanze.

Pasteur (1860) utilizzò delle beute a collo di cigno (libro: a collo d’oca), che permettono l’entrata dell’ossigeno, ritenuto necessario per la vita, ma non di batteri e spore o microbi (i lunghi colli proteggevano dalla contaminazione). Una beuta venne lasciata con il collo integro, nell’altra venne spezzato, permettendo la contaminazione: dove il collo infatti è spezzato si sono sviluppati microorganismi, nell’altro nulla. Questa è quindi la dimostrazione di come si abbia bisogno di ben altro, oltre all’ossigeno, per dare origine alla vita.

Il lavoro di Pasteur è molto importante anche per altri concetti: fermentazione alcolica e inacidimento del burro. Si accorse infatti di microorganismi che vivono in presenza di ossigeno (aerobi) e altri che non ne hanno bisogno (anaerobi).

Pasteur demolisce la teoria della generazione spontanea della vita, Oparin propone poi l’ipotesi del brodo primordiale e dei coacervati.

Procarioti ed eucarioti

Domanda: Cosa distingue una cellula eucariote da una procariote?

Le cellule procariote sono le più primitive, le cellule eucariote (eu-karion significa “vero nucleo”) sono più strutturate. Le cellule eucariote presentano una membrana nucleare (interna), che racchiude il materiale genetico, e gli organuli (assenti nella cellula procariote). La membrana cellulare (difesa esterna) ce l’hanno entrambe, così come i cromosomi (corpuscoli che contengono il materiale genetico).

La parete cellulare (doppia membrana), ulteriore protezione rispetto alla membrana, possono averla sia procarioti che eucarioti: negli eucarioti è presente nelle piante (la parete cellulare le sostiene) e nei funghi.

Nei procarioti abbiamo un solo grande cromosoma.

La teoria endosimbiotica

La teoria endosimbiotica fu formulata da Lynn Margulis, il quale ipotizzò che mitocondri e cloroplasti fossero derivati da antichi procarioti poi inglobati in cellule di dimensioni maggiori. La teoria endosimbiotica, formulata dal genetista Margulis, spiega il passaggio dalla cellula procariote a quella eucariote come il risultato di un processo simbiotico, secondo il quale mitocondri e cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che si sarebbero introdotti in cellule più grandi, dando origine ad uno scambio reciproco (simbiosi).

La prima cellula eucariote è comparsa 1,5 miliardi, circa 2 miliardi di anni dopo la prima cellula procariote.

Eterotrofi e autotrofi

Il più importante processo energetico che ha luogo all’interno dei mitocondri è la respirazione cellulare, una serie di reazioni che ha come composto di partenza il glucosio. La respirazione avviene in tutte le cellule che vivono in ambienti con ossigeno gassoso: glucosio + ossigeno → anidride carbonica + acqua + energia.

I cloroplasti, invece, catturano l’energia solare e consentono alle cellule vegetali di sintetizzare le proprie biomolecole, come il glucosio (fotosintesi clorofilliana): anidride carbonica + acqua + energia solare → glucosio + ossigeno.

• Organismi eterotrofi: gli organismi eterotrofi ricavano da fonti esterne l’energia e le molecole necessarie per costruire le proprie strutture. Tutti gli animali e i funghi e molti organismi unicellulari sono eterotrofi.
• Organismi autotrofi: gli organismi autotrofi sono in grado di sintetizzare in modo autonomo le proprie biomolecole, attraverso processi quali la fotosintesi (azionata dal sole) e la chemiosintesi (energia liberata da azioni chimiche, non in presenza di sole). Le piante sono organismi autotrofi, sono in grado di fabbricare le proprie molecole da sé.

Secondo Oparin, le molecole organiche danno vita ai coacervati, i coacervati alle cellule: i primi organismi unicellulari. I primi batteri presenti sulla Terra erano anaerobi, perché non vi era l’ossigeno. Poi abbiamo avuto le alghe, che hanno iniziato a fotosintetizzare l’ossigeno. L’atmosfera si arricchisce di ossigeno, 2 miliardi di anni fa, e cominciano ad apparire i primi batteri aerobi. Per alcuni processi di simbiosi, alcune alghe azzurre che fotosintetizzavano sono state inglobate da alghe che non fotosintetizzavano e hanno dato origine a cellule procariote, unicellulari molto semplici che, aggregandosi, hanno dato vita ad organismi pluricellulari.

Si passa dalla fase colonia (insieme di tante cellule simili, che si aggregano) alla fase pluricellulare grazie ad alcuni processi di aggregazione e specializzazione delle cellule (impiegando molto tempo). La pluricellularità implica cellule specializzate: in seguito alla formazione degli organismi pluricellulari, sulla Terra è comparsa un’enorme varietà di forme di vita. Grazie alla comparsa degli organismi pluricellulari, c’è stata l’esplosione della vita sulla Terra: si cominciano ad avere organismi che cominciano a rispondere ad ambienti diversi, che con il tempo conquisteranno acque, terra e cielo.

La storia della vita

La storia della Terra è divisa in diverse ere geologiche: la vita ha avuto varie esplosioni e forme. Tre ere importanti:

• Paleozoica, la più lontana: caratterizzata dall’esplosione delle forme di vita, vediamo la...