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:

1. i dibattiti attuali su questioni biologiche hanno una storia molto

antica, e quindi

questa va capita.

2. 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?”,

“perchè c’è questa idea?”.

Però 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

Isolo 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 ed

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.

Il primo organismo vivente è comparso 3.7 miliardi di anni fa.

• 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 (vedi disegno)

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

Il discorso della morte vale per gli organismi 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.

1. Complessità ed organizzazione

I sistemi viventi sono mediamente infinitamente più complessi di

quelli del mondo degli oggetti inanimati. La complessità dei viventi

esiste ad 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.

I filosofi parlano di due approcci: riduzionismo e 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 le 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 IMMORTALITA’ 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 interi 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.

Mangiando meno le cellule sono stimolate a compiere l’autofagia,

perché non hanno niente dall’esterno e quindi utilizzano se stesse

per sopravvivere.

www.nobelprize.org

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.

Questo avviene anche all’i