Biologia generale

Breve storia dell'universo, del sistema solare e del terzo pianeta

L'universo che conosciamo si è originato 13.7 miliardi di anni fa tramite un evento esplosivo di singolarità iniziale ("Big Bang"), i cui effetti sono ancora in corso ("espansione").

• Nel superammasso di galassie (supercluster) Laniakea, all'interno della galassia Via Lattea (braccio di Orione), una grande nebulosa stellare contenente una o più supernove ("Madre del Sole") è esplosa e collassata circa 5 miliardi di anni fa.
• Il collasso ha formato al centro una nuova stella ("Sole") circondata da un disco di accrezione, dal quale si sono originati 8 pianeti, 5 pianeti nani, 472 satelliti, 3406 comete e 707664 asteroidi.
• Il terzo pianeta di questo sistema (Sol 3, chiamato Terra) si è formato 4.6 miliardi di anni fa.

La Terra (Sol 3) è popolata da forme di vita

Quando è apparsa la vita su Sol 3?

Fino a poco tempo fa, le rocce più antiche conosciute che presentavano chiari segni fossili di attività di microorganismi (depositi biotici di carbonati, o "stromatoliti") erano ritenute quelle di Shark Bay (Australia occidentale) datate 3.5 miliardi di anni fa. Questa data è ancora riportata in alcuni testi scolastici e universitari, ma...

Retrodatazione di almeno 200 milioni di anni dell’origine della vita sulla Terra (2016)

Nel 2016 è stato pubblicato online un articolo sulla prestigiosa rivista "Nature" che retrodata l’origine della vita sulla Terra a 3.7 miliardi di anni fa. Nutman e collaboratori hanno studiato alcune rarissime rocce sedimentarie della formazione Isua Greenstone Belt (Groenlandia), portate alla luce dallo scioglimento dei ghiacci e datate tra 3.8 e 3.7 miliardi di anni fa. Queste rocce hanno tracce fossili di attività di microorganismi chiaramente simili a quelli delle stromatoliti. Le strutture stromatolitiche trovate nelle rocce di Isua Belt, straordinariamente simili a quelle dell’Australia occidentale, provano che la produzione di depositi carbonatici da parte di microorganismi avveniva già 3.7 miliardi di anni fa (e forse ancora prima).

Questi dati sono in accordo con recenti analisi filogenetiche molecolari secondo le quali i primi organismi viventi sarebbero apparsi sulla Terra più di 4 miliardi di anni fa.

• La vita su Sol 3 è quindi comparsa circa 3.7 miliardi di anni fa.
• I primi ominidi (Australopiteci) sono apparsi sul pianeta solo 4 milioni di anni fa ed il genere Homo è apparso solo 2.5 milioni di anni fa.

Se l’esistenza della Terra (4.6 miliardi di anni) fosse un giorno di 24 ore, gli esseri umani sarebbero apparsi sul pianeta solo 1 minuto e 17 secondi prima del termine della giornata! Quasi tutte le altre forme di vita sono quindi comparse sul pianeta prima degli esseri umani.

Cosa si intende per “vita”?

• Un essere vivente è una unità organizzata (antientropica), dotata di genoma, caratterizzata da metabolismo (trasformazione di materia e di energia) e capace di riprodursi e di evolversi.
• Vita = genoma, metabolismo, riproduzione ed evoluzione.

Ipotesi accreditata sull’origine della vita sulla Terra:

1. La vita si è evoluta a partire da molecole semplici, prima inorganiche e poi organiche.
2. Queste molecole si sono inizialmente combinate e modificate in ambiente acquatico.
3. È probabile che materiali trasportati da meteoriti e comete (quindi di origine extraterrestre) abbiano contribuito in modo significativo all’evoluzione molecolare prebiotica.
4. L’evoluzione chimica ha quindi preceduto l’evoluzione biologica.
5. Esperimenti di Stanley Miller e Harold Urey.

L'atmosfera primitiva della Terra

Un contributo fondamentale alla formazione dell’atmosfera primitiva della Terra è stato fornito dall’intensa attività vulcanica primordiale e dal bombardamento di meteoriti. L’atmosfera primitiva della Terra si è originata dalle intense attività vulcaniche di superficie e dalla caduta incessante di meteoriti nel primo miliardo di anni di esistenza del pianeta. I primi vulcani emanavano idrogeno, vapore acqueo, metano, ammoniaca, anidride carbonica e solfuri. Le meteoriti apportavano composti di carbonio. L’atmosfera primitiva era tossica, riducente e quasi priva di ossigeno.

Ipotesi sulla formazione di molecole organiche e composti complessi

Evento risalente a circa 3.7 miliardi di anni fa:

• I vulcani hanno avuto un ruolo fondamentale nell’origine e nel mantenimento della vita sulla Terra.
• In seguito la vita stessa ha modificato l’atmosfera e si è ampiamente evoluta sul pianeta.

Storia dell’atmosfera terrestre: il grande evento di ossigenazione

Circa 2 miliardi di anni fa (Archeano) l’evoluzione della fotosintesi ossigenica da parte dei cianobatteri ha riversato ossigeno nell’atmosfera, cambiandone radicalmente la composizione. L’atmosfera primitiva del pianeta è stata quindi modificata dall’attività dei primi esseri viventi.

• I cianobatteri (Procarioti) in grado di eseguire la fotosintesi ossigenica hanno arricchito di ossigeno l’atmosfera terrestre.
• Questi aggregati di cianobatteri primitivi hanno originato le formazioni dette "stromatoliti", scoperte in remote regioni del pianeta.

“Snowball Earth”: come i vulcani hanno salvato la vita sulla Terra

• Si ritiene che circa 700 milioni di anni fa la frantumazione del supercontinente Rodinia abbia provocato una serie di eventi idrogeologici che ridussero fortemente la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera, abbassando drasticamente la temperatura del pianeta (“Snowball Earth”) in poche migliaia di anni.
• Il 99% delle forme di vita che si erano evolute nei 2 precedenti miliardi di anni si estinse.

La vita sul pianeta fu salvata dall’attività vulcanica nelle dorsali oceaniche, espandendosi poi in modo “esplosivo” nel Cambriano (650 milioni di anni fa).

La fauna di Ediacara (Proterozoico Vendiano) precedente all’evento “Snowball Earth”

La maggior parte delle forme fossili di Ediacara (Vendozoa) non sembra avere relazioni con la fauna successiva del Cambriano (Metazoa).

La radiazione evolutiva nel Cambriano, successiva all’evento “Snowball Earth”

Tutti i principali phyla animali sono già presenti 650 milioni di anni fa (“esplosione” del Cambriano).

La vita e la biodiversità sulla Terra

Cosa si intende per "vita"?

• Un essere vivente è una unità organizzata (antientropica), dotata di genoma, caratterizzata da metabolismo (trasformazione di materia e di energia) e capace di riprodursi e di evolversi.
• Vita = genoma, metabolismo, riproduzione ed evoluzione.

Sul pianeta Terra la vita è organizzata in cellule appartenenti a due soli tipi: Procarioti ed Eucarioti. Gli organismi viventi sono caratterizzati da un genoma, da un metabolismo ed inoltre da riproduzione, motilità ed evoluzione.

Come catalogare la biodiversità della vita sulla Terra?

Sul pianeta vivono circa 2.5 milioni di specie diverse (e probabilmente altrettante che ancora non conosciamo). Tutte le forme di vita sul pianeta sono riconducibili a 3 “Domini”, suddivisi in 6 gruppi principali, detti “Regni”.

6 Regni

La catalogazione dei viventi all’interno dei Domini e dei Regni impiega una serie di categorie tassonomiche basate sulla filogenesi (cioè sui rapporti evolutivi tra gli organismi). I 6 Regni e 3 Domini di organismi viventi sulla Terra sono riconducibili a solo due tipi di cellule:

• Procarioti: Archeobatteri, Eubatteri
• Eucarioti: Protisti, Funghi, Piante, Animali

Organismi unicellulari e pluricellulari

• Procarioti unicellulari: Archeobatteri, Eubatteri
• Eucarioti unicellulari: Protisti
• Eucarioti pluricellulari: Funghi, Piante, Animali

Procarioti ed Eucarioti sono legati tra loro da complessi rapporti evolutivi ma gli organismi ancestrali da cui sono derivate tutte le attuali forme di vita erano Procarioti.

*Studia le caratteristiche della cellula eucariotica e procariotica*

Origine della cellula eucariotica per endosimbiosi: la teoria di Lynn Margulis (1974)

Endosimbiosi I: compartimentazione di membrana e isolamento del DNA

1. La prima tappa è stata probabilmente la perdita della parete cellulare.
2. La ripetuta invaginazione del plasmalemma ha provocato un aumento di superficie permettendo un tasso maggiore di assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente circostante.
3. Si sono formate le membrane interne associate ai ribosomi, alcune delle quali hanno circondato il DNA.
4. Il DNA si è associato alla membrana di una vescicola dando origine al precursore del nucleo. Formazione del citoscheletro (filamenti di actina e microtubuli); i primitivi vacuoli alimentari si sono trasformati in lisosomi utilizzando gli enzimi prodotti da un rudimentale reticolo endoplasmatico.
5. Il flagello pienamente sviluppato costituisce un organo di propulsione.

Endosimbiosi II: origine degli organelli eucariotici

Probabilmente tramite fagocitosi e/o parassitismo... La relazione tra una cellula fagocitante e la sua preda procariotica (oppure tra un procariota parassita ed il suo ospite) si è infine stabilizzata come simbiosi... acquisizione di Procarioti (eubatteri e cianobatteri) tramite simbiosi e formazione degli organelli.

1. I perossisomi potrebbero essersi formati in seguito all’endocitosi di procarioti dotati di capacità detossificanti.
2. I mitocondri si sono evoluti per endocitosi di procarioti e hanno permesso di produrre ATP.
3. L’endocitosi di cianobatteri ha portato all’evoluzione dei cloroplasti che forniscono alla cellula i mezzi per produrre le sostanze organiche a partire dall’energia solare.

L’origine della cellula eucariotica per endosimbiosi ha permesso l’evoluzione e la diversificazione dei sei Regni di viventi sulla Terra.

• Eucarioti pluricellulari: Piante, Funghi, Animali
• Eucarioti unicellulari: Protisti
• Procarioti (unicellulari): Archaea, Eubacteria (Batteri)

La molecola più preziosa dell'universo: l'acqua e i suoi fondamentali legami

• Legame idrogeno
• Legame covalente polare

L’acqua permette lo svolgersi delle reazioni chimiche all’interno degli organismi ed è necessaria per la formazione di alcune strutture biologiche. L’acqua è una molecola polare che può formare legami idrogeno. Le 4 coppie di elettroni in orbita nel guscio esterno dell’atomo di O si respingono conferendo così alla molecola una forma tetraedrica. Tali caratteristiche spiegano alcune delle proprietà dell’acqua:

• Il ghiaccio galleggia → allo stato solido le singole molecole di acqua vengono tenute in sede dai legami idrogeno. Ciascuna molecola si lega ad altre 4 in una struttura rigida e cristallina. Le molecole sono più lontane tra loro di quanto non lo siano allo stato liquido. In altre parole l’acqua allo stato solido è meno densa dell’acqua allo stato liquido, ragione per cui il ghiaccio galleggia. Galleggiando forma uno strato isolante sulla superficie che riduce la dispersione di calore nell’aria fredda sovrastante.
• Scioglimento, congelamento e capacità termica → il ghiaccio richiede una quantità considerevole di energia termica per sciogliersi perché si devono rompere molti legami idrogeno quando l’acqua passa dallo stato solido a quello liquido. Il processo inverso, il congelamento, libera nell’ambiente una grande quantità di energia. Tale proprietà dell’acqua è una delle cause che gli oceani e altre grandi masse d’acqua mantengono una temperatura piuttosto costante durante tutto l’anno; tali masse d’acqua moderano anche le temperature della terraferma vicino alle coste. L’acqua contribuisce a contenere le variazioni della temperatura atmosferica in tutto il pianeta. Questa capacità di mitigare il clima è un effetto dell’elevata capacità termica dell’acqua allo stato liquido, capacità che dipende dall’elevato calore specifico.

Il calore specifico di una sostanza corrisponde alla quantità di energia termica necessaria per elevare di 1°C la temperatura di 1g di tale sostanza. Innalzare la temperatura dell’acqua liquida richiede una quantità di calore abbondante perché gran parte dell’energia termica serve a rompere i legami idrogeno che tengono insieme il liquido. L’acqua ha un elevato calore specifico. L’acqua ha anche un elevato calore di evaporazione, cioè occorre molto calore per portare l’acqua dallo stato liquido a quello gassoso. La maggior parte dell’energia termica serve per rompere i molti legami idrogeno che aggregano le molecole. Questo calore deve essere assorbito dall’ambiente con cui l’acqua è a contatto.

• Coesione e tensione superficiale → nell’acqua allo stato liquido le molecole non sono fisse: i legami idrogeno tra le molecole si rompono e si formano in continuazione. In qualsiasi momento una molecola d’acqua forma legami idrogeno con altre molecole d’acqua. Tali legami idrogeno spiegano la forza coesiva dell’acqua. La forza coesiva, o coesione, si definisce come la capacità che hanno le molecole d’acqua di resistere alla separazione se sottoposte a tensione. La superficie dell’acqua liquida esposta all’aria è difficile da forare perché le molecole superficiali sono legate a quelle sottostanti da legami idrogeno. Questa si definisce come tensione superficiale.

Le macromolecole

Lipidi, glucidi, proteine, acidi nucleici

I lipidi: componenti fondamentali delle membrane

Sono molecole contenenti C, H, O. La molecola di un trigliceride si forma da una molecola di glicerolo e tre molecole di acidi grassi, con eliminazione di tre molecole di acqua. La reazione di esterificazione tra il glicerolo e gli acidi grassi collega l’ossigeno dei gruppi alcolici del glicerolo al carbonio del gruppo carbossilico dell’acido grasso.

Fosfolipidi e “barriera idrofoba”

Se al glicerolo si legano due catene di acidi grassi e una terza molecola (piccola e polare) contenente fosfato, si ottengono i fosfolipidi. I lipidi di membrana si dispongono in un doppio strato, con le regioni apolari o ‘code’ (idrofobe) al centro e le ‘teste’ polari (idrofile) in superficie. In questo modo si forma una ‘barriera idrofoba’ nella parte centrale della membrana biologica. Ma un altro componente fondamentale della membrana è costituito dalle proteine.

Modello di Singer - Nicholson (o modello a “mosaico fluido”) della membrana cellulare

Le membrane biologiche sono state infatti descritte come “isole” di proteine in un “mare” di lipidi in continuo movimento. Oltre ai lipidi a struttura lineare, esistono anche lipidi ciclici di grande importanza biologica. Un lipide ciclico, il colesterolo, svolge un ruolo molto importante nella membrana cellulare. Il colesterolo regola infatti la stabilità strutturale e la fluidità delle membrane, interagendo con i fosfolipidi.

I glucidi: polialcoli polari e fonti di energia

Sono molecole contenenti C, H, O, polialcoli polari (-oso, -osi). Un esoso: I pentosi: il glucosio, ribosio e desossiribosio. Formula: C₆H₁₂O₆.

I glucidi semplici (monosaccaridi) formano catene a due glucidi (disaccaridi) o a molti glucidi (polisaccaridi). Nelle molecole dei glucidi si possono trovare gruppi contenenti fosfato, o gruppi contenenti azoto in forma amminica (amminozuccheri). Un esempio di amminozucchero è l’N-acetilglucosammina, il cui polimero, la chitina, è il secondo polisaccaride più diffuso sul pianeta (il primo è l’amido).

I peptidoglicani, polisaccaridi della parete cellulare nei batteri

• I peptidoglicani (o mureine) sono polimeri di due amminozuccheri, N-acetilglucosammina (NAG) e acido N-acetilmurammico (NAM) collegati tra loro mediante oligopeptidi.
• Sono esclusivi della parete cellulare degli Eubatteri.

Gli amminoacidi e le proteine

Contenenti C, H, O, N. Legame peptidico (o carboammidico) tra C e N. Formazione del legame peptidico tra due amminoacidi: tramite la reazione di condensazione, si forma un legame covalente (‘legame peptidico’) con delocalizzazione parziale degli elettroni, che conferisce una notevole stabilità.

Le quattro strutture delle proteine

• Struttura primaria: catena di amminoacidi legati tra loro dal legame peptidico.
• Struttura secondaria: α-elica oppure ripiegamento β.
• Struttura terziaria: avvolgimento della proteina singola (monomero).
• Struttura quaternaria: associazione di due o più proteine (subunità).

Denaturazione e rinaturazione delle proteine

Gli agenti denaturanti possono distruggere la struttura secondaria e terziaria di una proteina con la conseguente perdita dell’attività biologica di questa. Talvolta una proteina può riassumere la struttura terziaria con il ripristino dell’attività biologica (rinaturazione), tuttavia spesso la denaturazione è un processo irreversibile. Le proteine hanno moltissimi ruoli biologici: uno dei più curiosi è quello delle chaperonine (o proteine “chaperon”) che aiutano il ripiegamento di altre proteine e le proteggono da legami inappropriati.

Nucleotidi: componenti degli acidi nucleici

Composti contenenti C, H, O, N. Basi azotate: componenti dei nucleotidi.

• Pirimidine: citosina, timina, uracile
• Purine: adenina, guanina

Nucleotidi: una base azotata, un pentoso e un gruppo fosfato. Il gruppo fosfato...