Sistemi e metabolismi

La Rete della Vita

Il clima è sempre cambiato nel tempo

1. Oscillazioni: spostamenti nelle posizioni delle celle di alta e bassa pressione
2. Variazioni di temperatura: associate a cambiamenti della forma dell'orbita terrestre, dell'inclinazione del suo asse e del suo orientamento rispetto agli altri corpi celesti
3. Variazioni delle superfici dei ghiacci

• I cambiamenti evolutivi sono documentati nei reperti fossili che dimostrano come la vita sulla Terra sia cambiata nell'arco di lunghi periodi storici. Essi documentano 5 estinzioni di massa in cui moltissime specie terrestri si estinse: l'ultima estinzione risale a 65 milioni di anni fa e potrebbe essere stata causata da un asteroide che, colpendo la Terra, determinò cambiamenti ambientali da causa della scomparsa dei dinosauri.

Se in passato le estinzioni erano causate da fattori soprattutto naturali oggi è soprattutto l'uomo ad influire su di esse, a causa del suo notevole impatto ambientale. È detta Antropocene l'era geologica in cui le principali cause delle modifiche territoriali, strutturali e climatiche del nostro pianeta sono attribuite all'uomo e le sue attività.

Il Periodi di Stinas è un abete rosso delle Alpi cambelle, definito l'albero più sfruttato del mondo (l'albero più vicino si trova a 200 Km di distanza, nella Nuova Zelanda) e esso porta con se anche delle ferite infertè dall'uomo alla Terra, nei suoi anelli sono contenuti molti isotopi di carbonio riconducibili ai test nucleari condotti dall'uomo tra 1950 e 1960. Il picco del 1965 ha spinto gli studiosi a fissare a quell'anno il Golden Spike, ossia il passaggio dall'era dell'Olocene a quella dell'Antropocene

• Il tasso di estinzione attuale è dalle 100 alle 1000 volte maggiore rispetto al tasso biologico stimato dai dai fossili. Se in passato la vita media di mammiferi/uccelli era compresa fra 1 e 10 milioni di anni, nel 20º secolo si è ridotta a 100 anni.
• La crescita demografica dell'uomo è uno dei fattori alla base dell'impatto che osserviamo:

L'uomo deve fronteggiare sfide e necessità

1. Preservane gli ecosistemi e la biodiversità
2. Uso sostenibile delle risorse
3. Salvaguardia della salute

Risolvione di tali problematche ->

Biotecnologie"miglioramento delle semee e della produttività delle piante* Maternità di nuove vie per la prodazione di R:B nome ad individuazioni di nuove diete a secondazione che* Miglioramento di rizoe/rinzo"autu re propanguare attualmente in)

LA RETE DELLA VITA

1. Il clima è sempre cambiato nel tempo

• Oscillazioni: spostamenti nelle posizioni delle celle di alta e bassa pressione
• Variazioni di temperatura: associate a cambiamenti della forma dell'orbita terrestre, dell'angolo di inclinazione del suo asse e del suo orientamento rispetto agli altri corpi celesti
• Variazioni delle superfici dei ghiacci

• I cambiamenti evolutivi sono documentati nei reperti fossili che dimostrano come la vita sulla terra sia cambiata nell'arco di lunghi periodi storici. Essi documentano 5 estinzioni di massa in cui moltissime specie terrestri si estinse: l'ultima estinzione risale a 65 milioni di anni fa e potrebbe essere stata causata da un asteroide che, colpendo la terra, determinò cambiamenti ambientali che causarono la scomparsa dei dinosauri.

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• Se in passato le estinzioni erano causate da fattori soprattutto naturali oggi è soprattutto l'uomo ad influire su di esse, a causa del suo notevole impatto ambientale. È detta antropocene l'era geologica in cui le principali cause delle modifiche territoriali, strutturali e climatiche del nostro pianeta sono attribuite all'uomo e alle sue attività. Il picea di stima è un abete rosso delle Isole Campbell, definito l'albero più isolato del mondo (l'albero più vicino si trova a 200 km nelle Isole Auckland), esso porta con se le prove delle ferite inferte dall'uomo alla terra, nei suoi anelli sono contenuti molti isotopi di carbonio riconducibili ai test nucleari condotti dall'uomo tra 1950 e 1960. Il picea del 1965 ha spinto gli studiosi a fissare a quell'anno il golden spike ossia il passaggio dall'era dell'Olocene a quella dell'Antropocene.
• Il tasso di estinzione attuale è dalle 100 alle 1000 volte maggiore rispetto al tasso fondo stimato dai dati fossili. Se in passato la vita media di mammiferi/uccelli era compresa fra 1 e 10 milioni di anni, nel 20° secolo si è ridotta a 100 anni. La crescita demografica dell'uomo è uno dei fattori alla base dell'impatto che osserviamo.

• L'uomo deve fronteggiare sfide e necessità
• Preservare gli ecosystem e la biodiversità
• Uso sostenibile delle risorse
• Salvaguardia della salute

Risolution di tali problematiche → Biotecnologie

• Miglioramento delle sementi e della produttività delle piante
• Sintesi di nuove vie per la produzione di cibo ma anche individuazione di nuove fonti di sostanza chimiche
• Miglioramenti di processi/innovazioni che permettono l'implementazione

Ecologia

Scienza che studia le interazioni fra gli organismi e il loro ambiente e quelle che determinano la distribuzione e l'abbondanza degli organismi

Importante per comprendere l'interdipendenza nei sistemi biofisici, la relazione fra l'uomo e l'ambiente che lo circonda così come le conseguenze della sua continua attività

NB Ecologia = branca della biologia; Scienze ambientali = interdisciplinarietà fra scienze naturali e sociali (→ come l'uomo influenza l'ambiente)

• Per rispondere ad una precisa domanda gli ecologi devono seguire la tipologia di scala adequata, ossia la dimensione spaziale e temporale di un elemento o di un processo

Comprensione ecologica

• Descrizione di un problema
• Spiegazione (prossima, in termini ecologici e remota, in termini evolutivi)
• Comprensione = previsione, gestione, controllo

Ecosistema

Insieme delle componenti biotiche e abiotiche di un sistema biologico, che influenzano il flusso di energia ed elementi

• Materia: qualsiasi cosa provvista di massa che occupa uno spazio

• Energia: capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro (cinetica, potenziale)

Sistema

Insieme di corpi distinto dall'ambiente

• Isolato → Nessuno scambio
• Aperto → Scambio di energia e materia
• Chiuso → Scambio di energia ma non di materia

1^a legge della termodinamica

In via trasformazione (chimica, fisica) l'energia non si libera né si distrugge ma può soltanto essere trasformata

2^a legge della termodinamica

Nelle trasformazioni di energia da una forma all'altra (la capacità) dell'energia di compiere lavoro diminuisce

• Tensione verso un maggiore grado di entropia (disordine)
• Massima entropia = equilibrio termodinamico
• Il rendimento non può mai essere del 100 %
• Una parte dell'energia si trasforma in calore

I SISTEMI BIO-ECOLOGICI SONO FORTEMENTE ORGANIZZATI...

• cellula → tessuto → organo → apparato → organismo → popolazione → comunità
• biosfera / ecosfera ↔ bioma ↔ paesaggio ↔ ecosistema

POPOLAZIONE = gruppo di individui della stessa specie (gruppo d'individui interfecondi, che possono dare origine a prole fertile) che vivono in una particolare area geografica e interagiscono fra loro

COMUNITÀ = insieme di più popolazioni appartenenti a specie diverse che vivono nella stessa area

PAESAGGIO = area che varia notevolmente da un luogo all'altro, generalmente includente diversi ecosistemi

BIOMA = complesso delle comunità animali e vegetali che caratterizzano un'area geografica

...COME È POSSIBILE CHE VENGA MANTENUTO QUEST'ORDINE?

I SISTEMI NATURALI RICEVONO CONTINUAMENTE ENERGIA E MATERIA POICHÉ SONO SISTEMI APERTI (INPUT, OUTPUT)QUESTO CONTINUO FLUSSO DI ENERGIA E MATERIA IMPEDISCE LA MORTE DEL SISTEMA STESSO

GRAZIE AL METABOLISMO GLI ESSERI VIVENTI USANO ENERGIA PER PRODURRE LAVORO

CATABOLISMODEGRADAZIONE DI MACROMOLECOLE

• REAZIONI ESEERGONICHE- Liberazione di energia: uscita di...(Energia negata > energia prodotta)- ΔG (Gprod. - Giniz.) < 0- Reazioni spontanee

ANABOLISMOCOSTRUZIONE DI MACROMOLECOLE

• REAZIONI ENDERGONICHE- Assorbimento di energia(Energia negata < energia prodotta)- ΔG (Gprod. - Giniz.) > 0- Reazioni indotte

COME ENTRA L'ENERGIA NEGLI ECOSISTEMI?→ ENERGIA RADIANTE DEL SOLE→ ENERGIA DEI COMPOSTI INORGANICI

ORGANISMI CHEMIOSINTETICI = I PRIMI AUTOTROFI COMPARSI SULLA TERRA, ESSI SOTTRAGGONO ELETTRONI AD UNSUBSTRATO INORGANICO, OSSIA LO OSSIDANO, GLI ELETTRONI SONO UTILIZZATI PER:1. GENERARE DEI COMPOSTI AD ALTA ENERGIA,ATPE NADPH

UTILIZZATA PER IMMAGAZZINARE IL CARBONIO DELL'CO₂ IN COMPOSTI ORGANICI → FISSAZIONE DEL CARBONIO, IL CICLO DI CALVIN)

- Thermus aquaticus:

• BATTERI NITRIFICANTI
• SOLFTOBATTERI
• FERROBATTERI
• IDROGENOBATTERI

BATTERIO TERMOFILO PRESENTE NELLEPOZZE D'ACQUA IN PROSSIMITÀ DEGLI SFURI DEI FUMAROLIE' STATO USATO NELLA ZIONE DELLA

ORGANISMI FOTOSINTETICI

_energia solare + CO₂ + H₂O ⟶ zuccheri + O₂ + calore

(piante, alghe, protisti, cianobatteri) ⟶ trasformazione dell'energia radiante solare in energia chimica

FASE LUMINOSA

⟶ sintesi di O₂, NADPH e ATP nella membrana tilacoidale

• La clorofilla è contenuta i complessi multipartitici detti fotosistemi formati da complessi antenna (catturano l’energia luminosa) e un centro di reazione (rende l’energia luminosa convertibile in energia chimica). Catturata da una molecola di clorofilla in un complesso antenna, l’energia luminosa passa in modo casuale alle altre molecole di clorofilla fino a quando viene catturata da un dibrido di clorofilla detto tra di reazione detto coppia speciale che ha gli elettroni ad un livello di energia più basso rispetto a quello della clorofilla del complesso antenna. Gli elettroni vengono trasferiti ad un trasportatore mobile detto plastochinone, si genera così una separazione di cariche (coppia speciale +, plastochinone −) azzerata dal water splitting complex, un gruppo enzimatico contenente atomi di manganese se legandole molecole di acqua ne vengono idrozzate, con rilascio di 4H⁺ e O₂ il plasto chino C trasferisce gli elettroni al complesso dell’citocromo b₆−f, una pompa protonica che sfrutta il movimento degli elettroni per generare un gradiente elettrochimico (pompa i H⁺ nel lume dei (le) tilacoidi) sfruttato a sua volta dall’ATP sintasi. (anello rotoruse trasferiscono gli elettroni presi dalla sua coppia speciale eccitata questa trasferisce gli elettroni al trasportatore contenteuil trasporto solfato, la ferredossina, ad una ferredossina − NADP reduttasi che riduce il NADP a NADPH quello spiegendo a produrre ATP
• Questo è quello che accade nel fotosistema II.
• Questo è quello che accade nel fotosistema II.

• - Nel fotosistema I la separazione di cariche è azzerata dal un trasportatore mobile detto plastoaninasiene che trasporta gli elettroni, rimossi dall’acqua nel fotosistema II e trasferiti dal plastochinone al complesso del ciclocromo b₆−f, al fotosistema I per sostituire gli elettroni presi dalla sua coppia speciale eccitata. Questa trasferisce gli elettroni ad un trasportatore contenenute un (> trasporto solfato, la ferredossina, ad una ferredossina − NADP eduttasi che riduce il NADP a NADPH.

FASE OSOURA

⟶ sintesi di zuccheri nello stroma

• - Nel CO₂ atmosferico si combina con il RuBP (ribulosio 1,5 − biosfato)per formare 2 molecole di un composto a 3 atomi di carbonio, il 3−fosfoglicerato (grazie all’azione di un enzima detto rubisco) che viene convertito in glicerdeide 3−fosfato. Questo formerà solo in parte glucosio perché in parte...
• - 3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH ⟩⟶ 1 gliceraldeide 3−fosfato

Quali fattori influenzano la fotosintesi?

1) Luce

• Quando l'intensità della luce è tale che la CO₂ fissata è quella consumata per respirazione si eguagliano si dice che la pianta ha raggiunto il Punto di Compensazione
• Il punto in cui si raggiunge la massima velocità fotosintetica è il Punto di Saturazione

Le variazioni di energia luminosa vengono fronteggiate con variazioni morfologiche e fisiologiche (variazioni al numero di cloroplasti disponibili per la cattura della luce, alterazioni nello spessore della lamina fogliare.)

2) CO₂

Aumentando la concentrazione di CO₂, il tasso a cui la fotosintesi entra in saturazione luminosa aumenta.

3) H₂O

• Influenza l'apertura e la chiusura degli stomi, importante per l'idratazione.
• Giorno = Gli stomi sono aperti e la traspirazione genera un gradiente di potenziale idrico crescente → Traspirazione (suolo, radici, fusto, foglie)
• Notte = Gli stomi si chiudono e l'acqua assorbita dal suolo richiama l'acqua fin a farle raggiungere un potenziale idrico vicino a quello dell'acqua nel suolo → Reidratazione

4) Temperatura

• Influenza la fotosintesi modificando la velocità delle reazioni ed alterando l'integrità strutturale delle membrane e degli enzimi.

Organismi fotosintetici diversi hanno forme diverse degli enzimi fotosintetici, però è in questo modo possono operare meglio alla temperatura dei luoghi in cui vivono.

• Licheni ➜ 0°
• Piante desertiche ➜ 40 - 50°

Fotorespirazione

• In presenza di molta CO₂ nelle foglie si ha un regolare ciclo di Calvin.
• Se nelle foglie la concentrazione di CO₂ è bassa rispetto all'ossigeno si ha la fotorespirazione.

L'enzima rubisco catalizza una reazione tra RuBP e ossigeno anziché tra RuBP e CO₂, non è un processo redditizio dal punto di vista energetico poiché non produce né ATP né NADPH e il carbonio fissato nella fotosintesi durante la fotorespirazione.