Biologia - teoria (prima parte)

Premessa

I quiz di biologia rappresentano una frazione determinante del test di ammissione, ed il loro superamento costituisce una parte importante della prova. Ogni argomento di teoria è stato corredato da numerosi testi di quiz, presi dalle prove di ammissione degli anni precedenti, i quali sono una componente essenziale nell’adeguata comprensione degli argomenti svolti nella parte teorica, della quale costituiscono sia un chiarimento, che un approfondimento ed un’integrazione. Per ovvie ragioni di sintesi e di praticità la parte teorica in questione, che riguarda argomenti vari ed estesi, è stata realizzata in modo da essere il meno rigorosa ed il più pragmatica possibile, in maniera quindi da presentare quanto necessario e sufficiente, e solo quanto necessario e sufficiente, per affrontare in modo adeguato i quiz d’ammissione.

Principi base della biologia

I viventi

La biologia è una scienza naturale che si occupa della vita e degli esseri viventi, dei quali studia la struttura, le funzioni, la crescita, la genesi, l’evoluzione, la distribuzione e la tassonomia. Si tratta di una materia vastissima costituita da tutta una serie di argomenti e discipline. Tra gli argomenti più importanti sono compresi cinque principi unificatori che possono essere considerati gli assiomi della biologia moderna:

• Le cellule sono le unità di base della vita;
• Le nuove specie sono una conseguenza dell’evoluzione;
• I geni sono l’unità di base dell’ereditarietà;
• Gli organismi sono in grado di mantenere costanti le caratteristiche del proprio ambiente interno, omeostasi;
• Gli organismi viventi consumano e trasformano energia.

Le varie branche della biologia sono classificabili in funzione del livello a cui studiano gli organismi e dei metodi di studio che esse impiegano:

• La biochimica si occupa della chimica di base della vita;
• La biologia molecolare studia le complesse interazioni tra le varie classi di biomolecole;
• La biologia cellulare studia la cellula;
• La fisiologia studia le funzioni chimiche e fisiche dei tessuti, degli organi e dei sistemi di organi di un organismo;
• L’ecologia studia come i vari organismi interagiscono e si associano con il loro ambiente.

I cicli della materia

Ciclo dell'ossigeno

A livello chimico i viventi sono riconoscibili per tutta una serie di caratteristiche. Le loro cellule sono costituite da un numero ridotto di elementi, sei dei quali (C, H, N, O, P, S) rendono conto del 99% della sua massa. Esse contengono una serie ridotta, ma peculiare, di piccole molecole a base di carbonio che sono sostanzialmente le stesse in tutte le specie. Si possono suddividere in zuccheri, acidi grassi, amminoacidi e nucleotidi. Gli zuccheri costituiscono la fonte primaria di energia chimica per la cellula, e possono essere incorporati in polisaccaridi come riserve energetiche. Anche gli acidi grassi hanno un ruolo importante come riserve energetiche, ma la loro funzione essenziale è la formazione delle membrane cellulari. I polimeri degli amminoacidi costituiscono molecole diverse e versatili note come proteine. I nucleotidi hanno un ruolo importante nel trasferimento di energia, nel funzionamento degli enzimi, coenzimi, e sono le subunità costitutive delle macromolecole che trasportano l’informazione genetica, DNA ed RNA. Le macromolecole vengono sintetizzate come polimeri di subunità attraverso ripetute reazioni di condensazione. La loro notevole diversificazione dipende dalla sequenza delle subunità che le caratterizza. Tra le diverse regioni di una macromolecola si formano legami deboli non covalenti che la fanno ripiegare su sé stessa in modo che assuma una sua propria forma tridimensionale come, in particolare, si osserva per le proteine.

Ciclo dell'azoto

Gli elementi costitutivi dei viventi derivano ovviamente dall’ambiente che li circonda ed esistono tutta una serie di equilibri e cicli materiali tra i viventi e l’ambiente stesso. Il ciclo dell’ossigeno consiste nella serie di reazioni tramite le quali l’ossigeno atmosferico viene utilizzato e prodotto. Gli esseri viventi ottengono la maggior parte dell’energia necessaria ai loro processi vitali da reazioni di ossidazione in cui l’agente ossidante è l’ossigeno atmosferico. Anche i processi di ossidazione non biologici (combustioni) consumano una notevole quantità di ossigeno atmosferico. Le piante verdi, mediante la fotosintesi clorofilliana, sono in grado di liberare l’ossigeno dell’acqua, reintegrando in parte quello consumato nelle ossidazioni biologiche e non, e consumando l’anidride carbonica prodotta nei processi di combustione. Schematicamente:

• Alimenti glucidi, legno, glucosio, petrolio, carbone
• Fotosintesi, energia solare, combustioni biologiche e non
• CO₂, H₂O

Ciclo dell'acqua

Il ciclo dell’azoto consiste in quella serie di reazioni chimiche che trasformano l’azoto atmosferico in composti azotati e viceversa. L’azoto è un componente essenziale di tutta una serie di molecole indispensabili per la vita degli organismi superiori (amminoacidi, proteine, acidi nucleici, vitamine, ormoni…), i quali, però, non sono in grado di ricavarlo direttamente dall’atmosfera, cosa che è possibile solo a certi tipi di alghe, di funghi e di batteri. L’azoto dell’atmosfera, per effetto delle scariche elettriche che si verificano nel corso dei temporali, reagisce con l’ossigeno per dare ossidi di azoto che, con le precipitazioni atmosferiche, arrivano sulla superficie terrestre sotto forma di acido nitroso e nitrico (HNO₂, HNO₃) i quali reagiscono per dare nitrati e nitriti utilizzabili dai vegetali, e solo dai vegetali, per la sintesi di amminoacidi e, quindi, di proteine. La quantità di azoto coinvolta in questo processo è, però, del tutto trascurabile rispetto a quella che, per azione delle alghe azzurre e verdi e dei batteri nitrificanti, viene trasformata dapprima in ammoniaca e quindi in nitriti e nitrati che, disciolti nel terreno, vengono assorbiti dalle radici delle piante, le quali dopo averli nuovamente ridotti ad ammoniaca, utilizzano quest’ultima nella sintesi degli amminoacidi. Tutti i rifiuti animali e vegetali, per decomposizione danno ammoniaca, nitrati e nitriti che, in parte, vengono riutilizzati dai vegetali ed in parte vengono ritrasformati in azoto elementare ad opera dei batteri denitrificanti. Schematicamente:

• Fulmini e combustioni
• Industria
• N₂, proteine vegetali, proteine animali, concimi azotati
• Decomposizione, nitriti
• Batteri denitrificanti, precipitazioni atmosferiche
• Nitrati, batteri nitrificanti

Ciclo del carbonio

Il ciclo dell’acqua: l’acqua esiste in natura allo stato solido (ghiacciai, neve, grandine e brina), liquido (mare, fiumi, laghi, acque sotterranee, acque biologiche negli esseri viventi) ed allo stato di vapore (umidità nell’aria). Per effetto della radiazione solare l’acqua liquida e solida passa allo stato di vapore e nell’atmosfera (non oltre i 15000 metri) condensa per dare nubi dalle quali precipita al suolo sotto forma di pioggia, neve o grandine. Schematicamente:

• Atmosfera
• Nubi, umidità
• Evaporazione
• Piogge, neve, grandine
• Ghiacciai, laghi, fiumi, terreni umidi
• Superficie terrestre

Il ciclo del carbonio riguarda soprattutto i processi che sottraggono e riimmettono anidride carbonica nell’atmosfera. Gli organismi autotrofi, grazie alla possibilità di realizzare la fotosintesi clorofilliana, sono in grado di trasformare l’anidride carbonica presente nell’atmosfera in glucosio ed altre molecole indispensabili per la realizzazione dei loro processi vitali. Diversi molluschi e microorganismi possono invece fissare l’anidride carbonica sotto forma di carbonato di calcio (CaCO₃) che entra a far parte integrante del loro esoscheletro. Le sostanze sintetizzate dagli autotrofi vengono poi ossidate dagli stessi, o dagli organismi eterotrofi, nel processo della respirazione cellulare, con produzione di energia e di anidride carbonica, la quale ritorna nell’atmosfera. I vari rifiuti organici di origine animale o vegetale vengono processati dai bioriduttori che li trasformano in prodotti chimicamente più semplici, tra i quali acqua ed anidride carbonica. Gli incendi spontanei trasformano la cellulosa dei vegetali (legno) in acqua ed anidride carbonica. I detriti organici accumulatisi fuori dal contatto diretto dell’aria possono fermentare, in lunghissimi periodi di tempo, per dare idrocarburi gassosi (metano), petrolio o carbon fossile, e tutti questi prodotti combustibili possono essere bruciati con produzione di CO₂. Schematicamente:

• CO₂, H₂O
• Fotosintesi, glucosio, cellulosa, energia, alimenti, legno
• Combustioni petrolio, carbone, biologiche e non, carbonati

Cenni di ecologia

Gli organismi autotrofi sono quelli in grado di utilizzare l’energia solare, fotoautotrofi, o quella chimica liberata da processi inorganici, chemioautotrofi, nella trasformazione di molecole inorganiche a basso contenuto di energia in prodotti organici. I fotoautotrofi, detti anche produttori, tramite la fotosintesi clorofilliana, convertono anidride carbonica ed acqua in zuccheri, ed altre molecole organiche necessarie sia per il loro accrescimento che per fornire loro l’energia necessaria a tutte le loro funzioni vitali. Gli organismi eterotrofi, o consumatori, ricavano invece le sostanze organiche cibandosi dei produttori, erbivori, o di altri consumatori, carnivori. Esistono quindi tutta una serie di catene alimentari, che sarebbe più corretto immaginare come reti alimentari, in cui ogni organismo ne preda un altro e, con poche eccezioni, viene predato da un altro ancora. Alla morte di produttori e consumatori le loro carcasse vengono aggredite da tutta una serie di altri organismi, bioriduttori, che trasformano le loro sostanze organiche, ricavandone energia, in molecole inorganiche quali, tra l’altro, anidride carbonica ed acqua. Quindi, in sintesi, l’energia solare viene convertita in energia chimica dai produttori, e tale energia, a causa dei processi catabolici, sia dei produttori stessi, che dei consumatori e dei bioriduttori, viene degradata a calore e molecole inorganiche, di modo che il ciclo materiale è in grado di ricominciare. Schematicamente:

• Molecole organiche, energia solare, calore
• Fotosintesi, processi catabolici nei vari organismi
• Molecole inorganiche, contenuto di energia

Produttori, consumatori, bioriduttori ed ambiente (ecosistema) sono in equilibrio tra di loro, e tale equilibrio è soggetto a modificazioni quando varia la presenza di uno dei componenti. Ad esempio se, semplificando notevolmente, consideriamo un ecosistema in equilibrio in cui sia presente un solo tipo di ognuno dei suoi componenti (un tipo di produttore, uno di consumatore di prima specie, erbivoro, e uno di consumatore di seconda specie, carnivoro), immaginando che diminuisca la consistenza numerica dei carnivori, ciò avrà un effetto positivo sul numero degli erbivori, che cresceranno di numero; questo fatto però avrà due conseguenze: una diminuzione dei produttori, consumati in maggiore quantità, ed un aumento dei carnivori che, essendo aumentato il numero degli erbivori, avranno più facilità a predarli. Analogamente in una coltura batterica i microrganismi non potranno aumentare di numero all’infinito perché limitati dalle disponibilità di cibo. In pratica questi meccanismi a feed back riporteranno il numero dei carnivori e quello degli erbivori al livello di partenza. Naturalmente, se la diminuzione nel numero dei carnivori fosse stata troppo consistente, ciò avrebbe potuto causare un eccessivo aumento degli erbivori, con conseguente scomparsa dei produttori e quindi anche degli erbivori stessi (e dei carnivori) con scomparsa della vita nell’ecosistema.

In un ecosistema, una nicchia ecologica indica la posizione di una specie al suo interno, vale a dire il modo in cui essa vive (trova il nutrimento e si riproduce), il ruolo che gioca in quell’ecosistema e tutte le condizioni, chimico-fisiche e biologiche, che ne consentono la sopravvivenza (non va confuso con habitat che si riferisce puramente allo spazio fisico occupato dalla specie). L’insieme di tutte le specie che vivono in un dato ecosistema costituisce invece una comunità. Tra i viventi di una comunità possono poi esistere delle relazioni a carattere particolare. Si parla di simbiosi qualora due, o più, specie, simbionti, instaurano tra di loro un rapporto di collaborazione in cui ciascuna ricava un vantaggio. Sono, per esempio, relazioni di questo tipo, quelle tra il pesce pilota e lo squalo, tra i batteri azofissatori e talune piante, tra l’uomo e la sua flora intestinale. La simbiosi può essere poi, obbligata, o meno, a seconda che le specie possano, o non possano, sopravvivere anche indipendentemente l’una dalle altre. Nel secondo caso si parla anche di mutualismo o di commensalismo. Si ha, invece, parassitismo, quando la relazione tra due specie è tale che una delle due trae vantaggio dalla relazione con l’altra, e questa viene danneggiata. Casi di questo tipo sono quelli relativi ai rapporti tra certe specie di funghi e specie vegetali o animali, compreso l’uomo, le relazioni tra varie specie di insetti ematofagi, per esempio la pulce o la zanzara, e varie specie di mammiferi e quelle tra una serie di microrganismi, batteri o protozoi, e i metazoi che essi infestano. Un caso piuttosto importante di parassitismo è quello tra i virus e vari tipi cellulari. In questo caso si parla di parassitismo obbligato in quanto il parassita non è in grado di sopravvivere, o almeno di riprodursi senza disporre delle risorse della cellula ospite.

La cellula: l'unità fondamentale

Microscopia ottica ed elettronica

Le cellule sono le unità fondamentali della vita. Secondo la teoria abiogenetica i viventi potevano derivare da materiale inanimato, Aristotele, come, per esempio, le mosche dalla carne guasta. Il primo a dimostrare sperimentalmente la falsità di questa ipotesi fu Redi, ai primi del ‘600: i viventi possono derivare solo da altri viventi. È stato analogamente dimostrato che una cellula può originare solo da un’altra cellula, teoria biogenetica. Le cellule dei tessuti animali e vegetali misurano generalmente da 5 a 20 μm di diametro, 1μm = 10^-6 m, e si possono vedere al microscopio ottico, che riesce a mettere in evidenza alcuni dei loro componenti interni alla membrana plasmatica (organelli). Il microscopio elettronico permette di vedere gli organelli più piccoli, e persino le molecole, ma i campioni richiedono una preparazione complicata e non si possono osservare in vivo.

La membrana, il nucleo, il citoplasma, gli organelli

Nella maggior parte delle cellule eucarioti animali e vegetali il nucleo è l’organello più cospicuo: esso contiene l’informazione genetica dell’organismo, immagazzinata nella struttura molecolare del DNA (il restante contenuto cellulare costituisce il citoplasma). Il citoplasma delle cellule eucarioti animali e vegetali contiene una serie di altri organelli interni delimitati, come il nucleo, da membrane e specializzati in funzioni chimiche particolari. Tra questi organelli si trovano i mitocondri che realizzano l’ossidazione delle molecole nutritive e, nei vegetali, i cloroplasti che realizzano la fotosintesi. A parte il nucleo, e gli altri organelli membranosi, tutto il restante contenuto cellulare forma il citosol, che consta di una miscela concentrata di molecole di varie dimensioni che svolgono molti processi biochimici essenziali. Un sistema di filamenti proteici, detto citoscheletro, si estende in tutto il citosol. Esso controlla la forma ed il movimento cellulare e rende possibile il trasporto di molecole ed organelli da un punto all’altro del citoplasma.

Si ipotizza che tutte le cellule attuali derivino, per evoluzione, da un tipo di cellula ancestrale esistito più di tre miliardi di anni or sono. Tutte le cellule contengono DNA come depositario dell’informazione genetica e lo usano per guidare la sintesi delle proteine; le subunità elementari, amminoacidi e nucleotidi, con cui vengono sintetizzate le proteine ed il DNA, sono comuni a tutte le cellule. I batteri, le più semplici cellule attualmente viventi, sono procarioti: contengono DNA ma mancano di nucleo, di sistemi di membrane interni, endocellulari, e di diversi organelli. Hanno dimensioni intorno a pochi micrometri e sono al limite della osservabilità con il microscopio ottico. Le varie specie di batteri sono molto diversificate, quanto ad attività biochimiche, ed occupano una gamma impressionante di habitat. Sono riconoscibili due categorie evolutive fondamentali: gli eubatteri e gli archebatteri. Le cellule eucariotiche posseggono un nucleo. Probabilmente si sono evolute in più fasi, a partire da cellule simili ai batteri. Si ipotizza che un passo importante sia stato l’acquisizione dei mitocondri, derivanti da batteri inglobati e acclimatati come simbionti in cellule anaerobie di maggiori dimensioni (teoria endosimbiontica avvalorata dal fatto che mitocondri e cloroplasti hanno DNA). Tra le cellule eucariotiche più complesse che si conoscono, vanno inclusi i microrganismi eucariotici unicellulari, che conducono vita libera e sono in grado di nuotare, accoppiarsi, procurarsi il cibo e fagocitarlo. Altri tipi di cellule eucariotiche hanno la capacità di cooperare, per costituire organismi pluricellulari complessi come l’uomo, formati da migliaia di miliardi di cellule. Le cellule di un organismo pluricellulare, pur contenendo lo stesso DNA, possono risultare diversissime tra di loro. Ciò perché esse utilizzano parti diverse della loro informazione genetica, regolazione dell’espressione genica, a seconda degli stimoli ambientali incontrati nel corso dello sviluppo.