Ecologia e didattica delle scienze naturali

Didattica delle scienze naturali

La cellula

La cellula è la struttura funzionale di base dei viventi, qui gli atomi sono combinati per formare molecole. Viene scoperta nel 1665 da Hooke e nel 1673 sono iniziate le osservazioni di cellule vive. Le cellule derivano da altre cellule e tutti i viventi sono formati da una o più cellule. Le cellule sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie-volume, per osservarle si usa il microscopio. Le dimensioni sono circa uguali per tutti gli organismi e pochissime sono visibili ad occhio nudo, ad esempio, le uova degli uccelli o la polpa di arance e mandarini.

Funzioni delle cellule

Hanno funzioni diverse:

• Protezione
• Nutrizione
• Riproduzione

Hanno caratteristiche tipiche degli organismi:

• Crescita
• Riproduzione
• Trasformano la materia in energia
• Rispondono agli stimoli dell’ambiente esterno
• Mantengono il controllo del proprio ambiente interno

Le cellule sono diverse ma hanno alcune caratteristiche comuni:

• Sono protette da una membrana plasmatica
• Contengono il citoplasma, una massa gelatinosa
• Contengono DNA, materiale genetico
• Sono in grado di completare alcune funzioni metaboliche di base (es. sintesi e degradazione di molecole, produzione di energia, assunzione di materiali dall’esterno ed eliminazione dei rifiuti, movimento e comunicazione, regolazione e coordinazione delle attività).

Tipi di cellule

Esistono due tipi di organizzazione diversa di cellule:

Cellula procariote

La cellula procariote ha un nucleo primitivo (più semplice), sono più piccole e hanno una struttura più semplice. Appartengono agli organismi unicellulari (batteri e archei).

• Hanno la tipica struttura di un batterio
• Oltre alla membrana plasmatica, presentano una parete cellulare (sostegno e protezione) come nelle cellule vegetali, ed è costituita da peptidoglicano (polimero complesso di aminozuccheri)
• Sono presenti solo i ribosomi nel citoplasma (organuli che assemblano proteine) e DNA
• Si riproducono per scissione binaria (DNA si duplica)
• Il DNA è presente sotto forma di una grossa molecola circolare ed è collocato in una zona detta nucleotide

I batteri (organismi unicellulari) possono avere diverse forme:

• Cocchi (forma sferica)
• Bacilli (forma a bastoncino)
• Spirilli (forma a spirale)

Alcuni batteri hanno:

• Capsula mucillaginosa di polisaccaridi con funzioni di protezione dalla fagocitosi, adesione, antidisidratazione
• Membrane interne
• Flagelli e pili: appendici che permettono il movimento e l’adesione

Cellula eucariote

La cellula eucariote ha il nucleo più evoluto. Esse hanno due strutture comuni: una membrana plasmatica costituita da molecole fosfolipidiche e contengono il DNA (nella cellula procariote è concentrato nel nucleotide e non separato dalla cellula, mentre nella cellula eucariote è circondato da una membrana).

Il dominio degli eucarioti comprende:

• Animali e Piante
• Funghi-cromisti
• Protisti (protozoi e alghe)

Le cellule eucariotiche hanno:

• Un nucleo ben definito con una membrana nucleare doppia, che mantiene separato il DNA (organizzato in cromosomi) dal resto della cellula
• Una membrana plasmatica che racchiude la cellula, la separa dall’ambiente esterno e regola il passaggio di sostanze
• Una compartimentazione interna: all’interno della membrana si trova il citoplasma che contiene una serie di organuli, compartimenti funzionalmente specializzati e strutturalmente separati

Una cellula eucariotica ospita diversi organuli dove si verificano le reazioni chimiche:

• Nel nucleo ha luogo la duplicazione del DNA (l’informazione genetica viene trasmessa attraverso i geni che si trovano nei cromosomi)
• Nell’apparato del Golgi vengono sintetizzate le molecole fosfolipidiche. Quest’ultime risultano idrolizzate ed accumulate da vacuoli e lisosomi
• I mitocondri sono degli organuli che permettono la respirazione cellulare
• Ribosomi
• Reticolo endoplasmatico liscio e ruvido
• Citoscheletro
• Le cellule vegetali possiedono anche i cloroplasti responsabili della fotosintesi clorofilliana

La riproduzione delle cellule eucariote avviene per mitosi, un processo che prevede la duplicazione e la separazione dei cromosomi.

Reticolo endoplasmatico

Reticolo endoplasmatico ruvido: ha un aspetto granulare dovuto alla presenza dei ribosomi attaccati alle sue membrane. È formato da una serie di sacchetti appiattiti tra loro interconnessi. Ha la funzione di sintesi delle proteine prodotte dai ribosomi.

Reticolo endoplasmatico liscio: comunica direttamente con quello rugoso. È formato da una rete di tubuli interconnessi privi di ribosomi. Una delle funzioni principali è la sintesi dei lipidi, che servono a costruire tutte le membrane della cellula. Proteine e lipidi vengono inglobati in vescicole di trasporto e diretti all’apparato del Golgi.

Sintesi proteica

Le cellule per sopravvivere devono continuamente produrre proteine, gli enzimi, che consentono le numerosissime reazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula; così come sono proteine molte strutture della cellula. Ogni proteina è costituita da una o più lunghe catene di aminoacidi.

Il controllo della sintesi delle proteine è esercitato dal DNA dei cromosomi. Le proteine vengono prodotte, nel citoplasma, da organuli speciali chiamati ribosomi, e assemblate dall’apparato del Golgi.

Mitocondri: sono la centrale energetica della cellula e sono circondati da due membrane, separate da uno spazio intermembrana. La membrana interna racchiude un liquido chiamato matrice mitocondriale, dove avvengono alcune delle reazioni chimiche della respirazione cellulare, il processo attraverso il quale le cellule ricavano energia.

Gli organismi eucariotici producono energia (ATP) attraverso il processo della respirazione cellulare, che consente di liberare l’energia immagazzinata nel glucosio usando ossigeno. Una parte di energia prodotta dai mitocondri serve per produrre proteine.

Citoscheletro

Le cellule eucariotiche contengono al loro interno una rete di fibre di sostegno molto sottili che costituiscono nel loro complesso il citoscheletro. Oltre ad avere un ruolo fondamentale per il sostegno della cellula, esso contribuisce anche ai movimenti cellulari, come la contrazione, o allo spostamento di alcuni organuli all’interno del citoplasma. L’importanza del citoscheletro per il movimento è facilmente osservabile nelle ciglia e nei flagelli, appendici esterne presenti in alcune cellule. Le ciglia e i flagelli si distinguono essenzialmente per le dimensioni: le ciglia sono corte e numerose; i flagelli sono più lunghi e, in genere, molto meno numerosi.

Cellule autotrofe e eterotrofe

Cellule autotrofe: producono il proprio nutrimento (es. piante con clorofilla)

Cellule eterotrofe: appartengono all’organismo non in grado di recuperare nutrimento autonomamente, gli servono quindi dei composti prodotti da altri organismi (es. animali, protozoi, funghi).

Cellule animali e vegetali

La cellula vegetale presenta la stessa struttura di quella animale, ad eccezione di qualche caratteristica diversa (parete cellulare e due organi caratteristici, vacuolo e cloroplasti):

• Una parete cellulare che circonda la membrana plasmatica. Dà rigidità alla cellula ed è costituita da cellulosa.
• Vacuolo centrale: è un sacchetto che agisce come lisosoma e immagazzina acqua, facendo aumentare le dimensioni della cellula, e anche le sostanze poi digerite dalla cellula e di riserva.
• Cloroplasto: al suo interno c’è il tilacoide (elemento colpito dalla luce) e lo stroma (liquido tra i tilacoidi). Nel cloroplasto si svolge la fotosintesi, l’energia luminosa viene catturata dai pigmenti di clorofilla e convertita in energia chimica (da sostanze inorganiche a organiche), si producono quindi carboidrati.

Come funzionano le cellule

• Respirare e nutrirsi
• Percepire il mondo – reagire agli stimoli
• Riprodursi

Compiono trasformazioni energetiche:

• Cellule vegetali: compiono la fotosintesi (energia ricavata dalla luce)
• Cellule animali: ricavano energia dal glucosio. Si tratta di respirazione cellulare per gli organismi aerobi e di fermentazione per quelli anaerobi.

Le trasformazioni energetiche sono collegate a reazioni chimiche: endoergoniche (richiedono energia) o esoergoniche (non hanno bisogno di energia). L’insieme delle reazioni prende il nome di metabolismo cellulare.

Le centrali energetiche sono: i mitocondri per le cellule animali e i cloroplasti per le cellule vegetali. Tali organuli gestiscono la produzione di energia tramite i processi di fotosintesi e respirazione.

ATP (adenosin-trifosfato)

L’ATP è il trasportatore di energia delle cellule. È un nucleotide composto da tre parti:

• Base adenina
• Zucchero pentoso ribosio
• 3 gruppi fosfati. La rottura dei legami produce energia (glicolisi). È il processo di degradazione del glucosio per formare il piruvato (fermentazione o respirazione cellulare).

Respirazione cellulare

Le cellule ricavano energia dagli zuccheri e dalle altre sostanze per mezzo di un processo chiamato respirazione cellulare. Consiste in una serie di reazioni chimiche che avvengono in successione che portano alla trasformazione di alcune molecole e alla produzione di ATP.

La respirazione cellulare segue 3 fasi:

1. Glicolisi: il glucosio diventa piruvato liberando energia (ATP e 2 NADH)
2. Ciclo di Krebs (nel mitocondrio): acido piruvico subisce altre trasformazioni e si produce ATP, NADH e CO₂ di scarto
3. Fosforilazione ossidativa: passa attraverso una catena di trasporto di elettroni (forniti da NADH) e si produce la quantità massima di ATP (32 molecole). Il trasporto consuma ossigeno e si trasforma in H₂O.

La fermentazione avviene in assenza di ossigeno. Può essere lattica (produzione di acido lattico) o alcolica (produzione di alcol etilico).

Fotosintesi clorofilliana

Gli organismi fotosintetici (piante, alghe e alcuni batteri) usano la luce del Sole, l’acqua del suolo e il CO₂ dell’atmosfera per produrre composti organici e liberare O₂ grazie alla fotosintesi. Avviene nei cloroplasti.

La fotosintesi è suddivisa in una fase luminosa e una fase indipendente dalla luce.

• Fase luminosa: avviene la conversione dell’energia solare in energia chimica, immagazzinata in ATP e NADH, e si produce O₂ come sostanza di scarto
• Fase indipendente dalla luce (ciclo di Calvin): si produce glucosio attraverso ATP e NADH (prodotti durante la fase luminosa). Questo avviene nello stroma del cloroplasto.

Trasporto cellulare

Il trasporto cellulare può essere:

• Passivo – senza consumo di ATP: avviene per diffusione semplice (es. per i gas, l’elemento attraversa il doppio strato fosfolipidico) o per diffusione facilitata (per sostanze più grandi, attraverso delle proteine di membrana). La membrana cellulare agisce da filtro semipermeabile, seleziona quindi le sostanze che entrano o escono. Il passaggio attraverso la membrana avviene per diffusione o osmosi (gas e piccole molecole) o per diffusione osmotica (acqua), si muove quindi da una soluzione a minor concentrazione di soluto ad una con maggiore concentrazione di soluto.
• Attivo – consumo di ATP: Quando una sostanza si sposta contro il suo gradiente di concentrazione, il trasporto richiede il consumo di energia. Il trasporto attivo è attuato da: proteine di trasporto (per piccole molecole) o per endocitosi/esocitosi (per grandi molecole), es. pompa sodio-potassio. Durante l’endocitosi le sostanze più grandi devono entrare nella cellula, per cui le porzioni di membrana inglobano la cellula (fagocitosi per sostanze solide, pinocitosi per sostanze liquide). Durante l’esocitosi le sostanze devono uscire, le vescicole si avvicinano quindi alla membrana e liberano all’esterno il loro contenuto.

Comunicazione cellulare

Le cellule animali sono connesse tra loro tramite 3 tipi di giunzione:

• Giunzioni di ancoraggio
• Giunzioni occludenti
• Giunzioni comunicanti

Le cellule vegetali sono connesse tra loro tramite sottili canali, i plasmodesmi. Essi consentono lo scambio di materiali tra cellule adiacenti e, di conseguenza, tra tutte le cellule del pianeta.

Divisione cellulare

La divisione cellulare è il processo per cui una cellula genera un’altra cellula partendo da sé stessa.

• Organismi unicellulari: è la riproduzione dell’organismo stesso
• Organismi pluricellulari: serve per la crescita e per il rinnovamento dei tessuti ed è indispensabile per la riproduzione dell’organismo.

Ci sono 2 modalità di divisione nella riproduzione asessuale e sessuale:

• Mitosi: cellula madre si divide in 2 cellule figlie identiche (riproduzione asessuata unicellulari o accrescimento tessuti)
• Meiosi: si formano 4 cellule figlie con metà del corredo cromosomico dei due genitori. È un evento che riguarda solo i gameti, cioè le cellule coinvolte nella riproduzione sessuata.

Alla mitosi è affidata la crescita dell’organismo nel corso dello sviluppo, oltre che la riparazione dei tessuti per tutta la vita. La meiosi è invece implicata nella formazione dei gameti (spermatogenesi e oogenesi).

Riproduzione asessuata

Si basa sulla divisione mitotica del nucleo. La cellula figlia è il clone della cellula madre. Scissione binaria nei procarioti, implica una duplicazione del DNA e una successiva segregazione.

Riproduzione sessuata

Due gameti (cellula uovo e spermatozoo) si uniscono e la prole riceve una combinazione di DNA dei genitori. Si producono quindi organismi non geneticamente identici al genitore.

Mitosi

• Asessuata
• Organismi eucarioti: riparazione tessuti, riguarda quindi le cellule somatiche.

Riproduzione cellulare:

1. Interfase: la cellula madre cresce, duplica il suo DNA e si prepara alla mitosi vera e propria. I cromosomi si spiralizzano.
2. Mitosi:
   • Profase: il DNA si condensa nei cromosomi e si forma il fuso
   • Prometafase: la membrana nucleare si dissolve; i cromosomi si attaccano al fuso
   • Metafase: i cromosomi si allineano sulla piastra equatoriale
   • Anafase: i cromatidi si separano e migrano ai poli della cellula
   • Telofase: i cromosomi si despiralizzano; si riforma la membrana nucleare
   • Citodieresi: le due cellule figlie si separano; si riformano la membrana plasmatica e la parete cellulare (nelle cellule vegetali).

Meiosi

La meiosi è un processo di divisione mediante il quale una cellula eucariote con corredo cromosomico diploide dà origine a quattro cellule con corredo cromosomico aploide. Da una cellula madre si formano quattro cellule figlie (gameti), tutte diverse fra loro, con DNA di entrambi i genitori.

Tramite il crossing-over si ha lo scambio e la ricombinazione genetica dei cromosomi (favorisce evoluzione e adattamento).

La vita presenta diversi livelli di organizzazione:

1. Atomi: sono composti da particelle subatomiche
2. Molecole: sono formate da due o più atomi combinati
3. Cellula: è l’unità funzionale di base di ogni essere vivente
4. Tessuto: è un gruppo di cellule con funzioni simili
5. Organo: è un insieme di tessuti organizzati per svolgere funzioni specifiche
6. Sistemi: sono composti da diversi organi che lavorano insieme
7. Organismo: è un individuo vivente completo, autonomo e riconoscibile
8. Popolazione: è formata da un gruppo di organismi della stessa specie che vivono in una determinata area
9. Comunità biologiche: sono formate da diverse popolazioni
10. Ecosistema: comprende la comunità dei viventi e l’ambiente fisico con cui interagiscono
11. Biosfera: è composta dall’insieme di tutti i sistemi biologici

Le forme di vita sono diversificate, abbondanti e diffuse su tutta la Terra, e spaziano dai batteri microscopici alle piante giganti. Tutti gli organismi viventi condividono alcune caratteristiche di base:

1. Ordine
2. Risposta agli stimoli
3. Regolazione dell’ambiente interno
4. Acquisizione e utilizzo di energia
5. Riproduzione
6. Ereditarietà genetica
7. Evoluzione
8. Adattamento all’ambiente

1. Ordine

Il corpo di ogni animale è formato da cellule, che sono strutture ordinate e ben organizzate, riunite a loro volta in tessuti, organi e sistemi di organi che funzionano in modo coordinato a formare un organismo completo.

2. Risposta agli stimoli

La reattività è la capacità degli organismi di reagire agli stimoli provenienti dall’ambiente esterno e di mettere in atto risposte finalizzate tali da produrre un beneficio o ridurre al minimo un eventuale pericolo. Ad esempio, gli animali percepiscono, grazie a speciali organi come quelli della vista, dell’olfatto o dell’udito, vari tipi di segnali (luminosi, chimici, acustici) che indicano, per esempio, la presenza di prede o di predatori e li inducono, rispettivamente, a tentativi di cattura oppure di fuga. La reattività presuppone che gli esseri viventi abbiano movimento. Anche le piante hanno la capacità di percepire l’ambiente esterno e, pur essendo fisse al suolo, hanno la possibilità di spostare lentissimamente alcune loro parti, come le radici, alla ricerca di acqua e il fusto o le foglie, alla ricerca di luce. Alcune piante carnivore possiedono foglie modificate che intrappolano insetti. Tali attività (ricerca e competizione per l’energia, il cibo, i ripari e la riproduzione) sono definite comportamento.

3. Regolazione dell’ambiente interno

Perché un organismo possa sopravvivere è indispensabile che mantenga un certo equilibrio interno tramite meccanismi di autoregolazione, omeostasi. Ad esempio, la temperatura, il livello di idratazione, l’acidità e altri parametri corporei devono restare nell’intervallo...