Zoologia generale

Introduzione ai concetti di struttura e funzione nel regno animale

Posso studiare gli animali a tantissimi livelli e sono tutti approcci utili: da molecole a organuli, posso studiare cellule singole, tessuti, organi e organismi, o livelli ancora superiori come popolazioni, comunità e biosfera. Gli organi sono composti da tessuti, insieme di cellule generalmente dello stesso tipo e che condividono la stessa origine, che insieme svolgono la stessa funzione. Esistono vari tipi di tessuti nei vertebrati: epitelio stratificato dell’epidermide, tessuto osseo, nervoso nel cervello, sanguigno nel sistema vascolare, muscolare nel cuore, epitelio colonnare nello stomaco, tessuto muscolare liscio nella parete intestinale, muscolare scheletrico in muscoli volontari, riproduttivo (testicoli), connettivo areolare del derma.

Piani di sezione negli animali a simmetria bilaterale

Vengono usati vari termini descrittivi per identificare le diverse porzioni corporee di un animale a simmetria bilaterale e vengono identificati grazie a diversi piani di sezione:

• Piano trasversale, perpendicolare al digerente, si divide l’animale in parte encefalica e caudale.
• Piano sagittale, perpendicolare al suolo, segue l’asse di simmetria dell’animale e lo divide tra destra e sinistra.
• Piano frontale, parallelo al digerente e divide l’animale tra zona dorsale e ventrale.

Il celoma

È alla base dell’organizzazione della stragrande maggioranza degli animali. Si vede molto bene nel lombrico, ma ce l’hanno quasi tutti gli animali. Il lombrico ha una sezione trasversale cilindrica, è vuoto e non ha ossa, quindi per mantenere la sua forma e rimanere gonfio è riempito di liquido sotto pressione. Il celoma è la cavità che contiene questo liquido. Nella sezione trasversale vedo l’apparato digerente (intestino a forma di mezzaluna) che sta sospeso a metà del liquido e percorre tutto il corpo. Quindi il celoma viene riempito da organi.

Durante lo sviluppo embrionale, le cellule si specializzano molto precocemente. Nella fase chiamata gastrula, alcune si specializzano creando l’ectoderma, che diventerà tessuto epiteliale o di rivestimento; alcune rivestono l’interno della cavità e andranno a formare l’apparato digerente (endoderma). Inoltre c’è un terzo foglietto, chiamato mesoderma, che hanno quasi tutti gli animali, e si trova tra ectoderma e endoderma, e formerà la maggior parte degli altri organi e le pareti del celoma.

Il nostro celoma è pieno di organi, quindi non abbiamo una grande quantità di liquido. Un esempio di celoma nell’uomo è il peritoneo. Non abbiamo bisogno del celoma per rimanere in piedi, per questo abbiamo le ossa, a noi serve solo per tenere i liquidi sotto pressione.

Simmetria

Tutti gli organismi sono simmetrici, semplifica lo sviluppo e la relazione con l’ambiente. Ci sono varie simmetrie negli animali (considerando anche i protozoi, anche se non sono animali).

• Simmetria sferica, se ha le parti del corpo simmetriche rispetto a infiniti piani passanti per il centro nelle tre dimensioni. Ha un centro di simmetria.
• Simmetria radiale o raggiata, c’è l’asse di simmetria e infiniti piani di simmetria paralleli a esso.
• Simmetria bilaterale, un unico piano per avere due parti simmetriche dx e sx (maggior parte degli animali).

Modularità

Gli organismi hanno spesso strutture modulari, negli animali c’è la metameria (ripetizione in serie di segmenti corporei). Il lombrico è un anellide, cioè diviso da tanti anelli che si ripetono tutti allo stesso modo, l’interno è uguale per tutti gli anelli, composto da diversi metameri o segmenti. Anche gli artropodi hanno una serie di segmenti che comprendono di solito un paio di appendici. La metameria nei vertebrati si riconosce nelle vertebre, negli addominali, costole, muscoli dei pesci.

Esistono diversi livelli di organizzazione della complessità degli organismi, possono essere unicellulari o multicellulari, possono avere i tessuti o no, come le spugne. Gli eumetazoi li hanno, hanno i foglietti embrionali e possono avere:

• Simmetria radiale
• Simmetria bilaterale (maggior parte)
• Senza celoma, acelomato
• Pseudoceloma, cellule specializzate non tappezzano tutto
• Con celoma, celomato, ricopre tutti i tessuti

• Anellidi
• Molluschi
• Artropodi
• Vertebrati
• Echinodermi

Organismi solitari e coloniali

Organismi solitari hanno una vita autonoma.

Organismi coloniali si formano per gemmazione da un singolo individuo fondatore della colonia. I singoli individui si chiamano zooidi. Un esempio sono i coralli, l’individuo non è necessariamente autonomo. La velella (idrozoo) non è un esemplare, ma una colonia composta da tanti individui, che si sono specializzati per svolgere compiti diversi.

All’interno della colonia gli individui possono essere tutti simili tra loro, con più o meno porzioni del corpo condivise, come i tunicati coloniali, o possono specializzarsi a svolgere compiti diversi. Gli organismi possono essere sessili (sempre fissi) o vagili (si spostano).

Forma corporea e interazioni ambientali

La forma corporea è vincolata da leggi fisiche e chimiche. La forma del corpo si adatta all’ambiente. Gli animali acquatici sono idrodinamici, hanno tutti una forma a goccia per convergenza. Dimensioni e forma corporea influiscono sulle interazioni fra organismi e ambiente. Le dimensioni sono importanti: animali grossi non hanno gli stessi problemi di quelli piccoli. Gli organismi unicellulari hanno una superficie esterna maggiore di quella interna. Gli organismi pluricellulari invece hanno ogni cellula a contatto con un’altra, si differenzia ambiente interno e esterno, quindi la diffusione semplice è meno efficace.

Omeostasi

È la capacità degli organismi di mantenere le condizioni del loro ambiente interno stabili. Può essere termica o chimica (es. omeostasi idrosalina). Mantenere l’omeostasi è essenziale e molto costoso, quindi dobbiamo nutrirci.

Alimentazione e classificazione metabolica

L’energia chimica viene utilizzata dagli autotrofi chemiosintetici (batteri), mentre l’energia solare dagli autotrofi fotosintetici (piante); in pratica questi organismi non mangiano. Gli organismi eterotrofi si nutrono di molecole organiche. Ogni volta che svolgiamo una funzione perdiamo un sacco di energia, come il calore. Una parte di energia serve per la respirazione cellulare, la restante viene immagazzinata o persa.

Ci sono tre molecole chiave per l’energia: i carboidrati, i lipidi (energia) e le proteine (costruzione). Gli amminoacidi possono essere sintetizzati automaticamente. Alcuni organismi non riescono a sintetizzarli tutti, quindi devono integrarli con la dieta. Gli animali sono eterotrofi, debbono cioè ricavare energia da molecole organiche fabbricate da altri organismi. Nutrirsi meglio significa poter aumentare le proprie dimensioni:

• Cefalizzazione
• Maggior difesa dai predatori
• Maggior competitività per le nicchie ecologiche
• Produrre un maggior numero di discendenti (fitness!!!)

Le fasi della nutrizione

Ingestione = assunzione del cibo dall’ambiente. Digestione = meccanica – chimica = demolizione delle macromolecole, può essere intracellulare o extracellulare. Assorbimento = passaggio dei monomeri dal tubo digerente alle cellule. L’ingestione può avvenire grazie a tentacoli o lingue.

La digestione può essere intracellulare o extracellulare, sia nelle unicellulari che nelle pluricellulari. Nell’intracellulare la particella di cibo, per endocitosi, viene portata all’interno di una vescicola, che è una specie di bolla di ambiente esterno. A questo punto la cellula produce degli enzimi che vengono immessi all’interno della vescicola, questi demoliscono le macromolecole della particella e la trasformano in monomeri che possono essere effettivamente assorbiti dalla cellula e utilizzati.

Nell’extracellulare (normalmente i pluricellulari usano questa) ho la mia particella di cibo in prossimità delle cellule, che producono enzimi che vengono emessi nell’ambiente, all’esterno dell’organismo. Gli enzimi attaccano la particella di cibo per poi venire assorbita direttamente. Questo è quello che succede nell’intestino del vertebrato. Il cibo viene ingerito e spezzettato prima meccanicamente e poi chimicamente, attraverso la quale i polimeri vengono suddivisi in monomeri. Ingerisco polipeptidi che si trovano all’interno del lume intestinale (ambiente esterno, anche se fisicamente interno all’organismo), le cellule dell’intestino producono degli enzimi e spezzettano le proteine, a questo punto diventano amminoacidi assorbibili, per poi essere mandati nel sangue e nei vari distretti del corpo.

Questo succede per tutte le molecole solubili in acqua, quindi anche polisaccaridi e nucleotidi, che possono quindi liberamente circolare nel sangue, ma non funziona per le molecole liposolubili perché idrofobiche. Quindi devo trovare delle strategie per rendere solubile quello che in realtà non può essere disciolto nel sangue. Posso spezzettare le molecole in monomeri e venire rivestite da proteine di rivestimento, composte da parte liposolubile e l’altra idrosolubile.

L’assorbimento richiede normalmente un’ampia superficie di contatto, rendendolo più rapido e efficiente. Questo fa sì che tutti gli animali hanno dei digerenti con strutture fatte per aumentare la superficie dell’intestino. Prima cosa gli animali tendono ad avere un intestino lungo; tanto più il cibo è complesso e di difficile digestione, tanto più il digerente è lungo e complesso.

Esempi di apparati digerenti

Qualche esempio di digerente: il lombrico ha il lume intestinale a forma di mezzaluna, si chiama tiflosol, perché in questo modo la superficie di assorbimento raddoppia, quindi può assorbire il doppio, l’assimilazione è più rapida. Negli squali e in altri pesci è presente la valvola spirale, che è una struttura, un insieme di ripiegamenti che può avere tante forme diverse, ad esempio un ripiegamento a spirale che corre all’interno del lume dell’intestino e che aumenta notevolmente la superficie di assorbimento. Nei mammiferi abbiamo due tipologie di strutture che aumentano notevolmente la superficie di assorbimento: l’intestino è lungo e molto ripiegato e la parete intestinale presenta ripiegamenti che vanno all’interno, i villi intestinali, che aumentano la superficie che va a contatto col lume intestinale; abbiamo le grandi pieghe, che hanno villi di piccole dimensioni che sono composti da cellule dall’orletto a spazzola, che presentano a loro volta dei microvilli.

Non tutti i digerenti hanno due aperture come il nostro (bocca e ano) che aumentano l’efficienza della digestione. Alcuni animali hanno un’unica cavità, detta cavità gastrovascolare, dove il cibo entra, viene digerito e poi espulso dalla stessa apertura. Questa strategia è più comune in animali di piccole dimensioni, un esempio sono gli cnidari, le planarie o anche le meduse.

Nella maggior parte degli animali si è evoluta una seconda apertura che ha una funzione diversa dalla prima. Con due aperture io posso ingerire qualcosa un po’ più di continuo, senza aspettare che quello che ho mangiato venga espulso. Inoltre le sostanze di scarto sono dette così proprio perché non servono al nostro corpo e possono avere caratteristiche non volute, come essere tossiche, modificate dalla mia flora batterica ecc., quindi chi ha due aperture le tiene ben separate e distanti tra loro per evitare la contaminazione del cibo. Questo permette anche di avere una maggiore specializzazione del digerente: al posto di avere un’unica struttura che deve fare tutto, posso avere una struttura che è composta da tante parti ognuna specializzata in una certa funzione di digestione.

Ad esempio il lombrico ha una bocca che serve per ingerire il cibo, posteriormente c’è un faringe muscolare che è una struttura che serve ad aspirare il cibo; il lombrico si nutre di piccole particelle organiche all’interno del suolo, quindi aspira un sacco di sostanze inutili (parte minerale). Dal faringe il cibo passa all’esofago e va all’ingluvie, che è una struttura che serve a immagazzinare il cibo in attesa che passi al ventriglio; questo è una struttura che potremmo definire come stomaco muscolare che presenta una muscolatura che serve a sminuzzare il cibo (digestione meccanica), anche grazie alla presenza di sassolini. Anche gli uccelli fanno esattamente la stessa cosa, anche loro hanno evoluto uno stomaco muscolare per la “masticazione”, essendo loro privi di denti. Successivamente abbiamo l’intestino allungato, il tiflosol.

Un altro esempio è il digerente degli insetti, quello che descriviamo è della cavalletta. Normalmente negli insetti l’intestino è suddiviso in tre porzioni: intestino anteriore, medio e posteriore. Nella parte anteriore abbiamo bocca, esofago e ingluvie; la digestione avviene principalmente nell’intestino medio e in questo caso per aumentare la superficie delle aree in cui avviene la digestione, sono presenti dei ciechi gastrici (noi abbiamo l’appendice), strutture che aumentano il volume; poi si passa a fase finale con assorbimento e espulsione.

Qualche esempio di apparati digerenti nei vertebrati: nei pesci ossei abbiamo un faringe, il digerente può essere più o meno in contatto con la vescica natatoria, abbiamo uno stomaco all’interno del quale avviene una prima parte della digestione chimica, possono essere presenti dei ciechi e poi intestino più o meno lungo e ripiegato e possibile presenza di valvola a spirale; normalmente tanto più il cibo è difficile da digerire, tanto più è composto da sostanze complesse come cellulosa o materiale vegetale, tanto più il digerente sarà lungo. Molto spesso annesse al digerente abbiamo ghiandole di grosse dimensioni che secernono sostanze che aumentano la velocità del processo digestivo. Tutta la digestione è extracellulare.

Gli uccelli hanno un becco che è estremamente utile perché leggero, ma lo sminuzzamento meccanico non avviene, perché privi di denti (solo mammiferi hanno vera e propria masticazione). Quindi abbiamo un gozzo dove il cibo viene immagazzinato rapidamente, poi c’è uno o più stomaci che possono avere una parte muscolare che può contenere sassolini per digestione meccanica e una parte specializzata per la secrezione di enzimi; poi c’è un intestino e poiché devono essere leggeri per volare, il transito del cibo dev’essere rapido, quindi l’intestino è corto. Normalmente infatti gli uccelli si cibano alimenti molto energetici e facili da digerire, sono molto rari gli uccelli che si cibano di cellulosa.

Per i mammiferi abbiamo uno stomaco che si occupa principalmente della demolizione chimica del cibo e di un intestino che occupa la parte finale della digestione e l’assorbimento. Seppur simili i digerenti di carnivori e erbivori, strutturalmente sono molto diversi. Negli animali che si nutrono di cellulosa devo andare a costruire delle strutture apposite in cui avvenga appunto la seconda digestione e fermentazione delle sostanze organiche ingerite; quindi posso presentare degli intestini più lunghi e sviluppati e dei ciechi in cui avviene la fermentazione, qui la cellulosa viene trasformata in zuccheri semplici da batteri presenti nell’organismo, queste aree sono praticamente dei reattori dove avvengono reazioni di fermentazione a carico dei batteri simbionti. Il problema è che quasi tutti gli animali non sono in grado di digerire la cellulosa, solo alcuni molluschi riescono a digerirla direttamente, quindi ho bisogno di strategie alternative per assimilare qualcosa che io da solo non sono in grado di digerire.

Gli erbivori devono ingerire una gran quantità di cibo per poter ottenere l’energia necessaria e d’altra parte si trovano davanti al rischio di essere predati, quindi i ruminanti pascolano e il cibo ingerito non va direttamente alla digestione, ma va in un primo stomaco, il rumine, in cui il cibo sta lì; questo gli permette di ingerire una grande quantità di erba senza essere davvero masticata. La masticazione è qualcosa di estremamente importante perché si demolisce sia fisicamente che chimicamente il cibo, però richiede tempo e masticare l’erba è particolarmente complesso perché è un cibo coriaceo protetto da parti silicee, quindi ci vorrebbe un sacco di tempo. Quando sono arrivati in un posto dove possono stare più tranquilli, una parte del bolo che stava nel rumine ritorna alla bocca e può essere rimasticato per favorire la demolizione; dopo il rumine esiste il secondo stomaco, il reticolo, dove all’interno (anche nel rumine) sono presenti alcuni microorganismi simbionti, cioè che vivono all’interno del corpo in questo caso del bovino, necessari per mantenerlo in vita. Questi organismi sono sia procarioti che dei ciliati (protozoi eucarioti), in grado di digerire la cellulosa al posto del bovino: la digeriscono e producono delle sostanze che possono a loro volta essere assimilate direttamente dalla mucca. Quindi tecnicamente la mucca non mangia l’erba, ma coltiva nei suoi stomaci dei microorganismi che producono degli acidi grassi che la mucca utilizza. Rimastica l’erba per farla digerire meglio dagli organismi, esempio di importanza di microbioma. Nel momento in cui ha svolto la prima parte della digestione, passo al terzo stomaco, l’omaso, in cui avviene il riassorbimento dell’acqua, estremamente importante, perché quando ingeriamo cibo ingeriamo anche un sacco di acqua e i processi legati al digerente richiedono un sacco di acqua che non possiamo perdere.