Riassunto Biologia (60 pag.)

I tre temi fondamentali della biologia

Evoluzione

Le popolazioni di organismi si sono evolute nel tempo a partire da forme di vita primordiali.

Trasmissione delle informazioni

Le informazioni devono essere trasmesse all'interno degli organismi e tra gli organismi.

Energia necessaria per la vita

Tutti i processi vitali richiedono un continuo apporto di energia.

Organismi viventi e cellule

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule. Le forme di vita più semplici sono costituite da un'unica cellula e vengono chiamati unicellulari, mentre gli organismi più complessi sono formati da miliardi di cellule e vengono chiamati pluricellulari.

Ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica che la separa dall'ambiente circostante. Le cellule contengono molecole specializzate che contengono il DNA.

Le cellule sono fornite di strutture interne chiamate organelli, specializzati per funzioni precise. Esistono due tipi di cellule:

• Cellule procariotiche: costituite da batteri e organismi. Non possiedono nucleo.
• Cellule eucariotiche: contengono varietà di organelli, circondati da una membrana, incluso un nucleo che contiene DNA.

Il metabolismo e l'omeostasi

In tutti gli esseri viventi avvengono reazioni chimiche e trasformazioni essenziali per la nutrizione, crescita, riparazione cellulare e trasformazione dell'energia che prendono il nome di metabolismo. Le reazioni in un organismo avvengono di continuo e devono essere regolate per mantenere l'omeostasi, ovvero uno stato di equilibrio interno.

Risposta agli stimoli

Tutti gli organismi rispondono agli stimoli che avvengono nel loro ambiente interno o esterno. Gli stimoli nella maggior parte degli organismi sono: cambiamenti di colore e temperatura, pressione e suono.

Normalmente le risposte coinvolgono il movimento. Per muoversi da una parte ad un'altra, alcuni organismi usano delle minuscole estroflessioni della cellula chiamate ciglia o flagelli.

Riproduzione degli organismi

Negli organismi semplici come ad esempio l'ameba, la riproduzione è asessuata. Quando raggiunge una certa dimensione, si riproduce dividendosi in due parti che formano due nuove amebe. Nella riproduzione asessuata, la prole è identica al singolo genitore.

Nella maggior parte dei vegetali e animali, la riproduzione è sessuata e avviene con la produzione di cellule specializzate, uova e cellule spermatiche, che si uniscono per formare un uovo fecondato, dal quale si sviluppa il nuovo organismo.

Adattamento ed evoluzione

La capacità di una popolazione di evolversi e di adattarsi all'ambiente le permette di sopravvivere in un mondo a continui cambiamenti. L'adattamento migliora la capacità di un organismo di sopravvivere in un particolare ambiente.

Livelli di organizzazione biologica

Il livello chimico comprende atomi e molecole. Un atomo è la più piccola unità di un elemento chimico che ha in sé le proprietà caratteristiche di quell'elemento. Gli atomi si combinano chimicamente per formare molecole. Diversi atomi e molecole possono associarsi per formare le cellule.

La cellula è il componente della materia vivente in grado di svolgere tutte le attività necessarie per la vita. Negli organismi pluricellulari, le cellule si sono associate per formare i tessuti. I tessuti, a loro volta, si associano in strutture chiamate organi, mentre un gruppo di tessuti ed organi costituisce un sistema di organi. I sistemi di organi costituiscono un organismo pluricellulare complesso.

Il DNA

Il DNA o acido desossiribonucleico è una grande molecola che costituisce i geni, contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine, molecole indispensabili per lo sviluppo e il corretto funzionamento della maggior parte degli organismi. Una molecola è costituita da due catene di atomi avvolte a formare un elica. Ogni catena è costituita da nucleotidi. Esso contiene il metodo per creare proteine necessarie all'organismo. Il DNA codifica le proteine. Le proteine sono grosse molecole che determinano la struttura e la funzione delle cellule e dei tessuti.

Le cellule usano le proteine e altre molecole per comunicare, producono composti chimici detti ormoni che trasmettono segnali ad altre cellule.

Teoria dell'evoluzione

La teoria dell'evoluzione spiega come le popolazioni sono cambiate nel tempo, ovvero definire come il processo mediante il quale le popolazioni di organismi cambiano nel tempo.

Nomenclatura degli organismi

Il botanico Carlo Linneo elaborò un metodo di nomenclatura e classificazione gerarchico. L'unità di base della classificazione è la specie, un gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamenti simili.

Una specie è costituita da una o più popolazioni i cui membri sono capaci di accoppiarsi gli uni con gli altri. I membri di una popolazione hanno geni comuni e derivano da un antenato comune.

La maggior parte dei biologi assegna normalmente agli organismi 3 domini e 6 regni. Esistono due gruppi distinti di procarioti: Bacteria ed Archaea. Gli organismi eucarioti sono classificati nel dominio Eukarya.

Ogni organismo viene assegnato ad uno dei 6 regni. Ai domini dei procarioti corrispondono due regni: il regno Archaea e il regno Bacteria. I restanti 4 regni sono assegnati al dominio Eukarya. Al regno Protista appartengono i protozoi, le alghe, le muffe d'acqua. Al regno Plantae corrispondono organismi pluricellulari. Il regno Fungi è composto da lieviti, muffe e funghi. Il regno Animalia è formato da organismi pluricellulari che devono mangiare altri organismi per trarne nutrimento.

Tre domini e sei regni

• Tre domini: Bacteria, Archaea, Eukarya
• Sei regni: Bacteria, Archaea, Protista, Plantae, Animalia, Fungi

L'energia della vita

Tutti i processi chimici e le trasformazioni energetiche che avvengono nelle cellule prendono il nome di metabolismo. Ciascuna cellula di un organismo richiede nutrienti che contengono energia. Parte del nutrimento è utilizzata come carburante per la respirazione cellulare.

Così come i singoli individui, anche gli ecosistemi dipendono da un apporto di energia. Un ecosistema è costituito da 3 organismi: produttori, consumatori e decompositori e da un ambiente fisico appropriato per la loro sopravvivenza. I produttori sono piante, alghe e batteri che possono produrre il loro cibo da materiale semplice. La maggior parte di questi organismi utilizza la luce solare come fonte di energia ed attua la fotosintesi.

Gli animali sono consumatori, organismi che dipendono dai produttori per cibo, energia e ossigeno. I consumatori contribuiscono al mantenimento dell'equilibrio dell'ecosistema, producendo anidride carbonica per i produttori.

La maggior parte di batteri e funghi sono decompositori, organismi che ottengono il nutrimento dalla degradazione di materiali organici non viventi, come rifiuti, foglie e rami morti. Se non esistessero i decompositori, le sostanze nutritive rimarrebbero intrappolate negli organismi morti e gli elementi necessari ai viventi sarebbero esauriti.

Consumatori e decompositori sono eterotrofi, ovvero organismi che dipendono dai produttori per l'energia, il cibo e l'ossigeno. I produttori sono autotrofi, che generano il loro stesso cibo.

Atomi e molecole

Gli elementi sono sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici mediante reazioni chimiche ordinarie. Gli scienziati hanno assegnato a ciascun elemento un simbolo chimico. Sono quattro gli elementi (ossigeno, carbonio, idrogeno ed azoto) che costituiscono più del 96% della massa della maggior parte degli organismi.

L'atomo è la più piccola porzione di un elemento che mantiene tutte le proprietà chimiche di quell'elemento. L'atomo è molto più piccolo di qualsiasi particella visibile al microscopio ottico. I componenti degli atomi sono minuscole particelle di materia note come particelle subatomiche. Queste particelle sono essenzialmente 3: elettroni, protoni e neutroni.

Un elettrone è una particella che possiede una carica elettrica negativa unitaria, un protone possiede una carica positiva unitaria, un neutrone è una particella priva di carica. L'insieme dei protoni e neutroni costituisce il nucleo atomico o numero di massa. Il numero atomico invece costituisce il numero di protoni ed elettroni. Gli elettroni non hanno una collocazione fissa e si muovono nello spazio che si trova intorno al nucleo atomico. Ciascun elemento ha nel nucleo atomico un numero fisso di protoni. Tale numero è chiamato numero atomico. Nella tavola periodica, gli elementi sono sistemati in un ordine che dipende dal loro numero atomico.

Gli isotopi

La maggior parte degli elementi è costituita da una miscela di atomi che hanno un numero diverso di neutroni e perciò massa differente. Tali atomi sono chiamati isotopi. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni mentre varia il numero di neutroni.

Ad esempio, i tre isotopi dell'idrogeno contengono: 1 H (idrogeno comune), 2H (deuterio) di cui 1 neutrone e 3H (trizio) di cui 2 neutroni.

Gli elettroni e gli orbitali

Gli elettroni si muovono in particolari regioni di spazio dette orbitali. Ciascun orbitale contiene al massimo 2 elettroni. Elettroni posti in orbitali con energie simili si dice che hanno lo stesso livello energetico principale e costituiscono un guscio elettronico. Elettroni che occupano un guscio elettronico distante dal nucleo hanno maggiore energia di quelli che occupano gusci vicini al nucleo perché è necessaria maggiore energia per allontanare un elettrone carico negativamente dal nucleo che è carico positivamente. Elettroni con maggiore energia occupano il guscio di valenza più esterno.

Le reazioni chimiche

Il guscio di valenza dell'idrogeno o dell'elio è completo quando contiene 2 elettroni, mentre di tutti gli altri atomi è completo se ne contiene 8. Gli elementi che si trovano nella stessa colonna verticale ovvero nello stesso gruppo della tavola periodica hanno proprietà chimiche simili, in quanto i loro gusci di valenza tendono a cedere, acquisire o condividere elettroni.

Atomi, composti e molecole

Due o più atomi possono combinarsi chimicamente. Quando atomi diversi si combinano il risultato è un composto chimico. Un composto chimico consiste di due atomi o più elementi differenti. Per esempio, l'acqua è un composto chimico costituito da due molecole di idrogeno e una di ossigeno. Quando due o più atomi si combinano si formano unità chiamate molecole.

Formule chimiche

• Formula semplice: i numeri in pedice forniscono il rapporto tra gli atomi presenti in un composto.
• Formula molecolare: i numeri in pedice indicano il numero reale di ogni tipo di atomo nella molecola.
• Formula di struttura: mostra l'organizzazione reciproca.

Mole e massa molecolare

La massa molecolare di un composto è la somma delle masse atomiche degli atomi che compongono ogni molecola: la massa dell'acqua H₂O corrisponde a (idrogeno: 2*1 uma) + (ossigeno: 1*16 uma), ovvero 18 uma. La mole (mol) è la quantità di composto la cui massa in grammi è equivalente alla massa atomica o molecolare. 1 mole di acqua è 18 grammi e una mole di glucosio ha una massa di 180 grammi. Il numero di unità in una mole è noto come numero di Avogadro.

I legami chimici

Gli atomi di una molecola sono tenuti insieme da forze attrattive chiamate legami chimici. Ciascun legame chimico rappresenta una certa quantità di energia potenziale. L'energia di legame è l'energia necessaria per rompere tale legame.

Legame covalente

I legami covalenti comportano la condivisione degli elettroni tra gli atomi, in modo che ogni atomo ha la sua configurazione elettronica esterna completa. Una molecola è costituita da atomi uniti mediante legami covalenti. I due atomi di idrogeno condividono i loro unici elettroni in modo tale che essi vengano attirati dai due protoni presenti nei nuclei dei due atomi di idrogeno. I due elettroni ruotano intorno ad entrambi i nuclei, tenendo uniti i due atomi. Quindi i due atomi di idrogeno raggiungono la loro stabilità condividendo due elettroni formando così una molecola di idrogeno.

Legame covalente doppio

Talvolta, per raggiungere l'ottetto, due atomi devono condividere due coppie di elettroni. In tal caso nella molecola si viene a formare un doppio legame che viene rappresentato da due trattini. Prendiamo come esempio la molecola dell'ossigeno O₂. Secondo la teoria di Lewis, due atomi di ossigeno, ciascuno con sei elettroni nel livello esterno, quando formano la molecola dell'ossigeno O₂, mettono in comune due elettroni ciascuno, per cui ogni atomo arriva alla configurazione ad ottetto. Nella molecola è presente un doppio legame che viene rappresentato mediante due trattini posti tra i simboli chimici dei due atomi (O = O). Un legame doppio è più forte e più corto di un legame covalente singolo.

Legame covalente triplo

Due atomi di azoto, ciascuno con cinque elettroni nel livello esterno, quando formano la molecola N₂, mettono in comune tre elettroni ciascuno, pertanto ogni atomo raggiunge la configurazione ad ottetto. Il legame che si forma è un triplo legame che viene rappresentato con tre trattini posti tra i simboli chimici dei due atomi. Un legame triplo è più forte e più corto di un legame doppio.

Legami covalenti polari e apolari

Gli atomi di elementi differiscono per la loro affinità degli elettroni. L'elettronegatività è la misura dell'attrazione di un atomo per gli elettroni all'interno dei legami chimici. Se gli atomi hanno elettronegatività uguale, gli elettroni sono condivisi in maniera equivalente e il legame viene detto apolare. Il legame covalente tra atomi con elettronegatività diversa viene chiamato legame covalente polare.

Legami ionici

Alcuni atomi o gruppi di atomi non sono neutri. Una particella con una o più carica elettrica è detta ione. Se un atomo ha 1, 2 o 3 elettroni nel guscio esterno tende a cederli ad altri atomi. Questi ioni carichi positivamente vengono detti cationi. Gli atomi che hanno 5, 6 o 7 elettroni di valenza tendono ad accettare elettroni da altri atomi e a diventare anioni carichi negativamente.

Legami a idrogeno

Quando l'idrogeno si combina con l'ossigeno, su di esso si accumula una parziale carica positiva. I legami a idrogeno si formano e si rompono rapidamente. Sebbene ogni legame sia relativamente debole, se presenti in gran numero, i legami a idrogeno sono forti.

Reazioni redox

Ossidazione e riduzione sono due processi che avvengono sempre insieme. L'ossidazione si manifesta come aumento del numero di ossidazione di una specie chimica, in genere dovuto ad una cessione di elettroni da parte della specie considerata. Riduzione: si manifesta come una diminuzione del numero di ossidazione di una specie chimica, in genere dovuta ad un'acquisizione di elettroni da parte della specie.

L'acqua

La maggior parte degli organismi è costituita soprattutto da acqua. Nei tessuti umani, la sua percentuale va dal 20% delle ossa all'85% delle cellule cerebrali. Circa il 70% del peso corporeo è dovuto all'acqua e può arrivare al 95% nelle meduse ed in alcune piante acquatiche. Dall'acqua, attraverso la fotosintesi, si genera l'ossigeno che respiriamo ed i suoi atomi di idrogeno sono incorporati in molti composti organici. L'acqua è anche uno dei principali fattori ambientali che ne influenzano l'esistenza.

Legami a idrogeno tra molecole d'acqua

Le molecole d'acqua sono polari, hanno un'estremità con una parziale carica positiva e l'altra con parziale carica negativa. Nello stato liquido o solido sono tenute insieme tramite legami a idrogeno. L'atomo di idrogeno di ogni singola molecola d'acqua, con la sua parziale carica positiva, viene attratto dall'atomo di ossigeno, con carica parziale negativa, di una molecola vicina: si viene a formare il legame a idrogeno. Le molecole d'acqua grazie ai legami a idrogeno, hanno una forte tendenza ad attaccarsi le une alle altre, sono cioè coesive. I legami a idrogeno si rompono e si formano ogni volta che l'acqua passa da uno stato a un altro.

L'acqua contribuisce a mantenere costante la temperatura

L'aumento di temperatura di una sostanza comporta un apporto di energia termica che fa muovere le sue molecole con maggiore velocità, ovvero aumenta l'energia di movimento, detta energia cinetica. Il calore si riferisce alla quantità di energia cinetica presente in una certa sostanza; la temperatura invece è la misura dell'energia cinetica media. Il calore di evaporazione rappresenta la quantità di energia necessaria per far passare 1 grammo di una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso; viene espresso in calorie. La caloria è la quantità di energia termica necessaria per innalzare di 1 grado Celsius la temperatura di un grammo d'acqua (calore specifico).

Acidi, basi e sali

Una caratteristica delle molecole d'acqua è la loro bassa tendenza a ionizzarsi, ovvero a dissociarsi in ioni idrogeno (H⁺) e ioni idrossido (OH^-). Un acido è una sostanza che in soluzione si dissocia producendo ioni H⁺ ed anioni.