idee e linguaggi delle scienze della vita

Idee e linguaggi delle scienze e della vita

Idee fondamentali della biologia contemporanea

Vita, cellula, fecondazione, embrione, gene...

Linguaggi usati

Parola scritta (anche metafore), immagini, linguaggio dei numeri, matematica. Idee spesso descritte usando termini presi a prestito da altre discipline (alfabeto, codice, programma, circuito, eredità, patrimonio, selezione, ...).

Astro-biologia

Studia cos'è la vita per cercarla su altri pianeti. Ha a che fare con il problema dell’origine della vita, su cui ci si pone domande sin dall’età dei greci.

Non ci può essere scienza senza comunicazione: se uno scienziato fa una scoperta, questa va comunicata altrimenti non ha senso.

Una prospettiva storica

Può aiutare a capire la biologia perché:

• I dibattiti attuali su questioni biologiche hanno una storia molto antica, e quindi questa va capita.
• La storia potrebbe aiutare persone comuni ad avvicinarsi ad idee che altrimenti sembrerebbero "aride" e complesse.

Lamarck

Il primo a parlare del fatto che gli organismi viventi nel tempo cambiano e si trasformano → evoluzione.

Epigenetica

Influenza che ambiente e dieta hanno sul patrimonio genetico.

Storia per problemi

Si prende un’idea (es. storia dell’ereditarietà); questa ha una lunga storia quindi ha avuto molte influenze nel corso del tempo (es. Aristotele → quello che pensava lui dipendeva dalle credenze del suo tempo). Quindi per capire un problema bisogna analizzarlo in un preciso momento della storia considerando quanto veniva influenzato da tutto il resto. Quindi bisogna chiedersi: “in quell’epoca cosa stava succedendo?”, “perché c’è questa idea?”. Tuttavia, si rischia di cadere in anacronismi, ovvero cercare a tutti i costi i precursori di una determinata idea, proiettando il presente nel passato.

Storia per periodi

Isolare un periodo (es. biologia dei greci), però rischio di perdere lo sviluppo di una determinata idea nel corso dei secoli.

Caratteristiche distintive degli organismi viventi

Per comprendere se e in che senso si possa parlare di vita artificiale o di vita sintetica bisogna, come dice Boncinelli, analizzare cosa si intende per vita, problema che ha interessato l’umanità da secoli.

Che cos’è un essere vivente?

Tentativo di risposta formulato da Boncinelli: un essere vivente si identifica con una certa quantità di materia organizzata, limitata nel tempo e nello spazio, capace di metabolizzare, riprodursi e evolvere.

1650 circa: nascita scienza moderna, con Galileo, la Royal Society, ecc. La scienza moderna non si fa più le grandi domande, che vengono relegate ai filosofi. I grossi problemi vengono divisi in piccole questioni che possono essere indagate sperimentalmente.

• Costituita da materia organizzata (i cui criteri ordinativi, sappiamo, sono definiti e controllati dal patrimonio genetico)
• Limitata nel tempo, perché se si parla di vita si parla anche di morte. La morte vale però per gli organismi fatti di più cellule, come si può vedere nel disegno: gli organismi più semplici si riproducono.
• Ogni essere vivente è limitato nello spazio, non esiste il concetto di infinito per questi.
• Ha la capacità di conservare la sua organizzazione metabolizzando materia ed energia.
• Ha la capacità di riprodursi. Però un cristallo può riprodursi da sé, quindi la capacità di riprodursi in realtà non è propria solo degli esseri viventi.
• Ha la capacità di evolvere, cioè cambiare nel tempo.

Schema di Boncinelli

Cellularità: non conosciamo nessuna forma di vita che non sia una cellula. La cellula è l’elemento comune a tutte le forme di vita.

u= unicellulari
u/p= esistono funghi unicellulari e pluricellulari
Eu= vero
Archi= vecchi

Oggi noi pensiamo che gli archibatteri siano dei discendenti delle prime forme di vita che ci sono state sulla terra.

Grossa rivoluzione dell’800, impostata da Lamarck e portata a termine da Darwin: introduzione del fenomeno TEMPO nello studio della vita.

(pro)virus= virus integrati nel DNA

I virus: caratteristiche generali

Un virus è un involucro fatto di proteine con dentro un acido nucleico, cioè il materiale genetico (DNA/RNA). Quando deve riprodursi infetta una cellula, lascia fuori l’involucro e manda dentro il suo DNA che dà le istruzioni per fare altri virus. Questi poi escono, uccidendo la cellula, e così ricomincia il ciclo.

Ciclo litico e lisogeno:

I principali gruppi virali utilizzano meccanismi di riproduzione specifici che si possono ricondurre a due modalità principali: ciclo litico e ciclo lisogeno. Mentre il ciclo litico è presente in tutti i virus, il ciclo lisogeno è presente solo in alcuni virus.

Ciclo litico: nel ciclo litico la cellula ospite diventa una fabbrica di virus. Dopo l’ingresso nella cellula ospite, l’acido nucleico e le proteine virali sono prodotti rapidamente sfruttando le strutture e l’energia della cellula. La cellula ospite si rompe e le particelle virali sono liberate all’esterno.

Ciclo lisogeno: il genoma virale si integra nel cromosoma ospite. Il genoma virale si duplica durante il processo di duplicazione della cellula ospite. Quando questa si divide, quindi, trasmette alle cellule figlie anche il DNA virale. Dopo migliaia di divisioni cellulari, il DNA virale può attivarsi, staccandosi dal cromosoma e dando inizio a un ciclo litico. Il genoma virale integrato è chiamato provirus.

Virus + cellula infettata → così è un organismo vivente.

Prione= fatto solo da proteine, non ha DNA né RNA. Però in certe condizioni può fare delle copie di se stesso infettando gli esseri viventi.

I virus permettono di riciclare i nutrienti delle cellule: distruggendo queste rimettono in circolazione ciò di cui sono fatte.

Complessità ed organizzazione

I sistemi viventi sono mediamente infinitamente più complessi di quelli del mondo degli oggetti inanimati. La complessità dei viventi esiste a ogni livello, dal nucleo (con il suo programma di DNA), alla cellula, a ogni sistema al livello degli organi, all’individuo, all’ecosistema o alla società → Mayr

Livelli di organizzazione

Universo, galassie, sistemi solari, terra, biosfera, biomi, ecosistemi, comunità, popolazioni, organismi, organi, tessuti, cellule, strutture subcellulari, macromolecole, molecole, atomi.

Per studiare ogni sistema servono degli strumenti diversi; ogni livello non ha necessariamente le informazioni per determinare come sarà il livello successivo. Ad esempio, una cellula muscolare non dà l’idea di come è fatto un muscolo, di come sono organizzate le cellule. Questo giustifica le varie discipline che ci sono nella biologia.

Riduzionismo ed emergenza/olismo

La riduzione spiega il complesso con il semplice; afferma che non si può comprendere il tutto finché non lo si analizza nelle sue componenti, e di nuovo queste componenti nelle loro componenti. Nei fenomeni biologici questo significherebbe ridurre lo studio di tutti i fenomeni al livello molecolare. Però i livelli inferiori forniscono soltanto delle informazioni limitate sulle caratteristiche e sui processi dei livelli superiori.

Emergenza: ad ogni livello emergono nuove proprietà che hanno origine dalla disposizione degli elementi. I sostenitori riconoscono che gli organismi non possono essere studiati solo come un tutto, ma affermano anche che il riduzionismo è insufficiente.

I sistemi viventi non hanno una complessità casuale, ma sono altamente organizzati. → Mayr

Sono composti di parti che compiono una funzione, cioè hanno uno scopo determinato. Come se ci fosse, negli organismi, un disegno o un piano di lavoro che li conduce a compiere azioni finalizzate. → Kant

Finalizzate in ultima istanza alla sopravvivenza ed alla riproduzione. → Boncinelli Le varie parti di un organismo sono legate l’una all’altra per uno scopo più grande (correlazione) → Aristotele

Riproduzione

Gli esseri viventi hanno una vita limitata nel tempo e se non si riproducessero, dopo un po’ tutto sarebbe finito (Boncinelli). In un essere vivente tutto è organizzato in vista della riproduzione. Essa è la causa dell’esistenza di un essere vivente e ne diventa anche il fine: esso è condannato a riprodursi o a sparire (Jacob).

Gli organismi più semplici si riproducono in solitudine ed in maniera autonoma (riproduzione asessuata). Nella maggioranza degli organismi viventi si è invece stabilita la riproduzione sessuata, in cui i figli nascono dall’unione di due organismi. La riproduzione sessuata, mescolando i gameti di due individui diversi, permette di aumentare la variabilità degli organismi figli (Boncinelli).

Il DNA nucleare, cioè contenuto nel nucleo, contiene tutti i geni e le istruzioni per ricreare organi e tessuti; lo si eredita da entrambi i genitori. Il DNA mitocondriale contiene 37 geni coinvolti nella produzione di proteine che permettono alle cellule di respirare e se difettosi sono responsabili di malattie gravi; lo si eredita solo per via materna.

Evoluzione

Riprodursi significa anche evolvere. L’evoluzione è possibile solo grazie alla presenza di organismi diversi fra loro, appartenenti ad una stessa popolazione. Questa diversità si genera durante il processo riproduttivo, per mutazione e ricombinazione del materiale genetico. La mutazione infatti è spesso generata da errori durante la copia del materiale genetico.

La produzione di individui diversi non basta per evolvere; occorre che alcuni di questi si affermino e si sostituiscano agli individui di prima.

La maggior parte degli organismi, soprattutto quelli invisibili ad occhio nudo, possono riprodursi senza sesso. La riproduzione asessuata è semplice e diretta e dà origine a degli individui geneticamente identici (cloni) all’organismo genitore.

La riproduzione sessuata, invece, coinvolge il mescolamento di genomi provenienti da due individui per produrre una progenie i cui individui sono distinti l’uno dall’altro e da entrambi i genitori. Tra i vantaggi della riproduzione sessuata c’è il fatto che la variabilità della progenie permette di adattarsi più facilmente ad eventuali variazioni dell’ambiente da una generazione all’altra.

I batteri si riproducono mediante la divisione cellulare e la divisione di un batterio richiede 20-25 minuti.

Anche molte piante si riproducono asessualmente, formando protuberanze che poi si staccano e diventano piante indipendenti.

La riproduzione sessuale avviene negli organismi diploidi, nei quali ogni cellula contiene due set di cromosomi, ognuno ereditato da un genitore.

A differenza delle altre cellule in un organismo diploide, le cellule che realizzano la riproduzione sessuale (cellule germinali o gameti), sono aploidi, cioè contengono ciascuna un set di cromosomi. Tipicamente sono prodotti due tipi di gameti; negli animali uno è grande ed immobile (uovo), l’altro è piccolo e mobile (spermatozoo).

Nella fecondazione i gameti si fondono per formare una cellula diploide, lo zigote. Sebbene solitamente molti spermatozoi si attaccano ad un singolo uovo, solo uno lo feconderà.

Si pensa che la riduzione periodica di un organismo, per riprodursi sessualmente, a una singola cellula (il gamete) sia stata selezionata nel corso dell’evoluzione perché avrebbe conferito un vantaggio: liberarsi dai parassiti veri e propri e dalle mutazioni che si sono inevitabilmente accumulate nelle cellule dell’organismo (le cellule somatiche) che sono andate incontro a molti cicli di divisione.

I gameti si generano quando una cellula diploide va incontro a quella forma di divisione cellulare molto specializzata che è la meiosi, in cui il doppio set di cromosomi è diviso, in nuove combinazioni, in singoli set di cromosomi.

Per la maggior parte degli animali multicellulari l’intero ciclo vitale si svolge in pratica nella sola fase diploide. Quindi può essere fatta una distinzione (Weismann):

• Le cellule della linea germinale (o germe) dalla quale deriverà la successiva serie di gameti
• Le cellule somatiche, che formano il resto del corpo e alla fine non lasciano progenie in quanto il corpo (il soma) muore

Quindi le cellule somatiche esistono solo per assistere le cellule della linea germinale a sopravvivere e propagarsi.

Il ragionamento di Weismann fu basato su considerazioni di tipo evolutivo, come la maggior parte delle spiegazioni della biologia attuale. La chiave del problema, quindi, è nel riconoscere che ciò che solamente conta, per assicurare la continuità delle generazioni, è l’immortalità delle cellule germinali.

Con IMMORTALITÀ si intende la capacità di compiere la divisione cellulare un numero illimitato di volte. Si riconosce quindi la continuità della linea cellulare che, a partire dall’uovo fecondato, forma le cellule sessuali, che a loro volta forniscono l’eventuale punto di partenza della generazione seguente, nella quale si ripete lo stesso processo. Tuttavia questa immortalità è solo potenziale e parziale perché non tutti gli organismi si riproducono.

Weismann aveva notato che la continuità della linea germinale è indispensabile non solo alla conservazione della specie, ma anche a quella della vita.

QUINDI il ciclo di riproduzione sessuale coinvolge un’alternanza di cellule aploidi, ognuna contenente un singolo set di cromosomi, e generazioni di cellule diploidi, ognuna contenente due set di cromosomi.

Il MESCOLAMENTO DEI GENOMI che caratterizza la riproduzione sessuale viene ottenuto mediante la fusione di due cellule aploidi a formare una cellula diploide.

In questo modo, attraverso cicli di diploidia, meiosi, apolidia e fusione cellulare, vecchie combinazioni di geni sono disfatte e nuove combinazioni vengono create, generando così la variabilità genetica che è, insieme alle mutazioni che avvengono in ciascun set di cromosomi, alla base della capacità degli organismi di evolvere.

Necessità degli organismi di rinnovare se stessi

Ogni parte del nostro corpo è in continuo ricambio, hanno una vita limitata e vengono continuamente sostituite (o cellule intere o pezzi contenuti al loro interno). Quindi deve essere necessaria una energia esterna che permetta questo processo, il quale “costa”. Questo è, probabilmente, un meccanismo di sicurezza perché tutto va incontro ad un processo di degradazione nel tempo; quindi le cellule si rinnovano anche se non sono danneggiate. Il “costante” che noi vediamo (stato stazionario) è il risultato di un processo di distruzione e uno di ricostruzione.

Per mantenere l’organizzazione della cellula è necessario un apporto di energia dall’esterno, che proviene dall’alimentazione, che per noi animali è il cibo. Il cibo è composto da materia ed energia; la materia serve perché nel processo di demolizione parte viene buttata via; attraverso la demolizione di materia organica si ottiene l’energia. Quindi la materia ha una duplice funzione nell’alimentazione: dà i “mattoni” e l’energia.

QUINDI ogni organismo vivente per conservare la sua organizzazione deve metabolizzare materia ed energia; questo dipende dal fatto che la materia vivente è organizzata in una certa maniera e non può rimanere tale senza un continuo dispendio di energia.

Uno dei processi mediante i quali le cellule ricambiano i vari componenti è l’AUTOFAGIA. Yoshinori Ohsumi ha vinto il Nobel per il suo lavoro sull’autofagia: cellula si auto-demolisce e si auto-elimina (non tutta, solo alcune strutture). Questo processo è altamente regolato e dipende dall’informazione all’interno del DNA. Questo è legato a diverse condizioni spesso patologiche dell’uomo, ad esempio le infezioni da parte di virus o batteri. Se questo processo non funziona, la cellula non può eliminare gli organismi estranei. Mangiare meno stimola le cellule a compiere l’autofagia, perché non hanno niente dall’esterno e quindi utilizzano se stesse per sopravvivere.

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Questo insieme di processi che mantiene in funzione e demolisce le strutture cellulari si chiama metabolismo; al suo interno distinguiamo l’anabolismo (costruzione di nuove molecole complesse a partire da quelle più semplici) e catabolismo (distruzione, scomposizione delle molecole complesse nei loro costituenti elementari).

METABOLISMO = complesso di processi che a spese di una certa quantità di materia e di energia mette insieme e tiene in funzione tutte le strutture biologiche di un organismo. Mediante il metabolismo la materia e l’energia prelevate dall’ambiente circostante vengono trasformate ed utilizzate per edificare le strutture biologiche dell’organismo facendole funzionare. Viene quindi mantenuta l’organizzazione del vivente.

Negli organismi pluricellulari il metabolismo consente di conservare un equilibrio interno, mantenendo il più possibile costanti le caratteristiche interne, indipendentemente dalle variazioni esterne.