Riassunto esame “Didattica delle Scienze biologiche ed ambientali”, prof. Venanzoni Roberto

Origine della vita

Se si volesse analizzare il grado di complessità della materia vivente, metteremmo al livello più basso di questa ipotetica scala gli atomi; al secondo posto avremmo le molecole, ossia l'aggregazione di due o più atomi. A un livello superiore di organizzazione, le molecole possono interagire tra loro per dare origine a strutture complesse e straordinariamente organizzate, le cellule.

Ipotesi di Oparin

La prima interessante ipotesi riguardo all'origine della vita fu elaborata dal biochimico Oparin. La comparsa della vita sulla Terra fu preceduta da una lunga serie di eventi che prende il nome di evoluzione chimica. Non si sa con precisione quali sostanze c'erano. Forse: l'ossigeno libero era quasi del tutto assente nell'atmosfera, mentre era ancora abbondante l'idrogeno e i quattro elementi (idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto) che oggi costituiscono più del 95% dei tessuti degli organismi viventi erano in qualche modo già disponibili nell'atmosfera e nelle acque.

Oltre a questi materiali grezzi, sul nostro pianeta c'era moltissima energia che si manifestava sotto forma di calore. Oparin ipotizzò che, in tali condizioni, dai gas dell'atmosfera si sarebbero potute formare grandi quantità di quelle molecole che costituiscono il materiale chimico di base dei tessuti viventi, ossia le molecole organiche; col tempo, esse si sarebbero raccolte nei mari e nei laghi del pianeta, dando origine a un «brodo primitivo».

Esperimento di Miller

La prima conferma sperimentale dell'ipotesi di Oparin venne grazie al lavoro di Stanley Miller, che costruì un apparecchio all'interno del quale simulare tali condizioni ambientali primordiali. Miller costruì un apparecchio in cui, per riscaldamento di un pallone di vetro pieno di acqua (oceano primitivo), si otteneva vapore acqueo che veniva trasferito, tramite un circuito di tubi di vetro sigillati, ad un altro pallone pieno di una miscela di gas formata da metano, ammoniaca e idrogeno (atmosfera primitiva). Due elettrodi sottoponevano a continue scariche elettriche la miscela gassosa, a simulare antichi fulmini temporaleschi. I prodotti di sintesi, condensati per raffreddamento, erano costretti, dal gioco dei tubi, ad accumularsi nel pallone contenente l'acqua.

Dopo una settimana, Miller analizzò il liquido scoprendo che circa il 15 per cento del carbonio utilizzato si era trasformato in composti organici tra cui amminoacidi, gli elementi di base delle proteine. L'esperimento di Miller ha dimostrato che composti organici importanti per la vita, la cui sintesi si riteneva essere esclusiva degli organismi viventi, si possono ottenere a partire da composti inorganici presenti nell'ambiente primordiale della Terra.

Evoluzione prebiologica

Una volta formatesi, col passare del tempo le molecole organiche sarebbero diventate via via più numerose nei mari e si sarebbero combinate dando luogo a piccoli sistemi. A questo punto, all'evoluzione chimica avrebbe fatto seguito una nuova fase del processo, che Oparin chiamò evoluzione prebiologica. Questi sistemi avrebbero imparato a scambiare materia ed energia con l'ambiente e a ottimizzare, al loro interno, l'efficienza di alcune reazioni.

Gli aggregati molecolari che avevano maggior stabilità chimica o maggior possibilità di riprodursi sarebbero, col trascorrere del tempo, aumentati di numero rispetto ad altri sistemi meno efficienti. Questo meccanismo, al quale Oparin diede il nome di protoselezione naturale per le analogie con la selezione naturale di Darwin, avrebbe favorito un aumento della complessità biochimica e, un po' alla volta, avrebbe portato all'acquisizione di un semplice metabolismo, punto di partenza di tutto il mondo vivente.

I primi organismi viventi erano cellule relativamente semplici, somiglianti ai procarioti attuali. I procarioti sono stati quindi l'unica forma di vita sul nostro pianeta prima della comparsa degli eucarioti.

Teoria endosimbiontica

La prima ipotesi della teoria endosimbiontica fu elaborata negli anni 60 dalla genetista Lynn Margulis; secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti, due organuli estremamente importanti per le attuali cellule eucariote perché forniscono loro l'energia necessaria a compiere tutte le funzioni vitali, deriverebbero da antichi procarioti che sono stati inglobati in cellule di dimensioni maggiori.

Cellule

Struttura delle cellule

Gli organismi sono costituiti da cellule: alcuni sono unicellulari, cioè formati da una sola cellula; gli altri sono detti pluricellulari. La maggior parte delle cellule mostra tutte le caratteristiche tipiche degli organismi. Esse:

• Crescono
• Si riproducono
• Sono in grado di trasformare la materia e l'energia
• Rispondono agli stimoli provenienti dall'ambiente esterno
• Mantengono il controllo del proprio ambiente interno

Dal punto di vista strutturale tra le cellule c'è una grande somiglianza. Esse:

• Hanno del materiale ereditario (il DNA) che permette loro la riproduzione
• Sono delimitate da una membrana esterna che le separa dall'ambiente circostante
• All'interno è presente il citoplasma, una sostanza semiliquida

Contemporaneamente, vi è un secondo aspetto importante: la loro varietà. La cellula di un batterio ha caratteristiche che permettono di distinguerla da quelle di un essere umano; le cellule delle piante sono molto diverse da quelle degli animali; le cellule che formano i muscoli nel nostro corpo sono completamente differenti da quelle del cervello. I diversi tipi di cellule presentano inoltre dimensioni che variano da qualche centimetro fino a grandezze molto inferiori al millimetro. Dato che quasi tutte le cellule sono molto piccole, gli organismi di grandi dimensioni sono formati da miliardi di cellule.

Una «tipica» cellula animale o vegetale ha un diametro compreso tra 0,01 mm e 0,1 mm. Le dimensioni e la forma delle cellule dipendono dalla loro funzione. Le uova di uccello sono voluminose perché contengono una grande quantità di sostanze nutritive, necessarie allo sviluppo dell'embrione. I globuli rossi del sangue umano hanno dimensioni molto ridotte per poter scorrere all'interno dei vasi sanguigni più sottili. Nel caso della dimensione delle cellule, l'unità di misura più usata è il micrometro (μm). 1 μm è la milionesima parte di un metro: 1 μm = 10⁻⁶ m. Per esprimere le dimensioni delle molecole che formano le cellule si usa un'unità di misura ancor più piccola, il nanometro (nm), che è un millesimo di micrometro: 1 nm = 10⁻⁹ m.

Le cellule procariotiche

Esistono due tipi di cellule molto differenti dal punto di vista della struttura: le cellule procariotiche e le cellule eucariotiche. La principale differenza tra le cellule di questi due tipi riguarda l'organizzazione del materiale genetico:

• Nelle cellule eucariotiche il DNA è circondato da una doppia membrana che lo separa dal citoplasma e dalle altre strutture cellulari.
• Nelle cellule procariotiche, invece, il DNA è concentrato in una zona (il nucleoide), ma non è separato dal resto della cellula.

La cellula procariotica e quella eucariotica hanno in comune la membrana plasmatica (o membrana cellulare). Essa forma un sottile confine e controlla il flusso delle molecole tra l'interno della cellula e l'ambiente esterno. Attraverso la membrana cellulare, le cellule introducono le sostanze di cui hanno bisogno e eliminano i prodotti di rifiuto. La membrana è formata principalmente da fosfolipidi, molecole organiche del gruppo dei lipidi che contengono fosforo. Inserite nel doppio strato di fosfolipidi si trovano molte proteine. Esse svolgono funzioni fondamentali per la vita della cellula, come il trasporto di sostanze attraverso la membrana. La membrana non è una struttura rigida: la maggior parte delle proteine e delle molecole di fosfolipidi può «scorrere» lateralmente.

Le cellule procariote sono le cellule degli organismi unicellulari come i batteri, mentre le cellule eucariote costituiscono invece piante, animali e l'uomo. Sostanzialmente hanno diversa struttura. La cellula procariote è di dimensioni minori ed è strutturalmente più semplice, sono prive di nucleo e quindi il DNA è libero nel citoplasma in una regione detta nucleoide che non è delimitata da membrana, sono prive di organuli come lisosomi, mitocondri, reticolo endoplasmatico e apparato del Golgi, sono unicamente presenti i ribosomi per la sintesi delle proteine. Inoltre le cellule procariote si riproducono esclusivamente con scissione binaria e non con la riproduzione sessuale che include meiosi e mitosi. La cellula eucariote invece è di dimensioni maggiori e strutturalmente più complessa. Infatti il DNA è racchiuso all'interno del nucleo, la cui membrana nucleare, separa il materiale genetico dal citoplasma della cellula. Inoltre nel citoplasma sono immersi diversi organuli, quali quelli sopra citati, adibiti a diverse funzioni. Inoltre hanno riproduzione sessuale, quindi mitosi e meiosi.

Le cellule eucariotiche degli animali

Tutti gli esseri viventi – tranne i batteri – sono costituiti da cellule eucariotiche, che sono più grandi e più complesse di quelle procariotiche appena descritte. Vi sono alcuni elementi comuni tra le cellule eucariotiche e quelle procariotiche: per esempio, entrambe possiedono una membrana plasmatica, dei ribosomi e un citoplasma. La differenza più evidente tra questi due tipi di cellule consiste nel fatto che il citoplasma delle cellule eucariotiche comprende dei compartimenti a loro volta delimitati da membrane, detti organuli. Tra gli organuli più importanti vi sono:

• Il reticolo endoplasmatico rugoso ha un aspetto granulare dovuto ai ribosomi attaccati alle membrane che lo costituiscono. È formato da una serie di sacchetti appiattiti, tra loro interconnessi. Ha funzione di sintesi (cioè di «costruzione») delle proteine, prodotte dai ribosomi.
• Il reticolo endoplasmatico liscio comunica direttamente con il reticolo rugoso. L'organulo è formato da una rete di tubuli interconnessi privi di ribosomi. Una delle funzioni principali è la sintesi dei lipidi, che servono a riparare e costruire tutte le membrane della cellula.
• I mitocondri sono circondati da due membrane, separate da uno spazio intermembrana. La membrana interna racchiude un liquido chiamato matrice mitocondriale. In questa matrice avvengono alcune delle reazioni chimiche della respirazione cellulare, il processo attraverso il quale le cellule ricavano energia.
• I lisosomi sono sacchetti chiusi che contengono proteine con funzioni digestive.
• L'apparato di Golgi è formato da una pila di sacchetti appiattiti (non collegati tra loro). L'apparato di Golgi accoglie e modifica le sostanze prodotte dal reticolo endoplasmatico.

Anche il materiale genetico – che nelle cellule procariotiche è semplicemente concentrato in una zona – in quelle eucariotiche si trova in un organulo specifico: il nucleo. Il nucleo è l'organulo più voluminoso della cellula eucariotica. Al suo interno, si trova il DNA associato a proteine. Il nucleo è avvolto dalla membrana nucleare, un doppio involucro attraversato da pori tramite i quali le sostanze entrano ed escono dal nucleo.

Le cellule eucariotiche delle piante

Tutte le cellule eucariotiche presentano un'organizzazione interna molto simile, ma esistono anche alcune differenze; in particolare, queste differenze sono evidenti tra le cellule animali e quelle vegetali. Al pari delle cellule animali, quelle vegetali presentano:

• Un nucleo, contenente il materiale genetico
• Il citoplasma
• Una membrana plasmatica
• I ribosomi
• Il reticolo endoplasmatico rugoso e quello liscio
• I mitocondri
• L'apparato di Golgi
• Il citoscheletro

Tra le principali differenze tra cellula animale e vegetale troviamo le dimensioni. Questa differenza, che è facilmente visibile al microscopio, è netta. La cellula vegetale sovrasta decisamente la cellula animale arrivando ad essere cinque volte tanto la "sorella" eucariota.

La cellula animale dal canto suo rivendica anche essa delle strutture esclusive come i centrioli, i quali intervengono al momento della duplicazione cellulare e sono responsabili di un'ordinata disposizione degli organuli cellulari e i vacuoli micropinocitici utili a inglobare goccioline di sostanze liquide chiamate pinocitosi.

In alcuni casi – per esempio nelle alghe flagellate – le cellule vegetali sono dotate di flagelli. Diversamente dalle cellule animali, le cellule vegetali presentano:

• Una parete cellulare, che circonda la membrana plasmatica. La parete è piuttosto spessa e rigida perché è costituita di cellulosa, un polisaccaride formato da molecole di glucosio. La parete cellulare protegge la cellula e contribuisce a mantenerne la forma.
• Alcuni organuli caratteristici, come il vacuolo centrale e i cloroplasti.

Il vacuolo centrale ha la forma di un sacchetto e svolge numerose funzioni:

• Agisce come un lisosoma delle cellule animali.
• Immagazzina acqua contribuendo a far aumentare le dimensioni della cellula.
• Immagazzina sia sostanze chimiche essenziali sia prodotti di rifiuto del metabolismo cellulare.

I cloroplasti sono la sede del processo della fotosintesi, cioè utilizzano la luce solare per sintetizzare zuccheri a partire da molecole inorganiche, come l'anidride carbonica e l'acqua. Il cloroplasto al suo interno è suddiviso da alcune membrane. Quelle più interne formano una serie di dischi «impilati» (chiamati tilacoidi).

Teoria cellulare

Nonostante la varietà di discipline che costituiscono la biologia e la straordinaria varietà di organismi che sono oggetto di studio, esiste un principio generale che le unifica tutte: gli esseri viventi sono fatti di cellule.

La scoperta della cellula risale al Seicento ed è dovuta a Robert Hooke. Hooke affiancò al lavoro di ricerca un'intensa attività di progettazione di strumenti scientifici; uno dei suoi risultati più famosi riguarda i perfezionamenti apportati al microscopio ottico. Grazie all'invenzione di nuove lenti e a un nuovo sistema di illuminazione, Hooke poté effettuare una serie di straordinarie osservazioni; in una di queste, egli esaminò alcune sottili fettine di sughero e notò che esse erano costituite da tante piccole «cellette» separate tra loro. Hooke chiamò queste singole unità cellule; in realtà egli stava osservando un tessuto vegetale costituito da cellule morte, che a basso ingrandimento appaiono proprio come delle cavità circondate da una parete rigida.

Negli stessi anni il danese Antoni Van Leeuwenhoek, con un microscopio da lui costruito, osservò e descrisse una grande varietà di microscopici organismi unicellulari che vivono nelle acque stagnanti. Ci vollero però più di cento anni perché le conoscenze sulle cellule facessero progressi significativi. Nel 1838 i biologi tedeschi Mathias Schleiden e Theodor Schwann, che studiavano rispettivamente la struttura dei vegetali e quella degli animali, rimasero colpiti dalle somiglianze tra le loro osservazioni e conclusero che gli elementi strutturali dei vegetali e degli animali sono fondamentalmente gli stessi.

Questa conclusione costituisce la base della teoria cellulare, uno dei principi unificanti della biologia che, nella sua forma moderna, afferma quanto segue:

• Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi.
• Tutte le cellule si formano a partire da cellule preesistenti.
• Le cellule sono simili per composizione chimica e ospitano molte delle reazioni del mondo vivente.
• Tutte le cellule sono avvolte dalla membrana plasmatica, un involucro che delimita la cellula e seleziona le sostanze che entrano ed escono.
• L'ambiente interno alla membrana è costituito da una miscela di acqua e di altre sostanze chiamata citoplasma in cui avvengono moltissime reazioni chimiche.
• Tutte le cellule posseggono un proprio materiale genetico, che contiene le informazioni ereditarie necessarie alla cellula per svilupparsi, accrescersi e riprodursi.

Tutti i viventi sono costituiti da cellule per la cui osservazione occorrono strumenti appositi. A partire dalla seconda metà del Seicento le tecniche di microscopia sono migliorate considerevolmente e la capacità di ingrandimento degli strumenti è cresciuta enormemente.

Teoria dei geni

I geni sono i portatori del genoma, presenti nei cromosomi costituiti a loro volta in DNA, contenuto nel nucleo di ciascuna cellula. Gli studi sull'ereditarietà che si svolgevano in quel periodo avevano portato alla cosiddetta teoria della mescolanza che si basava su due presupposti fondamentali, di cui uno si è rivelato corretto mentre l'altro errato: i due genitori danno un uguale contributo alle caratteristiche della prole (presupposto corretto); nella prole i fattori ereditari si mescolano (presupposto errato).

Per i suoi esperimenti Mendel scelse le piante di pisello. La sua scelta fu dettata da precise ragioni: i piselli sono facili da coltivare, è possibile tenerne sotto controllo l'impollinazione e ne esistono più varietà con caratteri chiaramente riconoscibili e forme nettamente differenti nell'aspetto. Mendel eseguì diverse serie di incroci. Nella prima parte del suo lavoro egli decise di considerare l'ereditarietà di un solo carattere per volta in un grande numero di piantine. I risultati ottenuti nella generazione F1 possono essere riassunti nella prima legge di Mendel, o legge della dominanza: gli individui ibridi della generazione F1 manifestano solo uno dei tratti presenti nella generazione parentale.