Appunti di fondamenti e didattica della biologia, Appunti di Didattica Pedagogica

Scarica Appunti di fondamenti e didattica della biologia e più Appunti in PDF di Didattica Pedagogica solo su Docsity! Fondamenti e didattica della biologia – Prof. Chiara Urani Gli organismi viventi: la biologia rappresenta la scienza della vita→ “se nasci, ti nutri, cresci, interagisci con l’ambiente e con gli altri, possibilmente ti riproduci, e poi muori, e se insieme a molti tuoi simili morituri appartieni a una popolazione che evolve nel tempo, allora sei vivo” (Telmo Pievani). Organizzazione dei sistemi viventi: l’organizzazione dei sistemi viventi è un’organizzazione gerarchica dove l’unità fondamentale della vita è rappresentata dalla cellula; alcune delle forme di vita più semplici, come i protozoi, sono unicellulari, costituite cioè da un’unica cellula, l’organizzazione di più cellule dà luogo alla formazione di un organismo pluricellulare (individuo formato da più cellule in cui le cellule si organizzano in modo gerarchico e strutturato e formano tessuti, organi e apparati). L’insieme di organismi che appartengono alla stessa specie formano una popolazione; le popolazioni che vivono in una stessa area, anche di specie diverse, formano delle comunità. All’interno di un ecosistema si trovano gruppi di comunità che interagiscono con i loro ambiente fisico (non vivente) condiviso. Infine si trova la biosfera, ovvero tutte le regioni della costa, delle acque e dell’atmosfera terrestri che sostengono la vita. Gli organismi sono suddivisi sulla base di caratteristiche morfologiche, molecolari, di origine, in diversi gruppi, in particolare gli organismi sono suddivisi in procarioti (batteri-eubatteri, archeobatteri) ed eucarioti. Tutti gli organismi hanno un’origine comune (cellule ancestrali) da cui si sono poi evolute tutte le formi viventi (tra cui quelle estinte). Le nuove cellule sono generate esclusivamente dalla divisione di cellule preesistenti, questi concetti sono espressi nella teoria cellulare. L’albero della vita comprende tutti gli esseri viventi (anche quelli estinti) in particolare il raggruppamento degli organismi viene fatto in un albero, per la prima volta nel 1837 da Darwin. Un albero presenta dei rami, delle biforcazioni, nel suo albero Darwin descrive come gli organismi viventi siano tutti discendenti da un organismo comune da cui poi si sono formati gli altri organismi. La prossimità dei rami indica una maggiore rassomiglianza. Tutti gli organismi viventi sono costituiti dalle stesse molecole. I regni della vita sono organizzati e strutturati da un punto di vista sistematico. All’interno dei regni troviamo batteri e archea (eucarioti), protisti, pianti, animali e funghi (procarioti). Scala logaritmica: ogni unità della scala è 10 volte maggiore rispetto all’unità che la precede, il limite del visibile è rappresentato dalle uova e dagli organismi di dimensione maggiore fino agli organismi più grandi che vivono sulla terra. Si parla di vita anche quando le strutture hanno dimensioni molto più piccole. Parlando di scala e di complessità degli esseri viventi utilizziamo un approccio descrittivo che va dalle dimensioni micro fino ad arrivare a dimensione macro-metriche. Si parte dalle cellule, l’aggregazione delle quali dà origine ai tessuti, che si aggregano in un organo, quando gli organi si aggregano si ha la formazione di apparati (organizzazione gerarchica che è applicabile sia al regno animale che vegetale), l’ultimo livello di organizzazione è rappresentato dagli organismi pluricellulare. La cellula: caratteristiche strutturali rappresentate da un involucro esterno che delimita lo spazio della cellula (membrana cellulare o membrana plasmatica), all’interno della cellula è presente un nucleo (non è una condizione presente in tutte le cellule viventi ma solo eucarioti) delimitato da un involucro nucleare, lo spazio compreso tra il nucleo e la membrana cellulare è il citoplasma all’interno del quale sono presenti degli organelli che svolgono una serie di funzioni. Le cellule sono l’unità base e si parla di unità di misura a noi familiari (m, cm, dm) ma ci sono scale dimensionali meno familiari, la cellula ha una dimensione media al di sotto di 1mm, di circa 0,02mm, se confrontato con un oggetto a noi noto (spillo), la capocchia di uno spillo ha un diametro di 2mm, la capocchia di uno spillo è 100 volte più grande di una cellula media. Le unità di misura che si utilizzano per parlare di cellula e di strutture cellulari sono: - Millimetro (mm): 10-3 m - Micrometro (µm): 10-6 m - Nanometro (nm): 10-9 m Fin dal 1665 è stato possibile, tramite il microscopio, osservare delle cellule. Il microscopio ottico ci consente di osservare delle strutture che hanno dimensioni fino a circa 0,2 µm. Fissazione e colorazione ci 1 permettono di fissare delle strutture di campioni. È possibile osservare anche cellule vive e piccoli organismi. Il microscopio elettronico consente di osservare l’ultrastruttura delle cellule, cioè tutte le componenti di una cellula che hanno dimensioni fino a circa 0,2 nm. Da cosa sono formati gli organismi viventi: Gli organismi viventi sono formati per il 70% del loro peso di acqua, e per il restante di macromolecole e da una piccola percentuale di ioni e piccole molecole. Tutti gli organismi contengono circa la stessa proporzione di 4 macromolecole: proteine (polipeptidi) che rappresentano più del 50%; acidi nucleici; carboidrati (polisaccaridi) e lipidi. Osservando in dettaglio una porzione esterna di una cellula possiamo osservare che le strutture sono organizzate e formate da più molecole. Ingrandendo una delle tante molecole che formano la membrana cellulare, ci si imbatte negli atomi. Gli atomi all’interno delle cellule sono di diverso tipo. La materia vivente e non è formata da atomi di dimensioni piccolissime. Gli atomi sono caratterizzati da un nucleo, che rappresenta la regione di un atomo in cui sono contenuti i protoni (massa 1 e carica positiva), i neutroni (massa 1 e non hanno carica), intorno al nucleo troviamo gli elettroni (massa trascurabile e carica negativa). Gli elettroni occupano lo spazio di orbitali attorno al nucleo. Tutti gli elementi presenti sulla terra sono rappresentati da una tavola degli elementi, inventata da Mendelev nella metà del 1800 e che mette gli elementi in un ordine preciso. Tutti gli elementi sono disposti su una stessa colonna sulla base delle proprietà che possiedono, hanno lo stesso numero di elettroni. All’interno della tavola ce ne sono alcuni con un ruolo predominante nella biologia della vita, questi elementi sono quelli rappresentati in giallo (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo), rappresentano il 98% circa della massa totale dei viventi. Gli atomi si caratterizzano dalla formazione di molecole che avviene grazie all’interazione di atomi tramite la formazione di legami chimici→ forza di attrazione che lega due atomi a formare una molecola. Gli atomi sono formati dal nucleo di neutroni e protoni e elettroni che si dispongono a strati concentrici attorno al nucleo, un atomo è stabile quando nel suo strato più esterno ha un numero di 8 elettroni (regola dell’ottetto), ogni atomo interagisce con gli altri per poter arrivare a 8 elettroni. I legami chimici: - Legame covalente : la stabilità è data quando nell’orbitale si hanno 2 elettroni (nel caso specifico dell’idrogeno). Quando si hanno 2 atomi di idrogeno abbastanza vicini gli elettroni vengono attratti dal nucleo, questa attrazione causa un avvicinamento fino a condividere una coppia di elettroni raggiungendo così la stabilità. Gli elettroni ruotano attorno ad entrambi i nuclei e tengono uniti gli atomi. Sono legami estremamente forti ed è difficile romperli. - Legame covalente polare : si ha una condivisione degli elettroni ma asimmetrica. I due atomi tendono ad avvicinarsi ma la capacità di attrarre gli elettroni è diversa, c’è un atomo che attrae maggiormente gli elettroni, un atomo ha carica maggiormente positiva e l’altro maggiormente negativo. Si formano così delle molecole polari. - Legame idrogeno : legame che si forma tra molecole dotate di parziali cariche. Si formano all’interno della stessa molecola (ad esempio 2 molecole di acqua), nelle molecole dove si formano legami covalenti polari si può formare un’attrazione, quando 2 molecole di acqua sono vicine tendono ad attrarsi (atomo di ossigeno negativo e atomo di idrogeno positivo), sono legami che singolarmente sono deboli. Ha un notevole effetto cooperativo (ad es. nella molecola del DNA). Una delle molecole più importanti della vita è rappresentata dall’acqua. Gli organismi sono formati da almeno il 70% di acqua, rappresenta una matrice fluida attorno alla quale si realizza la struttura delle cellule e in cui avvengono tutte le reazioni chimiche. Inoltre negli organismi ci sono molecole idrofile (affinità per l’acqua) e molecole idrofobe (non hanno affinità per l’acqua). L’acqua è presente nello stato gassoso (le diverse molecole non formano legami e strutture stabili), nello stato solido (molecole mantenute in reticoli molto solidi e molto stabili), nello stato liquido (legami molto dinamici che si formano e si sciolgono continuamente). Le molecole nelle cellule animali, vegetali e in tutti gli organismi sono suddivise in molecole organiche e molecole inorganiche: 2 Nelle cellule vi sono una quantità enorme di proteine, le quali rappresentano più del 50%. Svolgono diverse funzioni tra cui: - proteine di trasporto (emoglobina, transferrina, trasportatori di membrana…); - enzimi : proteine che catalizzano le reazioni chimiche; - strutturali : danno forma e supporto alle cellule (es. tubulina, actina, collagene); - motrici : generano movimenti in cellule e tessuti (es. nelle cellule muscolari); - proteine di accumulo : immagazzinano amminoacidi e ioni (es. ferritina, ovalbumina, caseina); - di segnalazione e recettori : inviano segnali da una cellula all’altra (es. ormoni); rilevano segnali e li inviano a strutture specializzate (es. rilevazione della luce). Le proteine sono composte da 20 amminoacidi in diverse proporzioni e disposte in diverso ordine. I singoli amminoacidi sono formati da un Carbonio (atomo maggiormente rappresentativo della vita), il carbonio si lega sempre a un idrogeno, a un gruppo carbossilico (carica negativa) e a un gruppo amminico (carica positiva), il quarto legame lo forma con una catena laterale. Quello che contraddistingue le diverse tipologie di amminoacidi è la catena laterale; tutti i 20 amminoacidi sono tutti uguali tranne che per la catena laterale. Gli amminoacidi sono raggruppati in 4 categorie diverse, hanno 3 componenti identiche e il gruppo R (catena laterale) che caratterizza i singoli amminoacidi. Alcuni amminoacidi hanno la catena laterale caratterizzata dall’essere polare (positiva o negativa) questo fa si che li renda idrofili (capaci di formare legami con l’acqua), alcuni hanno la catena laterale dotate di caratteristica non polare, questo fa sì che siano idrofobi (non sono in grado di formare legami con l’acqua, respingendola). Quando una proteina si forma si trova un ambiente acquoso, gli amminoacidi con R idrofile tendono a stabilire dei contatti con l’acqua, tutte le R idrofobiche tendono a stare verso l’interno, formandosi una proteina in cui R idrofobiche stanno all’interno e R idrofili stanno all’esterno formando un’interazione. Questa caratteristica fa si che il polimero con amminoacidi con queste caratteristiche assumono una posizione particolare per interagire o respingere l’acqua. La presenza di cariche di segni opposti e la forma assunta fa sì che alcune proteine tenderanno ad avvicinarsi e a formare delle interazioni tra di loro (attrazione delle cariche). Alcuni amminoacidi sono definiti essenziali (una decina): - treonina - metionina - lisina - valina - leucina - isoleucina - istidina - fenilalanina - triptofano Sono tutti gli amminoacidi che il nostro organismo non è in grado di sintetizzare a partire da altre molecole organiche. Li deve introdurre con l’alimentazione, altri possono essere sintetizzati a partire da alcuni processi biochimici che le cellule animali sono in grado di attuare. Soltanto da alcuni alimenti (uova, spinaci, frutta secca, legumi, pesci e crostacei, alcuni latticini e alcune proteine derivanti dalla carne) contengono questi amminoacidi senza i quali non potremmo costruire le proteine. Le catene di monomeri di amminoacidi si uniscono tramite il legame peptidico→ è un legame di tipo covalente, è il legame che si forma tra 2 amminoacidi catalizzato da enzimi specifici, vengono liberati 2 atomi di idrogeno e 1 di ossigeno (quindi acqua). L’unione di molti amminoacidi forma catene lunghissime, catene polipeptidiche (le proteine). Per poter rompere i legami peptidici è necessario l’intervento di enzimi. Per poter far entrare nelle cellule le proteine che assumiamo con l’alimentazione è necessario renderle più piccole, quindi gli enzimi rompono i legami per ottenere i singoli amminoacidi per entrare nelle cellule, dopodiché le cellule utilizzano i singoli amminoacidi per formare di nuovo delle macromolecole da utilizzare nella cellula. Le proteine per essere diverse devono avere strutture diverse, l’organizzazione e la struttura delle proteine è suddivisa in diversi livelli: - il livello più semplice è la struttura primaria delle proteine: rappresenta la sequenza dei singoli amminoacidi lungo la catena polipeptidica (e non proteina perché prima di poter diventare 5 proteina le catene polipeptidiche devono subire delle modificazioni); il legame tra gli amminoacidi è un legame covalente perché essendo strutture importanti sia per quanto riguarda il ruolo funzionale che strutturale il legame covalente è quello che dà maggior stabilità. - Il secondo livello strutturale è la struttura secondaria delle proteine: scoperta nel 1951 da Pauling, Corey e Branson. La struttura secondaria viene definita a “foglietto ” (penne uccelli, cheratina molto resistente) oppure a “ elica” (pelle, capelli, cheratina molto elastica). Si differenziano per la formazione di legami idrogeno all’interno della catena polipeptidica della struttura primaria. I legami idrogeno sono legami meno forti ma molti legami idrogeno danno una certa stabilità strutturali. La caratteristica del foglietto  è che si formano dei legami idrogeno tra strutture piane parallele che determinano una notevole stabilità strutturale; nel caso dell’  elica si viene a formare una struttura ad elica. - Strutture terziaria e quaternaria : la struttura terziaria a questo punto possiamo chiamare la catena polipeptidica proteina, è caratterizzata da porzioni lineari, porzioni a  elica e a foglietto , questo tipo di conformazione è quella che conferisce a una catena polipeptidica la sua funzione, tutte le proteine per poter funzionare devono arrivare questo livello. Alcune proteine devono arrivare alla formazione della struttura quaternaria che è data dall’insieme di più catene polipeptidiche, quindi più proteine che si uniscono tra di loro per creare una proteina con funzioni particolari. Un esempio di proteine con struttura quaternaria è l’emoglobina (la proteina che ha la funzione di trasporto dell’ossigeno all’interno dei globuli rossi), tipicamente composta da 4 subunità, ognuna delle quali è composta da una catena di amminoacidi. All’interno delle proteine si trovano delle strutture rappresentate dal gruppo eme, all’interno del quale c’è un atomo di ferro che consente delle reazioni chimiche e che favorisce il legame con l’ossigeno. Una proteina ha una combinazione ben specifica, il genoma ci dice in che ordine posizionare gli amminoacidi per formare la proteina specifica. Se l’informazione viene letta nel modo scorretto la proteina non è in grado di formarsi nella sua struttura successiva e quindi vi è una malformazione della proteina. Nel caso di una proteina ben conformata si vengono a formare determinati tipi di legame che danno luogo a interazioni che farà si che si venga a formare la struttura corretta, quando un amminoacido viene sostituito non dotato di carica e quindi non in grado di formare un legame a idrogeno viene a mancare l’interazione tra alcune parti della catena polipeptidica, questo darà vita a una proteina con una forma diversa, con una conformazione corretta che consente il funzionamento della proteina stessa. Gli acidi nucleici – DNA e RNA: Sono fondamentali per tutte le funzioni delle cellule. Gli acidi nucleici sono le molecole che contengono (DNA) e trasportano (RNA) tutte le informazioni per la vita delle cellule. In particolare il DNA contiene tutte le informazioni per la vita delle cellule e l’RNA trasferisce le informazioni e consente di dar vita alla costruzione delle macromolecole e in particolare delle proteine. Gli acidi nucleici sono rappresentati una struttura che si unisce a uno zucchero pentoso (ribosio o desossiribosio) e dà luogo al nucleoside, questa struttura si legherà a un gruppo fosfato. Il ribosio formerà il DNA, mentre il deossiribosio formerà l’RNA. Questi due zuccheri si differenziano solo per la presenza (ribosio) di un gruppo OH, questa differenza fa sì che ci siano delle conformazioni strutturali e funzioni di diverso tipo. Le basi sono di tipo diverso, sono di due gruppi: 6 - Le pirimidine: citosina (C), timina (T) e l’uracile (U); C e T nel DNA, U esclusivamente nel RNA; - Le purine: adenina (A) e guanina (G) La differenza è che all’interno dell’RNA non è presente la timina che è sostituita con l’uracile; il DNA ha la timina e non ha l’uracile. I due gruppi di base si differenziano perché le pirimidine è formato da un unico anello, nel caso delle purine ci sono due anelli. DNA: Il polimero con lo zucchero deossiribosio e con la timina, oltre all’adenina, alla guanina e alla citosina, è il DNA→ acido desossiribonucleico. Questa molecola è all’interno delle cellule eucarioti all’interno del nucleo. Nell’uomo il DNA ha una dimensione di circa 2 metri che devono essere contenuti in un nucleo di dimensioni di circa 25 micrometri (circa 100000 volte più piccolo). La molecola di DNA si organizza attorno a delle proteine specifiche che consentono la fase di avvolgimento ordinato all’interno del nucleo. Il DNA è composto da due filamenti uniti da legami idrogeno; i due filamenti corrono in direzioni opposte e si avvolgono ad elica. I nucleotidi si legano tra di loro attraverso il gruppo fosfato, dall’altra parte della catena si forma una catena di forma analoga ma ribaltati (in direzioni opposte), all’interno della struttura dei due filamenti si formano i legami e le interazioni tra le basi. Le basi del DNA si uniscono non per legami covalenti ma si formano dei legami idrogeno, interazioni deboli ma talmente tanti che danno stabilità. La molecola di DNA per resultare stabile deve avere una certa distanza, 2 anelli si legano solo con un unico anello (pirimidine con purine). RNA: acido ribonucleico è formato da un unico filamento, c’è una sequenza di nucleotidi, c’è il ribosio (ha un gruppo OH che il desossiribosio non ha), il gruppo fosfato e le basi. In questo caso le basi sono esposte. L’RNA è il mezzo di trasporto dell’informazione che è scritta nelle basi. La molecola dell’RNA è più flessibile. L’uracile è la base presente esclusivamente nell’RNA e sostituisce la timina, presente nel DNA. Il DNA è il depositario di tutta l’informazione che è codificata in un codice all’interno della sequenza delle basi nucleotidiche del DNA, viene riversata in una sequenza di basi nucleotidiche dell’RNA. Il DNA può essere anche replicato. L’informazione contenuta nell’RNA viene trasferita nei polipeptidi consentendone la produzione. Non si può dalle proteine costruire gli acidi nucleici. Procarioti ed eucarioti: Gli organismi viventi si dividono in 3 domini: - 2 domini di procarioti→ batteri (organismi meno evoluti) e archeobatteri; - 1 dominio eucariote. Hanno in comune la stessa origine con l’organismo ancestrale. Procarioti: sono le prime cellule comparse sulla terra e sono ancora presente, occupano una serie di habitat e una varietà enorme di forme. Sono organismi unicellulari, sono caratterizzati da un’unica cellula che consente loro di compiere tutte le funzioni necessarie per la vita; possono vivere da soli ma alcuni di essi vivono uniti in catene o in gruppi e hanno forme estremamente variabili: - Forme sferiche - Forme a bastoncello, alcuni dotati di flagelli che consentono loro il movimento 7 cellula avvolge il sistema di endomembrane delle molecole formando la vescicola, si avvicina alla membrana plasmatica e si fondono, si aprirà una fessura che consente il rilascio del materiale di scarto. Struttura unitaria di membrane→ tutte le membrane di una cellula hanno struttura di base simile. I ribosomi e la sintesi delle proteine: I ribosomi sono degli organelli privi di membrana, sono costituiti principalmente da proteine, hanno una struttura globulare, sono formati da 2 subunità, contengo al loro interno anche RNA. Possono essere liberi nel citoplasma oppure associati al reticolo endoplasmatico ruvido. Il DNA è l’acido desossiribonucleico, caratterizzato da nucleotidi formati da zucchero e fosfato e da basi che legano i nucleotidi (A-T e G-C). L’RNA è formato da un singolo filamento, lo zucchero che forma il nucleotide è il ribosio, ci sono i gruppi fosfato, le basi sono C-A-G-U. Il DNA rappresenta la sede delle informazioni, i ribosomi rappresentano gli organelli che sono la fabbrica delle proteine. Il DNA viene trascritto in un RNA che viene tradotto per formare le proteine. I ribosomi: I ribosomi sono localizzati nel citoplasma (degli eucarioti, nei procarioti sono sparsi all’interno della cellula). Il fatto che i ribosomi si trovino nel citoplasma ci dice che dato che l’informazione genetica sta nel nucleo, l’informazione deve passare dal nucleo al citoplasma per essere tradotta. L’informazione non passa nel citoplasma come DNA (molecola molto grande e complessa e associata a delle proteine), viene quindi trascritta in una molecola più corta e semplice sotto forma di RNA (rappresenta il messaggero dell’informazione, chiamato quindi RNA messaggero o mRNA) che passa attraverso i pori dell’involucro nucleare. L’informazione passa quindi da un alfabeto a 4 lettere (nucleotidi con le 4 basi del DNA) ad un alfabeto analogo (nucleotidi con 4 basi dell’RNA). Nei ribosomi arriva l’informazione che sta scritta in RNA, in particolare sul mRNA e a livello dei ribosomi l’informazione deve essere tradotta in un linguaggio a 20 lettere (i 20 amminoacidi). se ne occupa l’RNA transfer, tRNA nei ribosomi. Sul DNA ci sono tutte le informazioni e istruzioni per la vita delle cellule per la costruzione delle proteine. Le informazioni sono ereditabili, il DNA viene copiato e trasmesso di cellula in cellula. Le informazioni sono contenute nei geni→ costituiti in tutte le cellule da DNA. L’informazione genetica (geni) serve soprattutto a produrre proteine. L’informazione che sta sul DNA e che serve per la proteina rappresenta l’espressione genica. In giallo la doppia elica del DNA, tutta la sequenza di nucleotidi che stanno sul DNA che stanno all’interno del nucleo che sono i cromosomi, sui vari cromosomi ci sono dei tratti del DNA precisi che sono i geni, portano l’informazione per produrre diverse proteine, il processo rappresenta l’espressione genica. Gene: specifico segmento di DNA che codifica (contiene l’informazione per) la sintesi di proteine. Genoma: tutte le molecole di DNA (cromosomi) presenti in ogni cellula di un organismo. Nell’uomo ogni cellula contiene 46 cromosomi (è detto patrimonio genetico diploide, indicato con 2n). nell’uomo le cellule germinali, quelle che consentono la riproduzione (uovo e spermatozoo) hanno la metà dei cromosomi (23). È detto patrimonio genetico aploide, n. Nel DNA le basi sono 4: adenina, guanina, citosina, timina; rispettivamente le basi si legano: A-T, G-C, C-G, T-A. 10 Nell’RNA le basi sono: adenina, guanina, citosina, uracile. Quando l’RNA viene trascritto, quello che sul DNA era ad esempio una sequenza: C-G-T-A-C-G-T-T… sull’RNA ci sarà: G-C-A-U-G-C-A-A… La trascrizione del DNA: molecola di DNA= cromosoma. Siamo nel nucleo, la doppia elica del DNA è aperta e copiata in mRNA da un enzima specifico (RNA polimerasi). - La proteina si avvicina al DNA - avvolge il DNA e apre la doppia elica - l’enzima allontana i due filamenti, rompe i legami idrogeno; - usando i nucleotidi presenti all’interno del nucleo, li raccoglie e li mette in fila per costruire la singola molecola di mRNA, scorre fino alla fine del gene. Il codice genetico: 1961 viene scoperta la corrispondenza tra la sequenza di basi sul DNA (RNA) e amminoacidi: viene decifrato il codice genetico da Marshall Nirenberg e Heinrich Matthaei. Il gene è costituito da una sequenza di basi. Ogni 3 basi sul DNA (e quindi sull’mRNA) all’interno di queste 3 basi è scritta l’informazione per 1 amminoacido. (3 basi=1 amminoacido) La sequenza di 3 basi (triplette) scritte sull’mRNA si chiamano codoni. Il traduttore dei codoni è il tRNA che porta l’informazione complementare dei codoni (anticodoni) e trasporta gli amminoacidi. Nella tabella che rappresenta il codice genetico ci sono tutte le combinazioni che consentono di capire come le 3 basi (codoni) in realtà codificano per un amminoacido. Gli amminoacidi possono essere codificati da più codoni (ad es. fenilalanina può essere codificata con UUU o UUC). All’interno di un gene c’è un codone che dice che lì inizia il gene, AUG (metionina-codone d’inizio), e c’è un codone di stop (UAA, UAG o UGA) che dice che in quel punto lì l’RNA finisce. Traduzione e sintesi delle proteine: Il tRNA (traduttore) si lega alla tripletta corrispondente sull’mRNA. Il tRNA trasporta l’amminoacido corrispondente. L’mRNA ha una lunghezza che corrisponde al gene con un inizio e una fine. L’mRNA è formato da una serie di triplette, i codoni. Il traduttore dell’informazione è il tRNA che porta su un lato della molecola l’informazione per quello specifico codone, è in grado di appaiarsi a quel codone grazie alla presenza di un anticodone. Il tRNA lega l’amminoacido. All’interno dei ribosomi avviene il riconoscimento tra codone, anticodone e tRNA che porta legato l’amminoacido. I ribosomi scorrono lungo l’mRNA e leggono tutte le triplette e via via entrano nei ribosomi i tRNA che portano l’anticodone e l’amminoacido corrispondente. Tra i due amminoacidi vicini si viene a formare un legame covalente. La catena polipeptidica si allunga fino al codone di stop. Le mutazioni: Le mutazioni sono rappresentate da cambiamenti nella sequenza nucleotidica del DNA (sostituzioni, cancellature o aggiunte di basi). Possono essere spontanee oppure provocate da agenti esterni (radiazioni, fumo di sigaretta, inquinamento). Se la mutazione avviene nelle cellule germinali, sarà ereditata. Una tripletta precisa porta l’informazione per un amminoacido preciso, se una base di una tripletta è sostituita o cancellata/aggiunta non codifica nessun amminoacido determina una mutazione. Può portare alla perdita di funzione della proteina. Un esempio è l’emoglobina e l’anemia falciforme. Nella maggior parte dei casi le mutazioni sono dannose oppure prive di effetti. Può capitare che le mutazioni migliorino il funzionamento dell’organismo nelle condizioni ambientali che esso incontra. La variabilità fa sì che al variare delle condizioni possano cambiare anche gli organismi adattandosi. 11 Nel genoma umano sono stati individuati circa 2000 geni disattivati o pseudogeni. Le nostre cellule non hanno più attivi quei geni, non vengono più tradotti e codificati. Il citoscheletro: Rappresenta la struttura portante delle cellule, è costituito da proteine che attraversano la cellula con una distribuzione diversa. La rete di proteine è caratterizzata da 3 tipologie di proteine: microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli, si organizzano in vario modo e attraversano tutta la struttura cellulare occupando lo spazio delle cellule nelle 3 dimensioni. Hanno (la rete di proteine) molteplici funzioni: - danno forma e sostegno alle cellule; - consentono il movimento di organelli e altre parti cellulari; - consentono la connessione con altre cellule e ancorano le cellule alla loro sede; - intervengono in processi di divisione cellulare. Sono delle reti filamentose, i filamenti sono caratterizzati principalmente da una proteina che è l’actina e sono costituiti da monomeri, sono strutture polimeriche dove i singoli monomeri non formano legami chimici forti ma delle interazioni. Le interazioni sono dei legami più deboli, quindi è più semplice romperli e riformarli, infatti sono strutture ampiamente dinamiche. Nel caso dei filamenti intermedi , polimeri di subunità, proteine che si attorcigliano tra di loro e formano delle interazioni, la caratteristica è che formano dei cordoni, strutture complesse e articolate che danno luogo a una struttura portante molto stabile. Citoscheletro e movimento: il citoscheletro è in grado di riorganizzarsi, può formare un allungamento (pseudopodo) e la cellula è in grado di trascinarsi, questo permette il movimento della cellula. Queste cellule sono ad esempio quelle del sistema immunitario. Negli organismi unicellulari, quale ad esempio il paramecio, che appartiene al dominio degli eucarioti, è una cellula completamente autonoma, vive nelle acque ed è in grado di muoversi. Il movimento è dato dal battito delle piccole ciglia che ne ricoprono la superficie. Un altro esempio è “la passeggiata delle vescicole”, una sorta di passeggiata di proteine lungo i microtubuli, ci sono delle proteine che fanno da trasportatori delle vescicole lungo i microtubuli. Un altro aspetto importante relativo alle funzioni del citoscheletro è quello della contrazione muscolare: tutta la muscolatura (volontaria e non) è caratterizzata da cellule che presentano al loro interno una complessa organizzazione di proteine citoscheletriche che contraendosi e scorrendo garantiscono il movimento dei muscoli e la contrazione muscolare. I mitocondri: come la maggior parte di tutti gli organelli è caratterizzato da una struttura membranosa. La dimensione dei mitocondri va da 1 a 8 µm. sono formati da una membrana esterna, una membrana interna che presenta una serie di creste (pieghe) e all’interno del doppio strato di membrane c’è una matrice, che contiene acqua, ribosomi (più piccoli di quelli che si trovano nel citoplasma) e una molecola di DNA circolare. La funzione è quella di produrre ATP (adenosina trifosfato), la molecola ricca di energia sotto forma di legami chimici. Per poter funzionare devono avere ossigeno al loro interno. Per produrre ATP utilizzano come principale materiale organico il glucosio, che entra nelle cellule e nel citoplasma delle cellule viene demolito in molecole più piccole in grado di entrare all’interno del mitocondrio. L’ossigeno è in grado di passare tranquillamente attraverso le membrane, entra nei mitocondri e viene utilizzato per produrre molecole di ATP. Le nostre cellule sono in grado di utilizzare, ogni 24 ore, una quantità di ATP pari al nostro peso corporeo. Per il 75% viene utilizzato per sintetizzare e produrre proteine; molte reazioni non avvengono spontaneamente ma richiedono energia. 12 svolge la funzione di contrazione per garantire il movimento e la forza degli organismi. È caratterizzato da cellule che presentano delle specificità diverse: possiamo riconoscere la muscolatura liscia (involontaria), muscolatura scheletrica (volontaria) e muscolatura cardiaca. La muscolatura liscia è quella che riveste ad esempio gli organi interni, in particolare l’apparato digerente. Involontaria perché la contrazione di questo tipo di muscolatura non avviene sotto un controllo volontario nostro ma a seguito di segnali ricevuti (ad es. ormonali). La muscolatura attua dei movimenti peristaltici che favoriscono l’avanzamento del cibo lungo il canale alimentare. La muscolatura scheletrica caratterizza tutti i muscoli di un organismo sotto il nostro controllo volontario. La muscolatura cardiaca è un muscolo liscio ma, a differenza della muscolatura che riveste gli organi interni, la muscolatura cardiaca è una muscolatura non volontaria (non è involontario perché è liscio, tutti i muscoli lisci sono involontari, è involontario nonostante sia striato); presenta un controllo autonomo e una contrazione continua. Le cellule muscolari sono cellule molto allungate con i nuclei posti sotto la membrana plasmatica (chiamata sarcolemma). All’interno del citoplasma le cellule, che sono come microcellule fuse insieme (motivo per cui presentano tanti nuclei), durante lo sviluppo di una fibra muscolare le cellule si fondono formando grandi cellule differenziate; il citoplasma delle cellule è occupato da miofibrille, formate da proteine contrattili citoscheletriche (actina e miosina) e organizzate in modo ordinato a formare strutture chiamate sarcomeri. - Sarcomeri→ unità contrattili, tutte uguali, lunghezza circa 2.5 µm. sono organizzati in modo strettamente ordinato e allineato, formati dall’associazione ordinata di filamenti di actina e miosina. Il sarcomero è formato da 2 delimitazioni, sono tutte strutture di natura proteica, per dar luogo a un’interazione tra i filamenti di actina e quelli di miosina, le due proteine principali dell’unità contrattile. Quando avviene la contrazione i filamenti di actina e miosina scorrono gli uni sugli altri, lo scorrimento fa accorciare il singolo sarcomero, l’accorciamento determina la contrazione e viceversa l’allungamento determina il rilassamento. 3. Tessuto connettivo: serve a connettere fra loro le diverse cellule, tessuti ed organi. Le cellule di questo tessuto danno forma e forniscono sostegno. È il tessuto maggiormente diversificato per forma e funzioni, appartengono al tessuto connettivo le ossa, le cartilagini, i tendini, il tessuto adiposo, il sangue e tutti i rivestimenti degli organi. Le cellule di diverso tipo sono immerse in una matrice extracellulare più o meno densa (composta da acqua, sali, glicoproteine fibrose). 4. Tessuto nervoso: è il tessuto che raccoglie tutte le informazioni che vengono ricevute dall’ambiente interno ed esterno e le invia al centro del comando. Raccoglie e processa le informazioni per attuare delle risposte (di tipo motorio o ghiandolari). Mette in relazione l’ambiente e l’organismo attraverso gli organi di senso. Questo tessuto forma anche i nervi, che compongono il sistema nervoso. Le cellule nervose usano segnali elettrici e segnali chimici per trasmettere messaggi da e per l’encefalo al resto del corpo. Il tessuto nervoso è formato da 2 principali categorie di cellule: - neuroni→ uniche cellule in grado di ricevere e trasmettere i segnali. I neuroni presentano un corpo cellulare all’interno del quale è ospitata la maggior parte degli organelli cellulari; il corpo cellulare presenta una serie di ramificazione (dendriti), strutture che ricevono gli stimoli che vengono poi trasmessi come segnale 15 elettrico e corre lungo un assone ad un altro neurone oppure ad un effettore (muscoli o ghiandole) tramite le terminazioni nervose. - cellule della glia→ danno un supporto al tessuto nervoso (collegano le cellule nervose con il sistema vascolare, ripuliscono il tessuto nervoso da detriti e cellule morte…). Relazione struttura – funzione: - Perché la pelle è fatta da tanti strati? La cute umana è caratterizzata dallo strato superficiale che è caratterizzato da più strati di cellule sovrapposte. Questi strati si sono evoluti nel tempo a partire dagli organismi da cui abbiamo avuto origine, l’evoluzione dei vertebrati è partita da una vita acquatica fino ad arrivare ad una vita in un ambiente terrestre. Uno dei primi problemi cui hanno dovuto far fronte gli organismi che vivono in un ambiente terrestre è quello dell’evaporazione dell’acqua. La pelle ha sviluppato uno strato spesso (almeno 5 strati), è caratterizzata dall’avere una presenza di numerose cellule con delle caratteristiche nello strato più superficiale di essere cellule morte ripiene di una proteina, la cheratina, che protegge dall’evaporazione dell’acqua. Un’altra funzione importante è quella di proteggere dai raggi solari caratterizzati da radiazioni pericolose in grado di penetrare all’interno delle cellule, raggiungendo i nuclei. I raggi ultravioletti se colpiscono i nuclei delle cellule possono determinare dei danni al DNA e quindi delle mutazioni. Altro aspetto importante è la funzione di barriera contro gli agenti esterni, agenti microbici e chimici. - Perché le cellule negli alveoli polmonari sono così sottili? I gas respiratori entrano dal naso e dalla bocca e, attraverso la trachea, raggiungono i polmoni. Le vie di conduzione si ramificano in strutture di dimensioni sempre più piccoli che rappresentano le zone terminali: i bronchi, i bronchioli e gli alveoli polmonari. Tutte queste strutture hanno lo scopo di aumentare la superficie dei polmoni e quindi l’ingresso dell’aria può essere scambiata in superfici più estese. Lo scambio avviene tra le cellule degli alveoli e tutta la rete dei capillari che rivestono gli alveoli polmonari. I capillari sono le strutture più piccole che si connettono con strutture vascolari sempre maggiori. Ci sono vie di conduzione dell’ossigeno (rosso) e vie di eliminazione dell’anidride carbonica (blu). Quando inaliamo aria, l’ossigeno deve essere scambiato ed essere condotto in tutti gli organi. L’ossigeno viene ceduto attraverso le cellule degli alveoli polmonari e attraverso i capillari; l’anidride carbonica viene eliminata dai capillari verso l’esterno, viene liberato negli spazi cavi degli alveoli polmonari per essere spinto all’esterno dai polmoni aiutati dal meccanismo di sollevamento e abbassamento del diaframma che favorisce la compressione e rigonfiamento dei polmoni. Anche le cellule degli alveoli polmonari hanno una selettività di membrana, fanno passare per diffusione l’ossigeno. La barriera deve essere sottile perché deve facilitare il transito dell’ossigeno e dell’anidride carbonica. - Perché i neuroni sembrano degli alberi? I dendriti sono le regioni che ricevono il segnale e lo devono trasmettere lungo l’assone; tutte le ramificazioni rappresentano delle strutture che consentono il collegamento e la raccolta di informazioni da diverse fonti. Il “modello” di cellula: rappresenta una schematizzazione utile a scopo didattico. Le cellule non sono tutte uguali. Come fanno le cellule di uno stesso organismo, che possiedono lo stesso genoma, ad essere così differenti? → le cellule nei diversi tessuti vanno incontro a un processo di differenziamento: cioè esprimono dei geni con funzioni diversi, ci saranno geni che vengono trascritti ad esempio nel neurone per sviluppare la capacità di sviluppare un assone, cosa che il linfocita non fa. Una volta che le cellule raggiungono la maturità vengono espressi geni diversi, un gene codifica per una specifica proteina, esprimere geni diversi fa sì che le cellule trascrivano e traducano proteine diverse, questo le rende diverse le une dalle altre. Ogni singola cellula ha lo stesso genoma, all’interno dello stesso genoma sono diversi i geni che effettivamente funzionano. Il post-it del DNA e l’epigenetica: il meccanismo epigenetico consiste nell’aggiunta di gruppi funzionali (gruppi chimici) al DNA oppure alle proteine attorno a cui si avvolge il DNA (gli istoni). I post-it rappresentano i gruppi funzionali, danno un’informazione. 16 I cambiamenti epigenetici regolano l’espressione genica. L’epigenetica è riferita allo studio dei cambiamenti dell’espressione genica che avvengono senza cambiamenti della sequenza di DNA (geni). Significato: i post-it epigenetici, insieme a proteine come i fattori di trascrizione, servono a dire in un preciso momento, a una cellula progenitrice per esempio del muscolo, di attivare questi geni e non altri, in modo che la cellula sia, appunto muscolo e non fegato o cervello. Si tratta di un programma ad accessi variabili al DNA, che permette agli organismi di creare e mantenere l’architettura dei propri tessuti, facendo convivere masse di cellule che in parte devono fare le stesse cose, in parte no. Le inattivazioni epigenetiche permettono a una cellula, un tessuto, un organismo di reagire velocemente e di adattarsi in maniera reversibile ai continui cambiamenti prodotti dal caso e quelli sollecitati dall’ambiente. L’ambiente (alimentazione, stile di vita, esposizione a inquinanti, fumo…) gioca un ruolo importante nelle modificazioni epigenetiche, e quindi nella regolazione dei geni che incidono su queste modificazioni. Il metabolismo: - Perché è necessario nutrirsi? Tutti gli alimenti sono necessari perché forniscono energia e materiali per la biosintesi. Gli alimenti sono rappresentati da lipidi, carboidrati, proteine ma anche vitamine e nutrienti minerali. Gli animali sono organismi eterotrofi→ ricavano i nutrienti cibandosi di altri organismi le piante (e alcuni organismi unicellulari) sono organismi autotrofi→ usano l’energia solare o l’energia chimica dei composti inorganici per la sintesi di tutte le macromolecole di cui sono formati. Metabolismo negli organismi eterotrofi: i nutrienti vengono utilizzati con due scopi principali: - alcuni vengono utilizzati come materia prima per la sintesi di strutture e materiali necessari, ad es. quando ci facciamo male è necessario che venga ripristinata l’integrità del tessuto o dell’organo e occorre il materiale che vada a riparare il tessuto/organo danneggiato; - alcuni vengono utilizzati come carburante, consente di attuare attraverso un processo di respirazione cellulare che degrada le molecole utilizzando ossigeno per andare a utilizzare l’energia chimica contenuta nelle molecole per sintetizzare i materiali e svolgere altre attività, tra cui: mantenimento l’omeostasi dell’organismo; per effettuare il movimento di materiali dentro e fuori la cellula; per l’accrescimento e lo sviluppo; per la riproduzione. La nutrizione è legata all’apparato digerente. Le molecole nutritive vengono utilizzate per produrre energia e per produrre elementi costitutivi per la biosintesi; le grandi molecole che ingeriamo vanno incontro ad un processo di demolizione, chiamate vie cataboliche→ le molecole nutritive (polimeri e macromolecole) sono degradate (ossidate) per formare i costituenti elementari (monomeri), liberano energia e calore. L’energia viene liberata in due forme: energia in forma riutilizzabile per le molecole ed energia sotto forma di calore disperso. Un’altra via di tipo metabolico, sono le vie anaboliche (di sintesi) → uniscono (sintesi) le molecole semplici per costruirne di più complesse (macromolecole), questo processo richiede energia. L’energia viene immagazzinata sotto forma di un gruppo chimico; le molecole che più di tutte hanno un contenuto di energia altissimo all’interno dei loro legami chimici vengono chiamate trasportatori attivati, tra queste la principale è l’ATP. L’ATP è una molecola caratterizzata da una struttura di base simile a quella dei nucleotidi→ la struttura dello zucchero (ribosio), la presenza di una base (adenina) e la presenza di gruppi fosfato che sono quelli che presentano al loro interno moltissima energia chimica di legame. 17 La velocità con cui una molecola diffonde (cioè passa da una zona a maggior concentrazione ad una a minor concentrazione) attraverso una membrana dipende dalle dimensioni e dalla solubilità. In generale molecole piccole e idrofobe tendono a diffondere attraverso le membrane (O2, CO2, N2…); ioni inorganici, zuccheri, amminoacidi, nucleotidi (molecole idrofile) ed altri metaboliti cellulari necessitano di un trasporto facilitato, hanno bisogno di una struttura all’interno della membrana che garantisca loro l’ingresso e l’uscita. La membrana plasmatica è una barriera a doppio strato lipidico; garantisce una selettività. Assorbimento di molecole e ioni attraverso l’epitelio intestinale: le cellule del rivestimento epiteliale, quelle rivolte verso il lume, sono dotate da un lato di microvilli, dall’altro sono caratterizzate dall’avere sulla superficie delle proteine specializzate che possono essere dei trasportatori o dei canali. Ci sono dei trasportatori per gli zuccheri e altri specifici per le altre molecole. La peculiarità di questo tratto è legata alla specializzazione delle cellule. Ci sono anche dei trasportatori nella regione basale che consentono la fuoriuscita delle molecole. Funzionamento dell’apparato digerente: 1. la masticazione: processo di collaborazione tra denti, mandibola e lingua, interviene anche la saliva (prodotta circa 1,5 l al giorno) che inumidisce il cibo e contiene degli enzimi→ già nella bocca si garantisce una prima digestione; 2. il cibo viene deglutito, passa nell’esofago che conduce allo stomaco 3. nello stomaco inizia la prima fase di demolizione acida e meccanica, la presenza di un ambiente acido consente di neutralizzare eventuali batteri/microrganismi presenti nel cibo→ sterilizzazione del cibo; la quantità di succhi gastrici rilasciati nel lume dello stomaco è enorme; 4. si arriva all’intestino, nel duodeno, fluidi si mescolano con i fluidi che arrivano dallo stomaco, arrivano sostanze acide quindi sono presenti succhi alcaidi che neutralizzano l’acidità del cibo che arriva dallo stomaco; 5. intervengono dei succhi pancreatici, rilasciati dal pancreas, contribuiscono alla digestione; 6. fegato e cistifellea contribuiscono al rilascio di succhi biliari che contengono enzimi che favoriscono la subilizzazione dei grassi che vengono poi aggredite dagli enzimi specifici; 7. il cibo arriva nella regione dell’intestino tenue dove viene completata la digestione, gli elementi nutritivi vengono assorbiti; 8. gli ultimi tratti dell’intestino crasso vengono compattate le sostanze di rifiuto (feci), viene recuperata l’acqua assieme ad altri sali per evitare lo spreco; 9. a livello dell’intestino retto avviene l’eliminazione delle feci. Il canale alimentare è aiutato anche da altri organi, principalmente: - fegato e cistifellea → collaborano nella produzione della bile secreta grazie a cellule specializzate, viene immagazzinata all’interno della cistifellea che la rilascerà a livello intestinale nel momento del bisogno; - pancreas → c’è una porzione di pancreas (pancreas esocrino) che produce degli enzimi digestivi che vengono riversati a livello intestinale. Stomaco dei ruminanti: sono chiamati ruminanti perché hanno uno stomaco particolare→ è una porzione estesa, costituito da diverse camere, 4 sacche, che hanno funzioni diverse: - rumine e reticolo→ ospitano microrganismi in grado di fermentare la cellulosa; gli alimenti masticati, bolo, viene continuamente rigurgitato e rimasticato; - omaso→ la miscela di cibo fermentato e microrganismi passano attraverso l’omaso dove viene concentrato e ha luogo il riassorbimento dell’acqua; - abomaso→ rappresenta lo stomaco vero e proprio; i microrganismi vengono uccisi dall’acido cloridrico, digeriti dalle proteasi e trasferiti nell’intestino tenue per completare la digestione. Di cosa ha bisogno il nostro organismo? Il nostro organismo non ha bisogno solo di carboidrati, proteine e grassi ma abbiamo bisogno anche di: - vitamine→ composti organici che non siamo in grado di sintetizzare, ma che hanno un ruolo fondamentale per le funzioni cellulari; - nutrienti minerali→ ferro, rame, zinco, calcio… 20 In generale definiamo macronutrienti quegli elementi da introdurre in grande quantità→ calcio, cloro, magnesio, fosforo, potassio, sodio, zolfo… micronutrienti quegli elementi richiesti in quantità minime (<100mg/gg) → cromo, cobalto, rame, iodio, ferro, manganese, zinco… La respirazione cellulare: la formula generale della respirazione cellulare→ in una formula vengono descritti i substrati, ovvero molecole che entrano in una reazione chimica, in questo caso: glucosio C6H12O6, ossigeno 6O2, acqua 6H2O), da questi substrati tramite delle reazioni chimiche si arriverà a delle molecole chiamati prodotti, in questo caso: anidride carbonica 6CO2, acqua 12H2O, energia 32ATP. Formula generale respirazione cellulare: C6H12O6+6O2+6H 2O→6CO2+12H 2O+32 ATP 1. In quali comparti cellulari avvengono le reazioni – Glicolisi: in una prima tappa il glucosio entra nella reazione, è una molecola a 6 atomi di carbonio, nel citoplasma dove sono presenti degli enzimi subisce una serie di trasformazioni (reazioni) che portano alla demolizione del glucosio, in totale 10 reazioni. Dal glucosio iniziale, dopo le reazioni chiamate di glicolisi, otteniamo 2 molecole, chiamate piruvato, a 3 atomi di carbonio. Durante le 10 reazioni in parte viene consumato ATP e l’energia viene utilizzata per effettuare altre reazioni; in parte si ha anche la sintesi di ATP. Complessivamente al termine della glicolisi avremo una resa di 2 molecole di ATP. Le due piruvati vengono trasformate in un altro composto, acetil coenzima A (Acetil CoA) sempre composto a 3 atomi di carbonio. 2. La respirazione cellulare nei mitocondri: il secondo step avviene all’interno dei mitocondri, sia nella matrice sia a livello delle creste. La serie di reazione che avviene all’interno dei mitocondri nei due comparti si chiama respirazione cellulare. All’interno delle cellule c’è una serie di reazioni chimiche, le proteine, i carboidrati e i grassi vengono scomposti, il prodotto finale è sempre una molecola di Acetil CoA. A partire da diverse fonti e da diverse sintesi si ha la produzione di un’unica molecola che verrà usata all’interno dei mitocondri per produrre ATP. La molecola entra nei mitocondri, l’Acetil CoA va incontro ad una serie di reazioni chimiche che si susseguono nella matrice e nelle creste per dar luogo alla produzione di ATP. Ci sono dei cicli e all’interno delle reazioni verrà usato l’ossigeno, una molecola che rappresenta una delle ultime molecole che interviene nelle reazioni, senza ossigeno non ci sono reazioni. I prodotti di scarto sono anidride carbonica e acqua. L’ossigeno che respiriamo, la maggior parte, entra nei mitocondri e viene usato per la sintesi di ATP. All’interno dei mitocondri, a partire da Acetil CoA, vengono prodotte 30 molecole di ATO. L’O2 è il substrato fondamentale per poter procedere nella sintesi di ATP nei mitocondri. Senza O 2 non avviene produzione di ATP→ motivo per cui si chiama respirazione cellulare. 3. Importanza dell’ossigeno – partire da esperienze pratiche: Fermentazione alcolica→ viene effettuata per la produzione di vino, birra… se ne occupano degli organismi unicellulare, lieviti, effettuano una serie di reazioni, a partire da zuccheri, viene consumato anche ADP ma si produce etanolo, anidride carbonica e 2 molecole di ATP. Formula: C6H12O6+2 ADP+2 Pi→2etanolo+2CO2+2 ATP La fermentazione alcolica avviene nel citoplasma, non usa ossigeno perché i lieviti sono organismi che non utilizzano l’ossigeno ma sono anaerobi, per poter vivere non devono crescere in presenza di ossigeno. Da un punto di vista biologico questo processo ha una resa di sole 2 molecole di ATP. Fermentazione lattica→ in una condizione di grande sforzo l’ossigeno non riesce a raggiungere i muscoli perché il sangue non riesce ad arrivare correttamente, le cellule non possono quindi utilizzare il glucosio per attuare i processi di glicolisi e di respirazione cellulare ma si fermano a un processo di glicolisi chiamato fermentazione lattea, avviene nel citoplasma delle cellule. Viene usato il glucosio, viene in parte usato l’ADP, ma assieme alle 2 molecole di ATP viene prodotto lattato (acido lattico). Formula: C12H 12O6+2 ADP+2Pi→2 lattato+2 ATP Mettendo a confronto la glicolisi e la respirazione cellulare, la resa della glicolisi è di 2ATP come le fermentazioni, mentre la respirazione cellulare produce 30ATP. La presenza di ossigeno all’interno dei mitocondri garantisce una resa enorme. 21 Metabolismo nelle piante: il metabolismo è costituito da una fase di catabolismo (demolizione delle sostanze organiche) e una fase di anabolismo (sintesi). Nel catabolismo si ha produzione di energia, nel caso dell’anabolismo l’energia viene usata per sintetizzare nuove molecole. Le piante sono organismi fotosintetici, il processo fotosintesi è un processo anabolico→ l’energia solare è catturata e utilizzata per trasformare l’anidride carbonica (CO2) in zuccheri. Le piante ricevono l’energia dalla luce del sole, utilizzano anche acqua proveniente dal terreno che viene portata all’interno delle piante grazie all’apparato radicale. La molecola essenziale utilizzata per la sintesi degli zuccheri è la CO2 che arriva dall’atmosfera. La Co2 entra nelle piante attraverso dei pori presenti sulla faccia inferiore delle foglie, gli stomi. I substrati della formula sono anidride carbonica e acqua, i prodotti sono ossigeno e zuccheri. Formula generale della fotosintesi: CO2+H2O→O2+zuccheri Anche le alghe e alcuni batteri effettuano la fotosintesi utilizzando l’energia della luce solare. Fotosintesi – gli aspetti chiave: siamo in organismi vegetali, le cellule vegetali contengono anche cloroplasti, sono presenti pigmenti fotosintetici. Il ruolo della luce è quello di essere assorbito dai pigmenti presenti sulle membrane dei tilacoidi. I pigmenti hanno la capacità di assorbire tutte le lunghezze d’onda della luce, assorbono l’energia luminosa convertendola in energia chimica che verrà usata per produrre ATP. Ci sono fasi definite luminose, quindi avvengono in presenza della luce, ma quando non c’è la luce la cellula vegetale è in grado di immagazzinare l’energia accumulata durante l’esposizione luminosa in ATP. Attraverso una serie di reazioni si ha la fissazione del carbonio, la CO2 viene usata per produrre degli zuccheri. Relazione respirazione cellulare – fotosintesi: CO2+H 2O→O2+zuccheri zuccheri+O2→H2O+CO2 Fotosintesi respirazione cellulare Nella fotosintesi, con substrati anidride carbonica e acqua, tramite l’energia della luce solare, si arriva alla produzione di ossigeno e zuccheri i quali, assieme ad altre molecole organiche, vengono utilizzati dalla maggior parte degli organismi viventi per fare respirazione cellulare. Quindi i due processi sono complementari. Cosa viene scambiato tra piante e animali: le piante usano la luce, producono degli zuccheri che in parte vengono usati dalle piante, in particolare dai mitocondri per produrre energia, in parte vengono accumulati come sostanze di riserva. Il carbonio fissato in forma di zuccheri viene accumulato ad esempio come amido nelle patate. Il carbonio contenuto all’interno dell’amido delle patate viene utilizzato come nutrizione dagli organismi viventi per produrre energia; attraverso la respirazione cellulare viene liberata CO2 e così il ciclo continua. Importanza del carbonio: la biologia della vita è la biologia del carbonio→ la maggioranza delle molecole della vita è costituita e caratterizzata da un’ossatura di carbonio. - Gli zuccheri che compongono i nucleotidi degli acidi nucleici, il ribosio (RNA) e il desossiribosio (DNA), all’interno della molecola gli atomi di carbonio stanno ai vertici del pentagono, la molecola di glucosio ha 6 atomi di carbonio al suo interno; caratterizzati anche dalla presenza di basi formate da uno scheletro che contiene atomi di carbonio; - Amminoacidi hanno un cuore di carbonio e un gruppo carbossilico; - Acido grasso (componente dei lipidi) ha un’ossatura di carbonio; - Vitamine , ai vertici delle strutture sono sempre presenti atomi di carbonio. I cicli biogeochimici: il carbonio è presenta e comune sulla Terra, è presente in tutti i suoi comparti, nell’atmosfera, nelle piante, negli animali. Ne è presente una quantità finita; viene continuamente riciclato e riutilizzato. Nel corso del tempo il carbonio passa attraverso l’aria, il suolo, le rocce, gli organismi vivente attraverso i cicli biogeochimici. Cicli biogeochimici e bottiglie di plastica: cosa hanno in comune? 22 nucleo che ad un certo punto sparirà. All’interno del nucleo abbiamo la cromatina, i due cromatidi sono appaiati, identici, e sono tenuti insieme da una serie di proteine. Al di fuori del nucleo, a partire dai centrosomi, iniziano ad essere sintetizzate le fibre del fuso, quello che rappresenterà una struttura scheletrica di supporto e che partecipa attivamente al processo di segregazione del materiale genetico. La membrana nucleare viene dissolta e si viene a formare le strutture delle fibre del fuso a cui si agganciano i microtubuli attraverso proteine specifiche presenti nella regione del centrometro. Inizia un’organizzazione dei cromosomi all’interno della cellula che sta iniziando a dividersi. Le fasi sono: interfase, profase e prometafase. Mitosi e citodieresi: la fase successiva è la metafase, è una delle fasi più importante durante la fase di mitosi. Le fibre del fuso sono perfettamente formate e i cromosomi si allineano lungo la piastra equatoriale (o metafasica). I due cromatidi fratelli sono tirati uno dalla parte e uno dall’altra della cellula, in questo modo l’attività dei microtubuli che si agganciano ai cromatidi tirano i cromatidi che tendono a separarsi. Le proteine che li tenevano uniti vengono rilasciate dai cromatidi fratelli perché devono favorire il lavoro dei microtubuli. Nell’anafase i cromatidi si separano e i cromosomi figli si spostano verso i poli delle cellule figli. Nella telofase i cromosomi si trovano in una regione che è la regione delle future cellule figlie, l’involucro nucleare si forma e il materiale cellulare si trova avvolto dalla membrana cellulare. Le ultime fasi sono rappresentate dalla citodieresi→ il materiale genetico può decondensarsi per far ripartire i processi della cellula, il materiale della cellula deve essere separato e quindi si forma un solco per garantire la separazione delle due cellule figlie. Il solco si forma grazie ad altre proteine che formano degli anelli tra le due cellule che si stringono fino a separare le due cellule figlie. Divisione cellulare nelle cellule vegetali: il processo è simile, con alcune differenze legate alla presenza di una parete rigida che non consente la flessibilità nella formazione del solco. Oltre alla membrana plasmatica il rivestimento esterno è formato da cellulosa. Al termine della fase G2 la cellula si prepara ad entrare nella fase di mitosi; nella cellula vegetale è presente una banda preprofasica di microtubuli e di filamenti di actina. Come si generano nuovi organismi: Riproduzione asessuata: non sono necessari 2 organismi che appartengono a sessi distinti. Le modalità sono diverse e possono comprendere: - Un meccanismo di divisione della cellula→ riguarda principalmente organismi unicellulari (procarioti o batteri); - Un meccanismo di gemmazione→ tipico di organismi acquatici, come l’idra, e un piccolo organismo eucariote come il lievito; si ha la formazione di gemme che si staccano dall’organismo genitore generando una progenie; - Un meccanismo di partenogenesi→ riguarda organismi pluricellulari, anche vertebrati e alcuni insetti, dei sauri (rettili), crostacei e uccelli; gli organismi depongono delle uova da cui si originano nuovi individui. A volte è obbligata e a volte può rappresentare una modalità di riproduzione di vantaggio per l’organismo in certe condizioni ambientali. Riproduzione per gemmazione: l’idra è un organismo che vive in acqua dolce, è un piccolo polipo non coloniale, è un piccolo invertebrato la cui specie Hydra magnipapillata è largamente utilizzata come organismo modello per la sua capacità di rigenerazione. Si riproduce per gemmazione laterale di nuovi polipi, che si staccano dal corpo della madre per poi attaccarsi al substrato. La simmetria negli animali: gli Eumetazoi, gli animali che presentano una organizzazione in tessuti e organi, sono suddividi sulla base della simmetria del loro corpo. Piano che divide un animale in parti speculari. Simmetria bilaterale: l’organismo non può essere diviso indistintamente in piani speculari tra di loro; 25 simmetria radiata: l’organismo può essere diviso indistintamente in piani speculari tra di loro (es. l’idra). Cos’hanno in comune la divisione, gemmazione e partenogenesi? Gli organismi che si generano secondo queste modalità sono cloni geneticamente identici. Sono organismi che hanno un patrimonio genetico identico all’organismo che li ha generati. Il fatto di essere dei cloni comporta l’essere a rischio delle malattie, se un agente patogeno colpisce uno, colpisce tutti. Essere tutti uguali non è sempre un bene. Meiosi e la riproduzione sessuata: la meiosi sta alla base della formazione delle cellule che garantiscono la riproduzione sessuata, quindi i due gameti. In un organismo materno e paterno si ha la produzione di un numero elevato di gameti, che segue una prima parte di mitosi che garantisce la produzione di un numero elevato di cellule uguali. La riproduzione sessuata produce nuove combinazioni di cromosomi. Nella meiosi i corredi cromosomici paterno e materno presenti nelle cellule germinali vengono ripartiti nei singoli corredi cromosomici dei gameti. Ogni gamete riceve una combinazione di omologhi materni e paterni che si combinano durante la fecondazione a formare lo zigote. I geni hanno versioni alternative, gli alleli. Durante la meiosi si ha la ricombinazione genetica. Patrimonio genetico: il patrimonio genetico di una cellula somatica dell’uomo (ad eccezione delle cellule riproduttive) presenta al loro interno un nucleo caratterizzato da un numero di cromosomi fisso di 46, tutti dello stesso tipo, hanno un patrimonio genetico identico definito diploide, 2n. i cromosomi sono organizzati in 22 coppie definite omologhi (simili, ma non identici) uno di origine paterna e uno di origine materna. Ci sono altri 2 cromosomi sessuali (cromosoma X e Y), indicati con eterologhi (perché presentano caratteristiche diverse). Le cellule di un individuo maschile presentano i cromosomi X e Y mentre quelle femminile X e X. Se prendiamo una coppia di cromosomi omologhi, il gene presenta una localizzazione precisa all’interno della sequenza del DNA e codifica per una specifica proteina con una caratteristica, l’allele si trova nella stessa posizione sul cromosoma omologo ma non codifica la stessa proteina con le stesse caratteristiche. La meiosi – meiosi I: gamete femminile e maschile presentano la caratteristica di possedere un patrimonio genetico aploide. La meiosi è caratterizzata da una serie di fasi. - Profase I iniziale→ la cromatina arriva dall’interfase, il materiale genetico duplicato inizia ad addensarsi, i centrosomi organizzano i microtubuli che favoriranno il processo di segregazione del materiale genetico; - Profase I intermedia→ strutturazione dei cromosomi in bastoncelli molto compatti, si viene a formare un appaiamento tra cromosomi che derivano da un genitore e cromosomi che derivano dall’altro genitore, appaiamento di cromosomi omologhi, si appaiano lungo tutta la loro lunghezza; l’appaiamento è favorito da un riconoscimento delle sequenze; - Profase I tardiva→ i cromosomi omologhi si avvicinano alle loro strutture, sono riconoscibili i cromatidi fratelli, si ha un appaiamento di cromatidi che appartengono ai due cromosomi omologhi. In questa fase si ha una differenza rispetto alla mitosi: l’appaiamento dei cromosomi è un appaiamento di cromosomi omologhi, questo riconoscimento dei cromosomi omologhi avrà delle ripercussioni sulla fase successiva; - Metafase I→ si ha la formazione delle fibre del fuso che attraversano la cellula e mettono in connessione i poli della cellula. Gli omologhi vengono legati alle fibre del fuso quindi ai microtubuli lungo la piastra equatoriale; - Anafase I→ i microtubuli tirano verso i poli opposti, i cromosomi omologhi vengono allontanati e vengono portati nelle regioni che rappresenteranno le due future cellule che si vengono a formare. Vengono separati i cromosomi di origine paterna e materna in modo casuale; - Telofase I→ formazione del nucleo delle cellule con il processo di citodieresi si completa la prima fase della meiosi. La meiosi – meiosi II: 26 ognuna delle due cellule va incontro ad un processo di meiosi II. Il processo segue le stesse fasi della meiosi I ma con una caratteristica: le cellule che escono dalla meiosi I ed entrano in un nuovo ciclo di duplicazione non hanno duplicato il materiale genetico. I cromosomi che si vanno a formare sono dei singoli cromatidi, l’appaiamento lungo la piastra metafasica avviene tra i cromatidi, tra le coppie di cromatidi omologhi, non sono cromosomi duplicati, sono singoli cromatidi che si appaiano. L’appaiamento tra le coppie di cromatidi che si allineano, vengono agganciati ai microtubuli e tirati verso i poli opposti della cellula, il legame dei microtubuli ai cromatidi determina la separazione dei cromatidi. Un cromatidio rappresenta un cromosoma. Nelle due cellule figlie avremo i singoli cromosomi che si separano nelle due cellule figlie. Durante la fase di appaiamento (meiosi I) degli omologhi, gli omologhi si appaiano lungo la piastra metafasica, si ha il riconoscimento perché cromosomi omologhi, presentano degli alleli. Durante l’appaiamento i cromosomi generano delle strutture che formano dei chiasmi, si formano degli scambi di materiali genetico→ processo di crossing-over, scambio di materiale genetico e quindi ricombinazione genica. I cromosomi sessuali presentano in piccole regioni dei tratti di omologia, presentano delle piccole sequenze che possono essere omologhe e quindi scambiate. Significato biologico della meiosi: produrre i gameti con patrimonio genetico aploide. Si ha un solo ciclo di replicazione del materiale genetico ma 2 cicli di divisione, la conseguenza è la formazione di 4 cellule aploidi. Se restiamo nell’uomo, nelle gonadi femminili si ha la formazione di un’unica cellula uovo non ancora matura al momento della nascita, si ha un patrimonio di cellule uovo predeterminato al momento della nascita che matureranno a partire dalla maturità in poi, è un processo che continua anche nell’organismo adulto. A partire da un’unica cellula che produce un gamete si ha la formazione di un’unica cellula che diventerà una cellula uovo e la produzione di 3 globuli polari, che degenerano. Nelle gonadi maschili si ha la formazione di 4 cellule apolidi a partire da un’unica cellula aploide. Figura 1 contenuto di materiale genetico a confronto – mitosi e meiosi Meiosi ed evoluzione – qual è la spiegazione biologica: la meiosi genera una variabilità genetica: - Si ha una distribuzione casuale dell’omologo paterno e dell’omologo materno, che determina un rimescolamento degli alleli; - L’appaiamento di omologhi e il crossing-over produce nuovi assortimenti genici. Queste nuove combinazioni di alleli e discendenza di individui geneticamente diversi può favorire la specie in condizioni ambientali mutate. Errori nella meiosi: gli errori nella meiosi portano ad anomalie nella struttura e nel numero dei cromosomi. Si possono verificare caso di separazione non disgiunzione che portano ad aneuploidie→ produzione di cellule che presentano uno o più cromosomi al loro interno, oppure sono mancanti uno o più cromosomi. 27 il suo interesse era anche cercare di capire come vengono ereditati i caratteri e se vengono ereditati in modo indipendente o associato. Proseguì con il metodo scientifico. Partì considerando degli organismi che differivano per due caratteri, che rappresentavano il colore e la forma del seme. Effettuò degli incroci con una generazione parentale che presentava come fenotipo seme liscio e giallo (quindi caratteri RRYY) e una generazione parentale con fenotipo seme verde e rugoso (quindi caratteri rryy). Le domande a cui Mendel cercava di rispondere erano: 1. quando l’organismo produce gameti, gli alleli R e Y vanno sempre insieme in un gamete ry nell’altro? 2. Oppure può un singolo gamete ricevere un allele recessivo e uno dominante (cioè R e y e l’altro r e Y)? L’esperimento fu quello di incrociare, il primo incrocio delle due generazioni parentali (RRYY x rryy) diede la formazione di una generazione F1 che era gialla e liscia, perché i caratteri giallo e liscio sono i caratteri dominanti, ciascun gamete prende una copia di ciascun gene, quindi i gameti possibili sono RY, Ry, rY, ry. Riempiendo la griglia secondo il quadrato di Punnet, incrociando gli organismi ottenendo la generazione F2 ottenne che quando le piante F1 vengono autoimpollinate, i gameti si combinano casualmente per produrre una generazione F2 con quattro fenotipi diversi in un rapporto di presenza di caratteri dominanti e caratteri dominanti (rapporto 9:3:3:1). Si ottengono semi gialli e lisci, semi verdi e lisci, semi verdi e rugosi e semi gialli e rugosi. Secondo la seconda legge di Mendel, che è la legge dell’assortimento indipendente→ gli alleli di geni diversi si assortiscono indipendentemente l’uno dall’altro durante la formazione dei gameti. Lo studio fu condotto su tutti e 7 i caratteri presi in considerazione, ottenendo sempre un rapporto 9:3:3:1 tra i quattro fenotipi. Seconda legge di Mendel spiegata dalla meiosi: prendendo in considerazione R, r, Y e y. Abbiamo diploidi parentali e che presentano gli alleli omozigoti RR sul cromosoma duplicato, i cromosomi omologhi si appaiano sulla piastra metafasica, i due cromosomi portano i caratteri R (o r) e Y (o y). Durante la prima divisione meiotica si ha la segregazione degli omologhi, una coppia di cromosomi verrà distribuita in una cellula figlia e l’altra coppia nell’altra. Alla seconda divisione meiotica non si ha la duplicazione del materiale genetico, si ha una separazione dei due cromatidi, questo comporta che i gameti che si vengono a formare hanno una combinazione possibile RY, rY, Ry, ry. Mendel studiò 7 caratteri ognuno sotto il controllo di un gene distinto, fu una scelta fortunata, lui non lo poteva sapere. Oggi sappiamo che questi geni si trovano in gran parte su cromosomi diversi, il che spiega facilmente l’assortimento casuale che osservò Mendel. L’assortimento indipendente dei caratteri diversi non richiede necessariamente che i geni si trovino su cromosomi diversi. Geni sullo stesso cromosoma, ma separati da una distanza sufficiente, si distribuiranno in modo indipendente a causa della ricombinazione (crossing-over) che avviene in meiosi. Gli organismi e l’ambiente: organismi vertebrati che possono essere suddivisi per delle caratteristiche in 3 ordini di animali: anfibi anuri (privi di coda), anfibi urodeli e anfibi apodi (privi di arti pari). Questi organismi sono i primi (da un punto di vista evolutivo) vertebrati terrestri (hanno colonizzato la terra ferma). Sono ancora legati all’ambiente acquatico, soprattutto per la riproduzione. Producono uova da cui si sviluppano larve che conducono vita acquatica che respirano mediante branchie. Il passaggio dalla vita acquatica alla vita in ambiente aereo comporta un radicale cambiamento di diverse strutture anatomiche e, alla fine del periodo larvale, l’anfibio va incontro a una complessa metamorfosi. Il ciclo vitale è complesso e articolato. 30 Esempio della rana: L’organismo adulto si riproduce per riproduzione sessuata, produce cellule uovo che il maschio feconda secondo una fecondazione esterna. Il meccanismo di produzione dei gameti è il processo di meiosi→ una divisione delle cellule che consente di arrivare alla produzione di cellule aploidi. Tramite la fecondazione esterna vi è il processo di mitosi→ produzione di cellule diploidi e accrescimento dell’organismo (differenziamento). Gli organismi che più ci ricordano le prime fasi di vita di un girino sono i pesci. Acqua e terra – come respirano gli anfibi: l’apparato respiratorio di un girino in acqua sono le branchie e i polmoni in ambiente aereo, negli adulti. Le branchie sono strutture adatte a una respirazione in acqua, sono direttamente in contatto con l’ambiente acquatico e con l’ossigeno presente nell’acqua; in un ambiente terrestre l’ossigeno utilizzato è quello presente in forma gassosa nell’atmosfera. Le branchie sono delle strutture che in generale sono strutture lamellari interne, l’acqua passa attraverso queste strutture, l’ossigeno è in grado di passare all’interno dell’organismo. Molto spesso sono presenti delle strutture che sono branchie esterne che alcuni anfibi mantengono durante tutto l’arco della loro vita; queste strutture sono delle espansioni della cute che formano dei ciuffi filamentosi, presentano una ricca vascolarizzazione che consentono gli scambi dei gas e sono caratterizzati da muscolatura, consentono di smuovere l’acqua respiratoria e quindi di aumentare l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno dall’ambiente acquatico all’interno dell’organismo. Con la metamorfosi si passa dalle branchie ai polmoni. Nelle rane sono polmoni abbastanza semplici, sono a forma di sacco poco efficienti negli scambi respiratori. Le camere interne sono pochissimi, sono i primi polmoni sviluppatosi negli anfibi che hanno colonizzato l’ambiente terrestre. Questi anfibi hanno la necessità di utilizzare anche la cute per gli scambi respiratori. il meccanismo di scambio respiratorio attraverso la cute è favorito dalle piccole dimensione degli organismi. Organismi piccoli sono facilitati dall’attuare scambi respiratorio attraverso la cute. Acqua e terra – come si modifica la pelle: la pelle è uno degli organi costituita da 2 tessuti, uno epidermide e uno sottostante in contatto con gli organi interni. La pelle dei girini è simile a quella dei pesci; lo strato più superficiale (epidermide) è costituita da pochi strati di cellule tutte vive unite da giunzioni e ricoperte di muco. Nell’organismo adulto che può vivere in un ambiente terrestre lo strato della pelle è molto più spesso. Lo strato superficiale dell’epidermide è costituito da un numero maggiore di strati di cellule. Sono presenti delle ghiandole e uno strato corneo che compare per la prima volta negli anfibi ed è uno strato molto sottile. All’interno dello strato del derma, parte sottostante all’epidermide, sono presenti cellule pigmentate. La pelle degli anfibi e alcuni esempi di adattamenti: i girini vivono esclusivamente in acqua. Hanno la necessità di regolare gli scambi con l’ambiente esterno. Hanno la necessità di effettuare scambi gassosi perché hanno i polmoni poco efficienti (pelle sottile e poco corneificata). Gli strati di rivestimento della cute dei girini garantiscono e facilitano il trasporto dell’ossigeno. Gli organismi presentano delle giunzioni, la barriera tra l’ambiente interno e quello esterno è garantito da cellule che regolano gli scambi osmotici di acqua e soluti con l’ambiente esterno. La rana vive in un ambiente subaereo, ha la necessità di effettuare scambi gassosi con i polmoni ma poco efficienti, contribuisce la cute che nel caso di anfibi deve bilanciare le funzioni, deve limitare il più possibile l’evaporazione dell’acqua e favorire il meccanismo di respirazione. L’anfibio adulto è in grado di sviluppare delle livree vistose, aspetto importante che è dovuto a un avvertimento per potenziali predatori, è associata a secrezioni delle ghiandole velenose. Il proteo è un anfibio Urodelo che vive e si riproduce esclusivamente in grotta (troglobio). Ha una cute totalmente depigmentata ed è praticamente cieco: adattamento alla vita in ambiente privo di luce naturale. Presenta caratteri di neotenia: non effettua metamorfosi, mantiene le caratteristiche larvali per tutta la vita (ad es. branchie esterne). Cosa regola la quantità e le dimensioni delle cellule? I processi che determinano le dimensioni degli organi e del corpo sono principalmente: accrescimento, divisione e morte delle cellule. Il processo di morte cellulare regolamentato dagli organismi e vistosissimo negli anfibi viene chiamato processo di apoptosi o morte programmata→ è programmato nella fase di sviluppo degli organismi che alcune cellule muoiano per dar spazio ad altre strutture (ad es. coda dei girini). Questo garantisce 31 l’eliminazione di cellule indesiderato o non più necessarie. Questo processo avviene anche negli adulti e consente di mantenere le strutture degli organi costanti. Apoptosi e necrosi: - apoptosi → si osserva il classamento del citoscheletro, disgregazione dell’involucro nucleare e frammentazione del DNA (condensazione cellulare). La superficie cellulare si modifica per richiamare cellule a funzione fagocitaria (macrofagi). Il materiale organico viene riciclato dai macrofagi. - necrosi → morte cellulare dovuta in genere a danno acuto. Si osserva rigonfiamento e rilascio del contenuto cellulare. Provoca infiammazione e danni ai tessuti circostanti. Deposizione delle uova: le rane depongono migliaia di uova alla volta e sono avvolte da una massa gelatinosa→ depongono migliaia di uova perché le depongono in un ambiente esterno, hanno una fecondazione esterna in cui ci sono anche altri organismi, il successo riproduttivo è molto basso a causa dei predatori. Le uova spesso sono ancorate a strutture e sono caratterizzate da una massa gelatinosa che ha un ruolo protettivo e di garantire un’adesione tra le diverse uova ed evitarne una dispersione nell’ambiente. Uova dei vertebrati: le uova si differenziano da un punto di vista dimensionale, la dimensione dipende dalle caratteristiche interne dell’uovo stesso. Le uova degli anfibi vengono definite uova mesolecitiche, è riferito al quantitativo di vitello, cioè di materiale nutritivo che serve all’organismo alle prime fasi di sviluppo. La struttura sovrastante è il citoplasma formativo, cioè citoplasma in cui sono contenute proteine e mRNA. Nella regione sovrastante, polo animale, è contenuto il nucleo con il materiale genetico; il polo vegetativo è quella parte in cui è contenuto il materiale nutritivo. Le uova mesolecitiche hanno un contenuto di materiale nutritivo definito intermedio (meso) rispetto a uova oligolecitiche dove il materiale nutritivo è pochissimo se non nullo distribuito all’interno dell’uovo, e rispetto a uova telolecitiche che presentano un quantitativo enorme di vitello, si ha lo schiacciamento del citoplasma formativo mentre il polo vegetativo viene usato come materiale per la costruzione dell’organismo. Quale fattore influisce sulle dimensioni e tipologia delle uova: i fattori che influiscono maggiormente sulle dimensioni delle uova e quindi sulla tipologia sono rappresentati dalla modalità di sviluppo degli organismi e dall’ambiente in cui si sviluppano. - Uova oligolecitiche: la caratteristica più importante che fa si che le uova siano molto piccole e praticamente prive di sostanze nutritive è dovuta al fatto che la fecondazione è interna e lo sviluppo dell’embrione è interno alla madre. È la madre che fornisce il nutrimento all’embrione che si sta sviluppando; - Uova mesolecitiche: gli anfibi hanno uno sviluppo e una fecondazione esterno, in un ambiente acquatico. È necessario che le prime fasi di sviluppo abbiano l’apporto di tutti i nutrienti per garantire la formazione delle nuove cellule fino alla fase di fuoriuscita del girino che diventa autonomo e in grado di nutrirsi; l’ambiente acquatico non necessita di gusci protettivi delle uova; - Uova telolecitiche: uova dei rettili e degli uccelli, depongono delle uova che sono dotate di guscio, questi organismi depongono le uova in un ambiente esterno che è ostile da un punto di vista dell’acqua che non deve evaporare, i gusci garantiscono una limitazione dell’evaporazione dell’acqua e un rivestimento protettivo. Le uova sono completamente isolati, non hanno il supporto della madre per il nutrimento, al momento del loro sviluppo devono avere un grosso quantitativo di materiale nutritivo; al momento della schiusa i piccoli sono completamente formati. Spunti didattici – letteratura, musica e biologia Possono essere strettamente connesse – percorsi didattici che possono mettere insieme queste discipline, con un uso sensoriale diverso. 1° percorso didattico su “Lo zio acquatico”– Italo Calvino:  Lettura racconto  Evidenziare tutto quello che riguarda la biologia 32 il concetto biologico definisce la specie come il più piccolo gruppo di organismi interfertili tra loro. Anche questo approccio presenta delle difficoltà: - Richiede di poter osservare la riproduzione di un gruppo di organismi, magari più generazioni; - come si può applicare ai fossili? - Inoltre vi sono eccezioni. Le specie sono gruppi di popolazioni naturali all’interno dei quali avvengono effettivamente, o possono avvenire, incroci e che sono riproduttivamente isolati da altri gruppi del genere. Non scambia geni con altre specie. Sistema delle chiave dicotomiche La chiave dicotomica (o chiave dicotomica di identificazione) è uno strumento che ci permette di identificare gli organismi viventi, se strutturati in una tassonomia. Tecnicamente rappresenta un algoritmo binario. Da definizione, in biologia, una dicotomia è una divisione di organismi in due gruppi tipicamente basati su di una caratteristica presente in un gruppo e assente nell’altro; sono parte integrante del processo di identificazione delle specie attraverso domande sequenziali. Per esempio, alla domanda “E’ provvisto di ossa?” si dividono le specie in vertebrati e non-vertebrati, essendo chiaro che nessun animale può avere le vertebre, ma non avere le ossa. Quindi, esistono chiavi per determinare animali, piante, funghi, monere, protisti e qualunque altro essere vivente chiavi che comprendono il livello specie, genere, famiglia e altre categorie tassonomiche. Una chiave dicotomica si basa sulla definizione di caratteri morfologici, macroscopici o microscopici; da essa si diramano due soluzioni possibili: se hanno o non hanno un determinato carattere. Ripetendosi il processo, di definizioni di caratteristiche, fino ad arrivare all’organismo in questione. Le chiavi dicotomiche sono degli strumenti molto utili per identificare gli organismi. Per usarle correttamente occorre prendere solo una delle alternative. Bisogna prima leggere le due affermazioni e optare per una di queste. L’affermazione che si scarta non viene più presa in considerazione nello sviluppo della determinazione. Esempio, colore dei fiori immaginiamo di avere un fiore giallo, leggiamo la prima dicotomia: 1a. Pianta con fiori azzurri o violetti  mi manda alla dicotomia numero 2 1b. Pianta con fiori gialli o bianchi  mi manda alla dicotomia numero 3 Scegliamo la dicotomia numero 3, perché il fiore è giallo. 3a. Pianta con fiori bianchi  specie C 3b. Pianta con fiori gialli  specie D Il fiore realizza la condizione 3b, per cui appartiene alla specie D. Esempio chiave per i vertebrati, serve per identificare le classi del sub phylum vertebrati. È molto esemplificata; tiene conto di caratteri primitivi e generali. La classificazione di Linneo Didatticamente possiamo pensare che la classificazione di Linneo si basa sul concetto di sistema/sottosistema. Quindi, immaginiamo un esercizio: costruire un sistema gerarchico per ordinare degli oggetti geometrici di diverse forme (triangoli, quadrati, pentagoni, esagoni) criterio: 4 sistemi dati dal numero di lati delle figure geometriche. 35 Esercizio: costruire un sistema gerarchico per ordinare oggetti geometrici di diverse forme e colori  1° opzione: 3 sistemi dati dai colori (rosso, blu, verde). In ogni sistema, c’è stata un’ulteriore suddivisione in base alle forme geometriche.  2° opzione: sistemi in base alle forme geometriche. In ogni sistema, suddivisi ulteriormente per colori. Attività pratica 1 Fare classificare degli oggetti in base a criteri dicotomici costruiti dai bambini. Individuare una serie di oggetti (mattoncini lego, mazzo di carte,...) e far costruire ai bambini delle chiavi per raggrupparli in insiemi e sottoinsiemi. Attività pratica 2 Far esplorare un’area verde e far applicare il concetto di chiave dicotomica. Osservare alberi e arbusti e individuare le specie, usando chiavi dicotomiche esistenti. Costruire, sull’elenco delle 10/15 specie individuate, una chiave e far lavorare i bambini su quella. Attività pratica 3 Far esplorare un’area verde. Individuare le specie, osservando somiglianze e differenze (far cercare foglie, fiori, frutti, cortecce). Individuare dei gruppi, che proveranno a fare delle chiavi. Biologia e società: la tassonomia della specie umana La specie è l’unità di base della classificazione biologia. È possibile unire gli organismi in gruppi man mano più ampi. È possibile arrivare a un livello inferiore a quello della specie (sottospecie). In teoria la tassonomia rappresenta un sistema di pacchetti discreti. Col termine razza, di uso zootecnico se riferito ai viventi, si intende un gruppo animale appartenente ad una medesima specie, caratterizzato per la presenza di caratteristiche ereditarie comuni che, in modo più o meno marcato, li identificano come un sottoinsieme della specie differenziato da eventuali altri gruppi co- specifici. È un termine tecnico esclusivamente nella zootecnia, mentre in senso colloquiale viene variamente usato per indicare un raggruppamento di qualsiasi sorta. Gli esseri umani, partendo da un nucleo originario africano si sono diffusi su tutto il Pianeta. Ondate migratorie successive hanno creato in epoche storiche successive una complessa trama di etnie. Nel 1938 i fascisti pubblicano il manifesto della razza. La catena del razzismo l’umanità può essere suddivisa in gruppi biologici (razze) ben precise ed evidenziate dall’insieme delle caratteristiche fisiche e genetiche; a questi gruppi corrispondono caratteristiche intellettive differenti, anch’esse ereditabili geneticamente; le caratteristiche di intelligenza si portano dietro anche delle caratteristiche culturali e morali. Nell’uomo ci sono differenze morfologiche (più o meno chiare) fra gruppi di individui. Charles Darwin→ “l’uomo è stato studiato più attentamente di qualsiasi altro animale, eppure c’è la più grande varietà di giudizi fra le persone competenti, riguardo a se possa essere classificato come una singola razza, oppure due, tre, quattro, cinque, sei, sette, otto, undici, quindici, sedici, ventidue, sessanta o sessantatré”. A caratteristiche fenetiche piuttosto uniformi non corrisponde però un profilo genetico altrettanto univoco. In parole povere: analisi del DNA tra popolazioni diverse hanno mostrato che la diversità genetica intra- gruppo è maggiore di quella inter-gruppi. Non tutto quel che sembra uguale lo è veramente. Non tutto quel che è diverso è poi così diverso. Misurare la diversità genetica significa ricercare la probabilità che due individui presi a caso in una data popolazione possiedano delle forme diverse, degli alleli diversi, di uno o più geni. In media si può dire che l’85% di tutta la diversità genetica umana si situa tra gli individui che appartengono allo stesso gruppo. “Se in seguito a un grande cataclisma, sopravvivessero solo gli africani neri, la specie umana conserverebbe il 93% della sua diversità genetica totale, anche se la specie avrebbe la carnagione un po’ più scura”. (Lewontin) Gran parte delle varianti del DNA è condivisa tra continenti diversi. Se si prendono due individui il più differenti possibile (100%), la differenza tra, ad esempio, due europei, si aggira attorno all’85-88%. Due persone dello stesso continente possono essere geneticamente meno simili di due persone di continenti diversi. 36 Due persone prese a caso nel mondo hanno il 99.9% di nucleotidi identici nel loro DNA. Cosa misura il QI? L’idea di misurare l’intelligenza parte dall’idea che da crani maggiori corrisponda intelligenza maggiore, parte da Tiedemann che raccoglie una serie di crani→ gli europei e caucasici sarebbero quelli con un cranio più grande quindi più intelligenti. Nel 1900 cominciano a svilupparsi dei metodi per misurare l’intelligenza non più da una misura fisica ma con dei test in cui si fanno delle domande e in base alle risposte si ottiene un punteggio che rappresenterebbe l’età mentale, l’età mentale suddiviso per l’età effettiva e moltiplicato per 100 darebbe il QI. L’ha proposto Alfred Binet nel 1904. A larga scala viene applicato, con domande diverse, nell’esercito degli Stati Uniti nel 1917, Goddard e altri riescono a fare un calcolo dell’intelligenza per tutti i soldati richiamati nell’esercito americano. Le domande per calcolare il QI sono impossibili. Sir cyril Burt (1958) pubblica una serie di articoli in cui dice che: - L’intelligenza è determinata geneticamente e può essere quantificata esattamente con il QI; - Gemelli identici separati alla nascita hanno lo stesso QI; - La correlazione fra QI e reddito è dovuta al fatto che persone più intelligenti guadagnano di più. Ha sviluppato una linea eugenica che aveva l’obiettivo di difendere l’Inghilterra dall’espansione della “pauper class” (classe povera), intellettualmente arretrata e terribilmente feconda. Si è inventato i dati: - Le misure di QI, raccolte dal 1943 al 1966, sono irreperibili; - All’anagrafe inglese non risultano 53 casi di gemelli identici allevati in famiglie diverse; - Nel corso di 23 anni di lavoro, mentre il campione si allargava, la correlazione fra gemelli identici è rimasta la stessa fino alla terza cifra decimale. - Si è inventato anche i collaboratori: Margaret Howard e J. Conway che hanno firmato gli articoli con Burt. Cosa ha misurato Lynn? Lynn ha trovato una correlazione positiva fra il QI nell’infanzia e il reddito nella mezza età e suggerisce che il QI sia la causa del successivo reddito. Le differenze nel QI fra regioni in Italia sono correlate con variabili che possono essere viste come conseguenze del QI, fra cui statura, mortalità infantile, alfabetismo e anni di scolarità. La diffusione di geni dal vicino oriente e dal nord Africa può spiegare perché le popolazioni del sud Italia hanno QI compresi fra 89 e 92, intermedi fra quelli del nord Italia e centro Europa (circa 100) e quelli del vicino oriente e nord Africa (fra 80 e 84). La visione di Lynn è quella del determinismo biologico, a delle cause c’è immediatamente un effetto diretto. Lynn non spiega come ha calcolato il QI, dice solo di averli tratti da un libro. I quozienti medi di intelligenza sono stati ricavati da una pubblicazione dell’OECD che sono dei risultati dei test scolastici. I QI degli europei sono ricavati dai risultati dal PISA (Program for International Studenti Assessment) a cura dell’OCSE (2007). Il rendimento scolastico misura l’intelligenza? Popolazioni a nord dell’Italia del nord hanno punteggi PISA più bassi (Danimarca 496, Francia 500, Lussemburgo 484, Norvegia 487) della media italiana (511). Sempre colpa degli africani? In Norvegia? Correlazione non vuol dire che A causa B. il consumo mondiale di Viagra è direttamente correlato alla distanza tra Europa e America dovuta alla deriva dei continenti, ed inversamente correlato alla produzione di camion in Svezia. Il QI sta salendo rapidamente, ad un ritmo che non è compatibile con cambiamenti di natura genetica, e in America sta salendo più rapidamente nei neri che nei bianchi. Le caratteristiche umano sono complesse e sono dovute all’interazione fra molti geni e molti fattori ambientali. Siamo in grado di spiegare l’origine di malattie semplici come la talassemia e la fibrosi cistica, ma per il cancro o le malattie cardiocircolatorie ci vorrà ancora molto tempo e molta ricerca. La variabilità umana non patologica è ancora più complicata. I geni studiati finora spiegano piccole percentuali della variabilità osservata, le loro interazioni sono tutte da chiarire, le loro interazioni con l’ambiente largamente sconosciute. Le caratteristiche cognitive sono estremamente complesse. Ci vorrà molto tempo per comprenderne le basi genetiche. Il QI è fortemente influenzato dalla distanza culturale fra chi fa il test e chi si sottopone, e nessuno sa che cosa misuri in realtà. Possiamo pensare che ci siano tanti modi di essere intelligenti, tanti modi di esserlo e non ha senso cercare di esprimerli con un numero. 37 organismi eucariotici, unicellulari o coloniali o anche pluricellulari. Ce ne sono circa 60 taxa principali (la nomenclatura non è definitiva). Sono discendenti di eucarioti primitivi. Da antenati protisti si sono differenziati ed evoluti piante, animali e funghi. Possono essere vettori di malattie. Evoluzione e selezione naturale: Evoluzione: idee e preconcetti Già nel mondo greco, nel mondo antico c’era un’idea di trasformazione nel tempo della realtà biologica. L’evoluzione biologica è un cambiamento nel tempo della realtà biologica, non di un singolo individuo, ma di un’entità che chiamiamo popolazione. È sbagliato immaginare che l’entità che evolve sia un singolo individuo, che ci sia una volontà di cambiamento, uso del termine adattamento, l’idea che sia il fenotipo che controlla il genotipo→ l’evoluzione è la variazione di alcuni caratteri fenotipici e di conseguenza genotipici in relazione agli adattamenti ambientali→ NON è VERO, è il genotipo che controlla il fenotipo, non viceversa. L’evoluzione nella storia: Se guardiamo alla storia del mondo evolutivo, nel mondo ebraico c’era un’idea che il mondo si trasformasse in diverse tappe nel tempo: - In principio la Genesi: “In principio Dio creò il cielo e la terra…” - 1° giorno: cielo, terra e luce - 2° giorno: firmamento, separazione delle acque - 3° giorno: terra/continenti e mare e piante - 4° giorno: stelle, sole e luna - 5° giorno: animali del cielo e del mare - 6° giorno: animali della terra e uomo - 7° giorno: riposo Nel mondo greco c’è chi ha teorizzato un’evoluzione priva di selezione e chi una selezione priva di evoluzione. Anassimandro (evoluzione senza selezione) parla di creature viventi che nacquero dall’elemento umido quando fu evaporato dal sole. In origine gli esseri umani sono nati da pesci simili a squali, quando furono capaci di difendersi furono gettati sulla terra. L’uomo nacque da animali di altra specie, infatti non sa nutrirsi da solo, ma deve esse allattato. Se fosse stato al principio come è ora non sarebbe sopravvissuto. Empedocle (selezione senza evoluzione) afferma che dalla terra spuntarono molte teste senza collo, braccia senza spalle, e vagavano occhi sprovvisti di fronte. Membra solitarie erravano tentando di unirsi. Alcuni erano buoi con facce umane, mentre uomini nascevano con volti bovini, o altri in cui la natura maschile e femminile era mescolata. Man mano che si sviluppa il pensiero greco, si arriva a Platone che propone 4 dogmi che hanno avuto rilievo nell’arrestare il pensiero evoluzionistico, in particolare: 1. essenzialismo, cioè la credenza che esistessero idee fisse, separate e indipendenti dai fenomeni apparenti; 2. Concetto di cosmo dotato di un’anima, un tutto vivente e armonioso; 3. La generazione spontanea viene sostituita con una potenza creativa, un demiurgo; 4. Riferimenti a principi incorporei specifici e dettagliati “anima”. Dopo di lui ci fu Aristotele che affermò esplicitamente che l’uomo e i generi degli animali e delle piante sono eterni, non possono scomparire né essere creati. Tuttavia egli fondò la storia naturale da cui si dedurranno poi le prove dell’evoluzione. Nel mondo romano e classico, Lucrezio postulò l’origine spontanea di ogni creatura, uomo compreso, in una trascorsa età dell’oro. La creatività prodigiosa della terra produceva, non solo esseri vitali, ma anche mostri e individui deboli, che, non essendo in grado di sopravvivere, vengono eliminati. Alla fine del periodo classico i pensatori non erano riusciti a liberarsi del concetto di un mondo statico o quantomeno stazionario. Vi era l’assenza del concetto di tempo, se un’idea di tempo sussisteva era quella di un’eternità immutabile o di un cambiamento ciclico che riconduceva al punto di partenza: vi era un 40 concetto di kosmos perfetto, l’essenzialismo, concetto assolutamente incompatibile con un concetto di variazione o cambiamento. Nel mondo cristiano, la parola di Dio era la misura di tutte le cose e questa parola era rivelata nelle sacre scritture: anziché un’eternità senza tempo, vi era un tempo breve per la creazione del mondo, poi una brusca fine. Sant’Agostino lasciava spazio a qualche possibilità di cambiamento, in quanto, secondo lui, all’inizio non furono creati soltanto oggetti finiti, ma gran parte della creazione divina era consistita nell’infondere alla natura il potenziale per produrre nuovi organismi. Gli accademici scolastici nel Medioevo credettero sempre in una rigida fissità delle specie. Nel mondo Rinascimentale e quello Illuminista vi è la riscoperta del mondo classico (e delle diverse sfaccettature filosofiche); si scoprono dei mondi nuovi (Americhe, Australia…); ripresa degli studi delle scienze naturali; diverse scoperte mettono in dubbio quanto si è osservato fino ad ora. Nell’Illuminismo, Linneo (1707-1778): organizza la sistematica degli organismi viventi (si basa in realtà su un attuale punto fermo dell’evoluzione: la discendenza da antenati comuni). Buffon (1707-1788): ipotizza che la terra abbia una storia più lunga (fino a 5 milioni di anni) e formula apertamente il concetto di discendenza comune “se si ammette che l’asino esce dalla famiglia del cavallo e ne differisce solo per degenerazione. Si potrà dire che la scimmia è della stessa famiglia dell’uomo, che l’uomo e la scimmia hanno avuto un’origine comune come il cavallo e l’asino […] e addirittura che tutti gli animali siano derivati da uno solo che, nella successione dei tempi, ha prodotto, perfezionandosi e degenerando, tutte le razze degli animali”. A cavallo tra Illuminismo e 1800 troviamo Cuvier (1769-1832): fondatore della paleontologia, asserì che ciascun orizzonte aveva una sua mammalofauna e quanto più uno strato era profondo, tanto più la fauna che vi si ritrovava appariva differente da quella attuale. Fu il fondatore dell’anatomia comparata. Le estinzioni erano causate da catastrofi (eventi naturali) più o meno locali, che consentivano il ripopolamento delle specie da aree non colpite. Lyell (1797-1875): Principle of Geology (1830), descrive un mondo stazionario tanto che il suo pensiero viene definito “uniformismo”. L’osservazione dei processi presenti consente di estrapolare al passato i tempi e gli effetti. “il tentativo di spiegare i cambiamenti precedenti della superficie terrestre in base a cause ancora in azione”. Mantell (1790-1853): scopre specie estinte, nel 1820 scopre il primo fossile di dinosauro. Lamarck (1744-1829): secondo lui la vita comparve sotto forma di microorganismi per generazione spontanea. Gli organismi cambiano mediante ereditarietà dei caratteri acquisiti. La complessità degli organismi aumenta col tempo per una tendenza intrinseca. All’immagine statica che pervade la produzione scientifica dei suoi predecessori, Lamarck sostituisce una visione dinamica, in cui non solo le specie, ma anche l’intera catena dell’essere e l’intero equilibrio della natura erano in continuo fluire. Lamarck colma risolutamente il salto che ancora divideva l’uomo dagli altri animali, considerando il primo come prodotto finale dell’evoluzione. L’evoluzione biologica si definisce come cambiamento nella varietà e nell’adattamento di popolazioni di organismi. La prima teoria coerente fu proposta da Lamarck, il quale si concentrò sul cambiamento nel tempo, cioè su ciò che gli sembrava essere un progresso in natura, a partire dai più piccoli organismi viventi fino alle piante, agli animali più complessi e quasi perfetti, fino all’uomo. Per spiegare il corso dell’evoluzione Lamarck chiama in causa 4 principi: 1. L’esistenza negli organismi di una spinta interna verso la perfezione; 2. La capacità degli organismi di adattarsi alle circostanze, cioè all’ambiente; 3. Il frequente verificarsi della generazione spontanea; 4. La trasmissione ereditaria dei caratteri acquisiti. L’osservazione di Lamarck è che nulla rimane costante sulla superficie della Terra. I luoghi elevati si degradano continuamente e tutto ciò che se ne stacca viene trascinato verso il basso. I letti dei fiumi e degli stessi mari si spostano impercettibilmente allo stesso modo dei climi: tutto cambia a poco a poco. Afferma che “mi sembra che fino ad oggi i naturalisti abbiano visto nel grado di affinità solo un mezzo per 41 raggruppare il materiale”. “Eppure la classificazione palesava evidente l’ordine di formazione”. “Ora il dado è tratto, l’ordine di formazione dei vari animali non è più contestabile, bisognerà riconoscerlo”. La figura di Darwin (1809-1882) Ha un ruolo centrale nel dibattito sull’evoluzione poiché proporrà un meccanismo che può spiegare l’evoluzione degli organismi viventi. Famiglia benestante, venne indirizzato dal padre a studiare medicina ad Edimburgo, dove si rese conto che non era per lui e, quindi, il padre lo avvia alla carriera di parroco di campagna. Si iscrive all’Università di Cambridge dove compie studi classici di teologia, storia naturale, botanica. Fin da ragazzo era interessato alla storia botanica e alla geologia. Sotto l’influenza del reverendo Henslow continua ad interessarsi a questi elementi, nel 1831 si laurea. Dopo la laurea viene raccomandato per compiere, con una nave della marina inglese, un viaggio di ricognizione intorno al mondo. Darwin non aveva le idee ben chiare (a differenza di Wallace, i cui viaggi avevano lo scopo di raccogliere dati), si imbarca sul Beagle e compie un lungo viaggio che durerà circa 5 anni (1831-1836). L’obiettivo iniziale era costruire delle mappe molto accurate delle coste del sud America e parte dell’Australia e tutte le volte che la nave si ferma nei porti, Darwin raccoglie e collezioni esemplari di animali, fossili che trova e comincia a spedirli in patria. Quando tornerà è già preceduto dalla fama di naturalista che ha un’enorme collezione di organismi viventi. Comincia a porsi domande, osserva Argentina e Australia e trova che in queste aree ci sono ambienti molto simili abitate da animali molti diversi (e in nessuno dei due casi ci sono animali simili a quelli che vivono nelle praterie europee). Domanda: “Perché non ci sono i conigli in Australi nonostante la presenza di habitat che sembrerebbero essere perfetti per i conigli?” (sono stati portati dopo Darwin dagli europei). Collezionò numerosi fossili durante il suo viaggio. Alcuni di questi assomigliano a organismi vivi ancora oggi, altri invece erano completamente diversi da qualunque essere vivente conosciuto. Nuove domande: “Perché tante specie sono scomparse?”, “Come sono collegate agli esseri viventi ancora esistenti?”. Durante il viaggio c’è una tappa importante alle isole Galapagos, dove osserva una serie di specie di uccelli che all’inizio non aveva neanche distinto come specie diverse. Assomigliano a quelli del Cile, ma sono anche diversi e diversi tra loro (i becchi sono diversi e quindi anche le diete). Domanda: “Come si sono formati?”. Legge il saggio di Malthus sui principi delle Popolazioni: osserva che mentre le risorse tendono a crescere geometricamente (aumentare ad un intervallo di tempo regolare), le popolazioni tendono ad avere una crescita esponenziale. Questo pone un problema: ad un certo punto, quando la crescita della popolazione supera quella delle risorse, ci sarà un momento di crisi Darwin riflette che questa idea applicata alle popolazioni umane poteva essere valida anche per piante e animali. Negli anni successivi al viaggio, Darwin studia e colleziona dati che siano evidenze di evoluzione. E’ un naturalista rispettato e stimato. Nel 1844 scrive un saggio sulla selezione naturale, che non viene pubblicato (che sarà la base per l’Origine della Specie). Poiché era molto stimato, riceve nel 1858 un manoscritto da Wallace che contiene grosso modo le sue stesse idee e di cui aveva cominciato a discuterne con amici e conoscente, ma di cui era molto timoroso a pubblicare per le reazioni che avrebbero suscitato. Quando riceve questo manoscritto è imbarazzato (perché questo è arrivato alle sue stesse conclusioni e lui ci sta lavorando da 20 anni), espone i suoi dubbi agli amici e un amico comune gli propone di presentare insieme questa teoria nel 1858 di comune accordo presentano le loro idee alla Linnean Society e l’anno dopo Darwin pubblica “L’origine della specie”. Nei quaderni di appunti di Darwin, nel 1837 disegna e spiega il primo corallo (o albero della vita), perciò Darwin non ha copiato nessuno, ma le sue idee erano precedenti a quelle di Wallace. Cosa dice Darwin? Propone 5 punti:  Il fatto dell’evoluzione  Discendenza comune  Gradualità dell’evoluzione  Moltiplicazione delle specie  Selezione naturale come meccanismo che spiega l’evoluzione Per aver chiaro il ragionamento di Darwin: ad una serie di fatti segue un’evoluzione che messe insieme propongono un quadro coerente (leggere da sx verso dx, prima colonna, poi colonna centrale e così via). 42 l’intuizione di Haldane, Fisher e Wright, che indipendentemente gli uni dagli altri, dimostrarono che la seleziona naturale avrebbe potuto operare tramite meccanismi genetici mendeliani. Con la pubblicazione della sintesi tra le teorie darwiniane e le leggi mendeliane dell’ereditarietà nacque ufficialmente la sintesi evoluzionistica (J. Huxley, 1942). L’antica disputa tra genetisti ed evoluzionisti era conclusa. La teoria darwiniana possedeva ora solide radici nella teoria dell’ereditarietà. Il principio di Hardy-Weinberg: Una popolazione le cui frequenze geniche e alleliche non cambiano da una generazione all’altra si dice in equilibrio genetico. Ogni popolazione è caratterizzata da un pool genico che include tutte le forme alleliche dei geni presenti nella popolazione. Gli organismi diploidi (es. animali) possiedono un massimo di due differenti alleli per ogni locus genico. Immaginiamo una popolazione ipotetica di 1000 individui, diploidi, rispetto a un allele presente nelle forme A e a di cui abbiamo le frequenze genotipiche, fenotipiche e alleliche. Il principio di Hardy-Weinberg permette di usare le frequenze fenotipiche per calcolare le frequenze genotipiche attese. Immaginiamo un allele A e a, la somma delle frequenze deve essere uguale a 1; p= frequenza dell’allele dominante A q= frequenza dell’allele recessivo a Se p+q=1 anche ¿. Estendiamo l’equazione: p2+2 pq+q2=1, dove p2 è la frequenza AA, 2pq è la frequenza Aa, q2 è la frequenza aa. Si parte coi calcoli da omozigote recessivo. 90 individui omozigoti recessivi su una popolazione di 1000 q 2= 90/1000= 0,09 Se q2=0,09 allora q=0,3 e di conseguenza p=0,7 e p2= 0,49. Quindi 2pq= 2×0,7×0,3=0,42. Il principio di Hardy-Weinberg dice che in popolazioni di grandi dimensioni il processo dell’ereditarietà non causa di per sé i cambiamenti delle frequenze alleliche purché: - Vi sia un accoppiamento casuale→ accoppiamenti non casuali avvengono quando gli individui selezionano i partner sulla base del fenotipo; - Vi sia un’assenza di mutazioni; - Vi sia una popolazione di grandi dimensioni→ in popolazioni di piccole dimensioni mutazioni casuali possono cambiare le frequenze alleliche. Quando pochi fondatori stabiliscono una colonia si verifica l’effetto del fondatore; - Vi sia assenza di migrazione; - Vi sia assenza di selezione naturale. Oltre la sintesi moderna: è l’unione delle idee di Darwin con le idee di Mendel sull’ereditarietà sembra rappresentare la conclusione del dibattito sull’evoluzione. A partire dagli anni ’70 comincia un dibattito che trasforma il panorama. Critica all’adattamentismo: ha portato al concetto di exaption (o cooptazione funzionale), in alcuni casi negli organismi viventi notiamo delle caratteristiche che attualmente incrementano la fitness ma che non furono selezionate per lo scopo attuale (ad es. penne degli uccelli, ali dei pinguini, storia evolutiva degli occhi…). Sempre Gould propone un’idea forte nell’osservare la storia evolutiva nel tempo, cioè l’idea degli equilibri punteggiati. Epigenetica: studia la modulazione dell’espressione genica che fornisce al fenotipo plasticità, e che è in parte ereditabile. Evo-devo: studio della relazione tra processi di sviluppo e processi evolutivi. Costruzione della nicchia: teoria in cui viene mostrato come una specie ha un ruolo nel costruirsi la propria nicchia ecologica, quindi l’insieme di funzioni che svolge nell’ambiente. Modificare la nicchia porta a creare nelle generazioni successive delle pressioni selettive differenti. La sintesi moderna aveva un nucleo darwiniano stretto seguito da strati esterni. 45 Selezione, speciazione, isolamento riproduttivo: Principali meccanismi di speciazione: abbiamo 2 meccanismi principali: speciazioni allopatrica e simpatrica. - Speciazione allopatrica : il differenziamento genetico e, spesso anche l’isolamento riproduttivo, vengono acquisiti in condizioni di isolamento geografico; ad es. pesci del genere Ciprynodon, vivono in laghetti prima intercomunicanti poi isolati da 10.000 anni, oggi più di 20 specie; anche le Oche hawaiane, evolute da una piccola popolazione nordamericana; - Speciazione simpatrica : una nuova specie si sviluppa occupando la stessa regione geografica della specie progenitrice; ad es. pesci del lago Victoria, occupando alcune nicchie ecologiche leggermente diverse si sono diversificati fino a diventare oggi specie diverse. Isolamento riproduttivo: in biologia evoluzionistica parlando di meccanismi di isolamento ci si riferisce alle caratteristiche biologiche intrinseche e, almeno in parte, ereditabili degli individui, che impediscono il flusso genico tra popolazioni effettivamente o potenzialmente simpatriche. Ci sono due gruppi di isolamenti: - Meccanismi di isolamento precopula → isolamento ecologico: due o più specie sono presenti nella stessa area ma non si incontrano perché vivono in ambienti diversi ; isolamento temporale: specie che convivono nella stessa area ma raggiungono la maturità sessuale in periodi differenti; isolamento etologico: maschi e femmine di specie diverse, sessualmente maturi, non rispondono ai rispettivi stimoli in modo adeguato; isolamento meccanico: negli animali a scheletro esterno differenze nella forma e nella dimensione dei genitali, che sono sclerificati, possono rendere difficile o impossibile l’accoppiamento. - Meccanismi di isolamento postcopula → isolamento gametico: attrazione assente tra i gameti, incapacità degli spermatozoi a sopravvivere nell’apparato riproduttivo femminile, incapacità degli spermatozoi a penetrare e fecondare l’ovulo, mancata formazione del tubo pollinico; mortalità zigotica ed embrionale; non vitalità degli ibridi; isolamento etologico degli ibridi: ibridi interspecifici, vitali e fertili, con uova e spermatozoi normali, non sono in grado di riprodursi perché incapaci di un efficiente comportamento riproduttivo; insuccesso degli ibridi: alcuni ibridi interspecifici sono completamente o parzialmente fertili, ma la progenie o è sterile o poco vitale. Le dinamiche della selezione: - Selezione stabilizzante → selezione che penalizza i caratteri devianti, favorendo e stabilizzando quelli che aumentano la fitness, ossia agisce sul valor medio della curva che descrive l’insieme dei caratteri di una popolazione. Questo tipo di selezione opera su tutti i caratteri di un organismo. - Selezione direzionale → selezione che favorisce un estremo della curva a scapito dell’altro. Il risultato è un avanzamento costante del valore medio della curva, cioè forza un determinato carattere verso una condizione estrema; - Selezione dirompente (o diversificante o disruptiva) → selezione che favorisce entrambi gli estremi della curva a scapito della media: il risultato è una curva con due mode (bimodale), come succede in specie mimetiche o con altre forme di polimorfismo. Evoluzionismo ed antievoluzionismo: da subito le teorie e il quadro complessivo proposto da Darwin è stato messo in discussione, con affermazioni differenti: - Interpretazione letterale della Bibbia (teoria della terra giovane); - Esistenza di un “orologiaio”; - Immoralità della teoria stessa; - Teach the controversy La spinta all’antievoluzionismo è forte negli Stati Uniti anche per motivi politici, ci sono dei movimenti che si rifanno alla Chiese Evangeliche che però hanno un peso importante che può determinare il successo o l’insuccesso delle elezioni presidenziali e anche di molte elezioni locali. Questa pressione ha avuto una certa crescita nel corso di questo trentennio. Gli Stati Uniti sono stati il punto di partenza da cui è stato mosso un attacco a Darwin. Anche in Italia ci sono dei movimenti che vanno contro l’evoluzione, nel 2009 viene 46 nominato vice presidente del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) Roberto de Mattei che in una delle prime interviste afferma che lui “crede alla Bibbia e non a Darwin”. Anche in Italia c’è un mondo antievoluzionista. Il caso più clamoroso è quello successo nelle scuole secondarie di primo grado di un tempo: hanno avuto una revisione dei programmi tra il 1979 e il 1984, Falcucci scrive nuovi programmi che prevedono l’insegnamento dell’evoluzione. Tra il 2004 e il 2005, Moratti affida ad una commissione ministeriale la riscrittura dei programmi, nella prima versione l’evoluzione scompare. Dopo diverse pressioni si nomina una commissione di esperti che rivedono il programma, ministro Fioroni, inserendo nuovamente l’evoluzione. Nel 2009 viene nuovamente modificato il programma e infine nel 2012 con le indicazioni Profumo, valide ancora oggi. Quali sono le giustificazioni per l’attacco del 2004? - “si è pensato che a 10-13 anni gli studenti sono troppo giovani per affrontare una materia così complicata” (Criscuoli) - “certi argomenti si affrontano come fossero una delle possibili narrazioni mitologiche sulle origini della vita e dell’uomo. Insomma qualcosa che abbia attinenza con la fantasia” (Bertagna) - “accanto alla conoscenza della teoria dell’evoluzione ci sarà posto per la critica della sua degradazione, l’evoluzionismo” (Bertagna) - “le Indicazioni Nazionali previlegiano, quindi, le narrazioni fantastiche, i cosiddetti miti delle origini, che favoriscono l’approccio del bambino al dato scientifico e che, adeguatamente problematizzati, consentono di individuare gli elementi qualitativi e quantitativi, funzionali di qualsiasi discorso scientifico” (Moratti) - “è particolarmente importante fare attenzione alle età degli allievi ai quali si impartisce l’insegnamento sull’evoluzionismo. Se esso viene insegnato in un’età troppo precoce, in cui lo studente non è ancora capace di distinguere con chiarezza fra fare scienza e filosofia o religione, è inevitabile che esso venga inteso in un senso sbagliato, creando un danno grave sia alla formazione di una autentica mentalità scientifica che a quella di un’autentica coscienza filosofica e religiosa” (Buttiglione) Antievoluzionismo Teorie alternative all’evoluzione.  Interpretazione letterale della Bibbia o di altri testi sacri , molto presente negli Stati Uniti. Vengono fatti dei musei della creazione in cui si vede l’uomo insieme ai dinosauri.  Teoria risonanze evolutive: un giovane fisico di Napoli presenta questa teoria, in cui dice che Darwin ha sbagliato tutto sulla selezione delle specie. Il modello sostiene che l’evoluzione delle specie è formalizzabile attraverso equazioni dei pendoli a moto forzato, ma dal punto di vista biologico, geologico è sbagliato e ci sono errori paleontologici che rendono irrealistico tutto il resto.  Intelligent design: ancora oggi è un avversario forte dell’evoluzionismo, perché è maggioritaria in America tra gli antievoluzionisti. Afferma che si può insegnare Darwin, ma bisogna insegnare anche una teoria alternativaà c’è un designer che ha un’intelligenza e ha progettato il mondo così come lo vediamo. Bugie ed errori comuni a questi approcci: o L’evoluzione è solo una teoria (si confonde la parola teoria); o I fossili non hanno mai provato l’evoluzione umana, perché l’uomo di Piltdown era una bufala. (è uno scherzo: nel corso dell’900 qualcuno ha fatto trovare ai paleontologi uno scheletro, che sembrava molto antico, che era stato chiamato “l’uomo di Piltdown”. In realtà è un po’ scheletro umano e alcune ossa venivano da un orango); o L’evoluzione non può avvenire, perché viola, il secondo principio della termodinamica; o Strutture come il flagello batterico hanno una complessità irriducibile; o Le mutazioni non producono nuove informazioni. In realtà, si sono osservati esempi di nuove informazioni, come i batteri che digeriscono in nylon e l’evoluzione della multicellularità da alghe unicellulari. Intelligent design 47 causò la vaporizzazione degli strati più esterni della proto-terra, e immettendo in atmosfera qualche cosa come 100 miliardi (1020) di tonnellate di vapori di roccia incandescenti che avrebbero poi formato la Luna. 3. Terra nera (50-100 milioni di anni)→ si forma la crosta basaltica, simile all’attuale crosta oceanica. 4. Terra blu (100-200 milioni di anni)→ si formarono gli oceani (la terra blu), anzi un solo grande oceano, formatosi con acqua che proveniva dalle profondità della terra, e che venne pompata sotto forma di vapore acqueo in una atmosfera sempre più densa. Dopo la collisione con la luna il vapore acqueo divenne uno dei componenti principali dell’atmosfera e diede origine a una tempesta globale che portò alla formazione di grandi bacini e alla fine di un grande oceano globale. 5. Terra grigia (200-500 milioni di anni)→ in questa fase si forma anche una porzione di crosta granitica (simile all’attuale crosta terrestre). 6. Terra viva (500-1 miliardo di anni)→ nascita della vita; ci sono diverse ipotesi: vita extraterrestre, vita nata nel brodo primordiale, vita nata nei camini idrotermali. 7. Terra rossa (1-2,7 miliardi di anni)→ fotosintesi, ricordare l’equazione generale della fotosintesi: 6CO2+6H 2O→C6H 12O6+6O2 nelle equazioni chimiche è importante bilanciare correttamente, l’equazione (il numero di atomi dello stesso elemento deve essere uguale a destra e a sinistra dell’equazione). Ad un certo punto gli organismi iniziano ad utilizzare la fotosintesi. Si comincia a liberare nelle acque e nell’atmosfera l’ossigeno. 8. Il miliardo noioso (2,7-3,7 miliardi di anni)→ evoluzione dei minerali- cicli dei supercontinenti. 9. Terra bianca (3,7-4 miliardi di anni)→ fase di estensione dei ghiacci polari- terra sembrava una palla di neve (e l’estensione dei ghiacci portava ad un ulteriore raffreddamento della terra- feedback positivo-, anche se qua e la c’erano dei vulcani. Le emissioni di CO2 dei vulcani porteranno ad aumentare la temperatura della terra. In questa fase la terra oscilla tra raffreddamento e riscaldamento. 10. Terra verde (4-4,5 miliardi di anni)→ sono gli ultimi 500 milioni di anni circa. Finalmente vita sulle terre emerse. Origine della vita ed evoluzione Ipotesi sull’origine della vita sulla terra È un problema scientifico aperto, non c’è ancora una risposta precisa. Ci sono 2 ipotesi:  Ipotesi extraterrestre: la vita venga dallo spazio  Ipotesi terrestre: la vita si è originata sulla Terra. Qui altre due ipotesi: o Vicino a superficie terrestre o Vicino a sorgenti idrotermali, calde Sono tutte ipotesi aperte, la maggioranza del mondo biologico è convinto dell’origine della vita sulla Terra vicino alla superficie. Per dare uno sguardo storico, ipotesi della generazione spontanea: in antichità si immaginava esistesse una generazione spontanea, ovvero che la materia inanimata potesse in qualche modo trasformarsi in vivente. I Greci non si spiegavano la provenienza dei ranocchi e pensavano che fosse il fango degli stagni a modellarsi spontaneamente, assumendo la forma dei ranocchi e la vita stessa. Il primo filosofo che ha lavorato sulla storia naturale fu Aristotele, che ammetteva l’ipotesi della generazione spontanea. Questa teoria rimase una credenza diffusa per molti secoli. Teoria della biogenesi - Redi, Spallanzani, Pasteur: cercarono di dimostrare che la teoria della generazione spontanea era sbagliata Redi fu il primo che fece degli esperimenti in cui dimostrò che, al contrario di quanto si credeva, non nascevano larve sopra la carne, se questa era sigillata in un recipiente in modo che gli insetti non potessero depositarvi le uova. 50 Un secolo dopo, Spallanzani dimostrò che liquidi isolati e bolliti rimanevano sterili. Nonostante questo, per molti anni si continuò a credere che vermi e insetti potessero nascere spontaneamente da materia organica in decomposizione sotto l’azione del sole. Solo con Pasteur, nel 1862, la questione fu risolta: ha ripetuto tutti gli esperimenti che fece Spallanzani, con una serie di accorgimenti tecnici che gli hanno resi completamente inconfutabili. Evoluzione chimica primordiale L’ipotesi principale della biologia è che la vita si è originata una sola volta. Gli inizi della vita sono avvenuti in condizioni ambientali molto diverse da quelle attuali: l’atmosfera era diversa (vapore acqueo, monossido di carbonio, idrogeno, azoto, forse metano,...), c’era un’attiva degradazione di queste molecole da parte dei raggi ultravioletti, non c’era ossigeno in atmosfera. Perché si arrivasse alla vita, si ipotizzava un’evoluzione chimica primordiale in cui c’era:  ossigeno libero scarso;  sorgente di energia (vulcani, fulmini, tempeste elettriche);  disponibilità di materiale chimico (proveniente dalla formazione della terra e dai vari eventi che si succedevano al continuo bombardamento di meteoriti);  tempo (profondità del tempo). Dove? (ipotesi terrestre): superficie terrestre o sorgenti idrotermali. Ipotesi extraterrestre La vita sarebbe nata in qualche luogo dello spazio e, in seguito, avrebbe colonizzato la Terra.  Ipotesi 1: F.Crick, uno degli scopritori del DNA, sostiene che esseri intelligenti avrebbero “inseminato” la Terra.  Ipotesi 2: è piùcredibile l’ipotesi secondo la quale le comete o asteroidi avrebbero portato sulla Terra le prime cellule dalla cui evoluzione si sarebbero originati i viventi che popolano il nostro pianeta. Solo la seconda delle 2 ipotesi può essere la più credibile, in quanto tracce di molecole organiche sono state trovate su meteoriti ed asteroidi caduti sulla Terra. Ipotesi terrestre La grande maggioranza degli scienziati lavora su questa ipotesi, che è condivisa da quasi la totalità. La vita sarebbe nata sul nostro pianeta. Sarebbe avvenuta in 2 tappe:  prima si sarebbero formate le molecole organiche (a partire da sostanze inorganiche)  in un secondo momento, esse avrebbero dato origine alle prime cellule per fenomeni di autoaggregazione. Atmosfera primordiale Dopo la formazione della Terra 4,5 miliardi di anni fa, essa era riducente, cioè formata da composti dell’idrogeno (metano, ammoniaca, vapore acqueo) e poi anidride carbonica e azoto, che si erano formati in seguito alle esalazioni vulcaniche ed alle piogge che formarono i primi oceani. L’ossigeno era assente e, di conseguenza, anche l’ozono (molecola con 3 atomi di ossigeno che ha la funzione in atmosfera di filtrare parzialmente i raggi violetti), per cui i raggi ultravioletti del sole passavano indisturbati. Inoltre, intensi campi di energia elettrica erano all’origine di fulmini che, incessantemente, squarciavano l’atmosfera. Tutto ciò fornì l’energia necessaria per innescare le reazioni chimiche che, da semplici composti inorganici (acqua, anidride carbonica e ammoniaca) portarono alla formazione di composti organici. Le molecole semplici, così formate, vennero poi trasportate dalle piogge nell’oceano primitivo che diventò ricco di sostanze organiche: brodo primordiale definito così da Haldane e Oparin negli anni ‘20 (in questo contesto nacque la vita) erano giunti alla conclusione che la vita si sarebbe potuta originare dalla materia non vivente in quanto, in un passato lontanissimo, in condizioni diversa da quelle attuali, da semplici composti inorganici si sarebbero formate spontaneamente le prime molecole organiche, cioè le basi della vita. Furono i primi a teorizzare l’ipotesi dell’atmosfera riducente. 51 L’ipotesi del brodo primordiale è stata in parte confermata nel 1953 da Miller, il quale riproducendo sperimentalmente le condizioni atmosferiche presenti sulla terra, alle sue origini, ottenne numerose molecole organiche l’esperimento consisteva nel mettere in un pallone di vetro dell’acqua mantenuta in ebollizione, il vapore affluiva in un secondo pallone dove, con l’ammoniaca, il metano e l’idrogeno, formava una miscela simile all’ipotetica atmosfera primordiale sottoposta a continue scariche a simulare i fulmini frequenti nell’atmosfera primitiva. Successivamente il vapore passava in un condensatore nel quale, raffreddandosi, ritornava allo stato liquido raggiungendo di nuovo il primo pallone. Dopo una settimana di ciclo continuo, si osservarono la presenza di amminoacidi nel liquido, che dimostrarono che anche nell’atmosfera primordiale poteva essere avvenuto qualcosa del genere. Dalle molecole alle cellule La vita è nata sia nel brodo primordiale e sia nei fondali oceanici tra i 4 e i 3,8 miliardi di anni fa. Quando il brodo primordiale raggiunse un’elevata concentrazione, le molecole organiche cominciarono ad aggregarsi formando i coacervati: piccole goccioline contenenti amminoacidi e proteine delimitati da una membrana che li separava dall’ambiente esterno, chiamati anche microsfere, con una membrana simile a quella cellulare davano origine a nuove microsfere per un processo di gemmazione. Da queste si formarono in seguito le prime cellule procariote. Per passare da queste microsfere alle cellule vere e proprie ci vuole un grande passo e la chiave sta nelle molecole di RNA. Si immagina che inizialmente ci fosse solo RNA e non esistessero DNA né proteine. Si è osservato che monomeri di RNA formano brevi polimeri, che costituiscono catene complementari con le regole di appaiamento. Evoluzione in vitro di molecole di RNA: da un grande pool di molecole di RNA, in base alle possibilità che hanno di catalizzare una specifica reazione chimica, avviene una selezione, poi fenomeni di amplificazione e mutazione (per originare un grande pool di molecole simili di RNA) fino a quando rimane la molecola con migliore capacità di catalizzare una reazione chimica. Le caratteristiche dell’RNA, che sono anche quelle di avere proprietà catalitiche, potrebbe aver catalizzato la propria replicazione, per esempio, negli strati argillosi dell’acqua bassa, negli strati rocciosi o nelle aperture idrotermali dove si è originata la vita. Potrebbero aver avuto funto da catalizzatori per la sintesi proteica. Quindi, l’ipotesi è che dall’RNA si passa alle proteine, senza DNA. Il DNA da dove salta fuori? Probabilmente l’RNA ha dato origine ad un doppio filamento, che si è evoluto e ha dato origine al DNA. I primi esempi di strutture fossili con prime cellule comparse sulla terra sono gli stromatoidi. Questo non esclude che ci fossero già altre cellule, ma non abbiamo trovato una traccia fossile importante. Con le prime cellule comincia l’evoluzione vera e propria. Probabilmente le prime cellule erano procariote, ma di tipo eterotrofo, cioè traevano energia dal consumare diversi tipi di molecole organiche che si erano formate spontaneamente e questo sosteneva il loro metabolismo e il loro fabbisogno energetico. Queste cellule si sono sviluppate in un ambiente privo di ossigeno (ambiente anaerobio), probabilmente il meccanismo per ottenere energia era simile a quello della fermentazione; gli organismi che consumano ossigeno apparvero solo quando l’atmosfera si arricchì di ossigeno. La teoria che oggi va per la maggiore è la teoria endosimbiotica: alcune cellule procariote si sono unite formando le cellule eucariote vere e proprie. Quindi, una cellula ospite di tipo procariotico, dei batteri aerobi che entrano all’interno della cellula diventano mitocondri mentre altri batteri fotosintetici possono diventare cloroplasti (quelle che poi saranno le cellule eucariote vegetali). Dalla cellula procariote a quella eucariote In alcune rocce ritrovate in Sudafrica, risalenti a circa 3 miliardi di anni, fa sono stati trovati resti fossili microscopici a forma di bastoncino, i batteri: organismi con cellula procariote, semplice, priva di nucleo e 52 L’antenato dagli attuali primati si è differenziato circa 55 milioni di anni fa. I primati condividono mani flessibili, piedi con 5 dita, organizzazione sociale, occhi frontali tutti sembrerebbero tratti favorevoli alla vita arboricola. 3 antenati del gruppo di scimmie da cui derivano scimpanzé, gorilla, uomo sono: l’ aegyptopithecus (34 milioni di anni fa), proconsul (20 milioni di anni fa) e dryopithecus (15 milioni di anni fa). Gli scimpanzé sono i cugini a noi più prossimi. Cosa differenzia oggi uno scimpanzé da un uomo? → Danilo Mainardi propone che la grande differenza sta nell’uso culturale dell’uso degli strumenti, chiamato da lui “limite di Sultan”. Culture animali Evoluzione culturale - diversità culturale Per cultura, da un punto di vista biologico ed ecologico, si intende la capacità di trasmettere informazioni da una generazione all’altra e osservare che questo non avviene in tutte le popolazioni di quella specie. Non è una caratteristica unica dell’uomo, noi trasmettiamo informazioni da una generazione all’altra e anche all’interno della stessa generazione, ma anche gli animali: • Cince inglesi: hanno imparato ad aprire le bottiglie del latte con il tappo in latta per mangiare la panna che si deposita; • Corvidi: mostrano, in alcune aree, comportamenti particolari che implicano il passaggio di informazioni da una generazione a quella successiva; • Macachi giapponesi: hanno imparato a lavare le patate e a salarle. Il Giappone, fra le nazioni asiatiche già negli anni กก 50, era avanti per quanto riguarda la scienza e l’unica che ospitasse nel proprio arcipelago popolazioni di macachi primati. Per cui si è sviluppato una scuola di primatologia che cerva di esaminare il comportamento di questi macachi per capire le gerarchie di un gruppo. Uno dei modi migliori per vedere chi comanda e chi no è far litigare gli animali, per cui si è pensato di farli competere per qualcosa che a loro fosse gradita, cioè le patate. Dopo un po’ di tempo, una femmina di macaco scopre che se immerge le patate nell’acqua, il terriccio va via e queste sono più buone. È emerso che tutti i macachi più anziani si sono rifiutati di imitarla, mentre i più giovani l’hanno seguita. Qualche anno dopo, un’altra femmina di macaco ha scoperto che, invece di lavarle in un ruscello, se le si lava nel mare e le si spezza, perdono la terra e diventano salate. Di nuovo, si è verificato il fenomeno in cui i più giovani hanno imitato e i più anziani no. • Babbuini ed elefanti: insegnano ai più giovani dove trovare acqua; • Scimpanzé: utilizzano strumenti; • Gorilla: evidenza nell’utilizzo di strumenti (è stato scoperto nel 2005). Evoluzione umana Da 6 milioni di anni fa, quando ci siamo separati dagli scimpanzé, si succede una serie di specie. In alcuni casi ci sono linee di discendenza ben documentate (linee continue) e in altri casi no (linee tratteggiate). Dagli Australopitechi si formano delle ramificazioni: da una parte si forma il ramo dei Paranthropus e dall’altra quello degli uomini. Viene proposta la discesa dell’Homo sapiens dall’Homo di heidenberg, che deriva dall’Homo ergaster, che a sua volta deriva dall’Homo abilis, e, dall’altra parte, sempre dall’Homo heidenber anche la discesa dell’Homo Neanderthal che non è un nostro antenato, ma un nostro cugino. Australopitecina più famosa, Lucy (poco più di 3,2 milioni di anni fa), che è stata trovata in Etiopia. Il nome è dovuto alla canzone che c’era alla radio quando l’equipe di paleontologi che scavava, ha trovato i resti. Homo habilis: comparso circa 2,3 milioni di anni fa in Tanzania e rimasto per circa 750 mila anni, poi sostituito da Homo erectus, che avrebbe avuto origine sempre in Africa. I primi erectus costruivano 55 strumenti molto rudimentali. Ci sono delle ipotesi di alcuni che ritengono che in realtà, quelli che noi oggi chiamiamo resti di Homo erectus, siano di 2 specie diverse. Neanderthal: comparso circa 230 mila di anni fa (forse un po’ prima) e rimasto fino a 30 mila anni fa. Costruiva strumenti molto più sofisticati, utensili veri e propri, era in grado di cacciare grandi mammiferi, aveva un’avanzata cooperazione sociale, riti religiosi e culto dei morti. Tra i 200 mila anni fa compare in Africa un’altra specie, quella dell’Homo sapiens, che poi si sposta e pian piano si distribuisce su tutta la terra, soppiantando tutte le altre specie di Homo presenti in quelle zone dove arriva. Le nuove scoperte di questi anni, dal 2004 a oggi, sono state trovate forse 4 nuove specie di Homo: • Homo floresiensis (2004): il più famoso, trovato nell’isola di Florens (Indonesia). Alcuni inizialmente ritenevano fossero alcune popolazioni pigmee di Homo sapiens, ma poi sono stati trovati caratteri completamente diversi e si ritiene che derivi dall’Homo erectus. Le bassi dimensioni di questa specie sembrerebbero dovute a casi di nanismo insulare, in cui c’è stata una selezione verso dimensioni più piccole.  Homo denisova : in una grotta della Siberia กก stato trovato il frammento di un mignolo e dall’analisi del genoma è stata individuata questa nuova specie • Homo naledi (ancora da definire): trovato in una grotta in Sud Africa e sembrerebbe avere caratteristiche moderne e caratteristiche antiche. • Nuova specie in un’isola delle Filippine (2019): sembrerebbe derivare da Homo erectus. Eventi importanti: • andatura bipede, che sembra essere cominciata più di 6 milioni di anni fa; • uso degli strumenti e aumento delle dimensioni del cervello, quasi 3 milioni di anni fa; • controllo del fuoco, quasi 2 milioni di anni fa. Quando siamo stati in grado di leggere il DNA dei resti, ci si è posta la domanda se l’ Homo di Neanderthal e l’Homo di denisova si siano incrociati con l’Homo sapiens. Ci sono stati dei casi di incrocio e ci sono una serie di dati: un antenato comune che si evolve, si sono separati sapiens e Neanderthal. Quando sapiens è uscito dall’Africa ha incontrato in Europa Neanderthal e, quando è arrivato in Siberia, ha incontrato denisova. Oggi si racconta che ci sia stato questo incontro quando sapiens è arrivato nelle altre aree, ma bisogna ancora chiarire alcune cose. Evoluzione dell’uomo Quando c’è sapiens, contemporaneamente ci sono altre 3/4 specie sulla terra. La retorica del progresso (idea che ci sia un progresso è sbagliata) nell’evoluzione tende a raccontare sempre una catena evolutiva unica dell’uomo, in cui ad una specie se ne sostituisce un’altra. In realtà, è un cespuglio in cui ci sono tante specie, qualcuna sopravvive e va avanti e altre no. Elementi di zoologia – parte 1 Classificare gli esseri viventi Non sappiamo stimare il numero di specie viventi esistenti al mondo, ci si muove in un range tra 5 e 100 milioni di specie (stime parlano di circa 8,7 milioni di specie). Finora ne abbiamo classificate circa 1,8 milioni, l’86% è ancora sconosciuto. La tassonomia è la disciplina che si occupa di identificare e ordinare tutte le specie viventi. La classificazione dei viventi si basa su rapporti di affinità e diversità, cioè i loro legami di parentela. La classificazione moderna rispecchia il principio darwiniano di discendenza da un antenato comune. Gli esseri viventi sono ordinati secondo una classificazione gerarchica, formata da gruppi entro gruppi. Ogni gruppo rappresenta un’unità tassonomica (taxon) e il livello a cui è collocato è una categoria tassonomica. Le principali categorie tassonomiche utilizzate per la classificazione biologica sono 7: Regno, Phylum, Classe, Ordine, Famiglia, Genere,Specie. La specie è l’unità fondamentale della classificazione biologica. La nomenclatura binomia: la specie viene indicata con due nomi (nome del Genere + termine che lo specifica). Il nome del Genere è sempre scritto per primo e in maiuscolo, si usa da solo quando si riferisce a tutte le specie che costituiscono quel genere. Il secondo termine non ha significato se scritto da solo, poiché specie 56 di differenti Generi possono avere lo stesso termine specifico (es. Drosophila melanogaster, Thamnophis melanogaster). Il termine che si accompagna al Genere è di solito un aggettivo o un termine qualificativo. Regno Animale Suddivisone Suddivisione in cui in ogni passaggio si differenziano dei gruppi in base a caratteri specifici, come aspetti strutturali o dello sviluppo. Il sistema di classificazione che usano i biologi è quello delle chiavi dicotomiche, partono da insiemi molto generali e, facendo domande, si arriva fino a definire la specie. Quali caratteri chiave usare? 1- Simmetria: se gli animali hanno una simmetria radiale (i piani simmetrici sono diversi) o una simmetria bilaterale. 2- Celoma: una cavità interna al corpo. Differenziamo animali privi di celoma o hanno un finto celoma o hanno un celoma. 3- Blastoporo: dividiamo gli animali in prostomi o deutero stomi in base a come si forma il canale digerente durante lo sviluppo embrionale. La simmetria: La simmetria riguarda l’organizzazione del corpo degli animali. - Simmetria radiale: esiste un asse principale per il quale passano più piani di simmetria (le parti del corpo dell’animale sono disposte attorno all’asse). - Simmetria bilaterale: esiste un piano che divide il corpo in due metà speculari. Il celoma: è una cavità corporea, cioè uno spazio ripieno di liquido tra il tubo digerente e la parete corporea. - Acelomati (platelminti o vermi piatti): la sola cavità interna del corpo di questi animali è rappresentata dal canale alimentare. - La cavità digerente è rivestita da un foglietto, definito endoderma, poi è presente il mesoderma che ricopre tutto lo spazio e a sua volta è rivestito dall’ectoderma. - Pseudocelomati (nematoidi o vermi cilindrici): presentano una cavità interna di tipo secondario (pseudo-celoma). - È presente uno pseudo-celoma, cioè uno spazio tra l’endoderma e il mesoderma. - Celomati (molluschi, anellidi, artropodi, echinodermi, cordati): cavità del corpo piena di liquido che si forma all’interno del mesoderma. - Delimitato solo dal mesoderma. La presenza del celoma offre diversi vantaggi:  I movimenti del corpo sono più liberi;  L’ampio spazio permette lo sviluppo di organi e sistemi di organi complessi;  Il fluido celomatico protegge gli organi interni dai danni meccanici e dalle escursioni termiche;  La cavità funge da deposito e trasporto di sostanze nel corpo;  Negli animali privi di scheletro fornisce sostegno idrostatico. Blastoporo: un terzo carattere chiave per classificare gli animali riguarda lo sviluppo dell’embrione. Il blastoporo è l’apertura che si forma in seguito al processo di gastrulazione e che mette la cavità della gastrula in comunicazione con l’esterno (la gastrula è uno stadio dello sviluppo embrionale degli animali). - Protostomi (Molluschi, Anellidi, Nematodi, Artropodi): sono animali la cui bocca si origina dal blastoporo. - Deuterostomi (Echinodermi, Cordati): animali la cui bocca si origina secondariamente alla formazione dell’ano dal blastoporo. Vertebrati e invertebrati Nel Regno Animale, una classificazione può essere fatta distinguendo tra: - Invertebrati: privi di colonna vertebrale (circa il 97% degli animali); - Vertebrati (sottogruppo dei Cordati): scheletro interno provvisto di colonna vertebrale. Non sono allo stesso livello tassonomico. Invertebrati 57 Classe Polychaeta (anellidi marini): i policheti sono anellidi principalmente marini, ma alcune specie dimorano nelle acque dolci. Sono animali bentonici che possono essere erranti e sedentari. Le forme sedentarie sono perlopiù sospensivore mentre quelle erranti sono attivi predatori. Classe hirudinea (sanguisughe): gli irudinei, o meglio conosciuti come sanguisughe, vivono principalmente in ambiente dulcacquicolo ed hanno un’alimentazione carnivora. Caratteristica la ventosa sul segmento anteriore e il corpo appiattito dorsoventralmente. La maggior parte delle specie sono ectoparassite ematofaghe, gli ospiti più comuni sono pesci e altre forme acquatiche (es. anseriformi). Classe oligochaeta (anellidi d’acqua dolce e terrestri): → oligocheti= poche setole Il lombrico è il rappresentante più conosciuto degli anellidi oligocheti. Vive all’interno di gallerie nel terreno e presenta pochi adattamenti strutturali per un’esistenza terrestre (all’esterno). La cute è mantenuta umida da delle ghiandole mucose epidermiche e la disidratazione è limitata da particolari adattamenti comportamentali: essi infatti escono dal terreno prevalentemente di notte o durante le piogge. Nei periodi di siccità, o durante la stagione invernale fredda, si spingono in profondità nel suolo e rimangono inattivi. Lombrichi sono animali detritivori. La principale fonte alimentare sono i tessuti vegetali in decomposizione. Grazie alla loro azione, i lombrichi “riciclano” attraverso l’intestino il terreno digerendo le sostanze organiche in esso contenute. Sono importanti per il terreno sia per l’azione meccanica che esercitano (frantumazione delle particelle, drenano il terreno, facilitando così gli scambi gassosi e rimescolano in senso verticale il terreno stesso) sia chimica (produzione humus). Phylum arthropoda: gli artropodi costituiscono un phylum animale vastissimo. Hanno colonizzato qualsiasi tipo di habitat, per questo sono il phylum più diffuso e grande. Comprende animali metamerici dotati di esoscheletro e appendici articolate. La metameria in alcuni è ridotta ma comunque riconoscibile. L’esoscheletro chitinoso che ricopre il corpo viene rinnovato periodicamente per consentire l’accrescimento (mute). L’evoluzione di questo rivestimento permette protezione e sostegno del corpo. Il movimento è possibile perché l’esoscheletro è suddiviso in piastre che ricoprono il corpo come un’armatura e nei punti di giunzione si presenta sottile e ripiegato. I segmenti portano appendici articolate e specializzate per svolgere diverse funzioni: per la locomozione, la cattura di prede, l’assunzione del cibo per filtrazione, la manipolazione del cibo, gli scambi gassosi, la ventilazione, la copula, l’incubazione delle uova e così via. Il loro corpo tende a essere sospeso sugli arti. Hanno una forte tendenza verso la specializzazione regionale del corpo (tagmosi). Presentano forte cefalizzazione e sono dotati di organi di senso complessi (come occhi laterali e sfaccettati o uno o più occhi mediani semplici). Gli artropodi si differenziano in 4 principali subphylum (di cui uno estinto): - trilobiti (estinti) - chelicerata (scorpioni, pseudoscorpioni, ragni, opilioni, acari, zecche) - crustacea (gamberi, granchi, aragoste, cirripedi, dafnie) - unirama (centopiedi, millepiedi ed insetti) Subphylum chelicerata (limuli, scorpioni, ragni, acari e zecche): i chelicerati si distinguono da tutti gli altri artropodi per il fatto di non possedere antenne. Il corpo è diviso in due regioni: il cefalotorace (prosoma) e l’addome (opistosoma). Appendici motorie +: - un primo paio di appendici prende il nome di “cheliceri” e sono implicati nell’alimentazione; - un secondo paio di appendici sono i “pedipalpi” e sono adatti a varie funzioni, sia alimentari sia sensoriali. I sessi sono separati e lo sviluppo è solitamente indiretto (cioè implica una fase larvale) negli organismi marini e diretto in quelli terrestri (giovani presentano già la forma adulta). Subphylum crustacea (gamberi, granchi, aragoste, cirripedi, dafnie): a differenza di aracnidi e insetti (animali generalmente terrestri), i crostacei hanno colonizzato principalmente l’ambiente acquatico (per lo più marino ma anche di acque dolci). Essi differiscono da tutti gli altri artropodi per il fatto di possedere due paia di antenne. Oltre ad esse, possiedono appendici a funzione trofica. Le appendici cefaliche dei crostacei sono costituite da: 60 - 2 paia di antenne (antennule ed antenne) - 1 paio di mandibole - 2 paia di mascelle (utilizzate per manipolare, masticare e triturare gli alimenti). Il tronco varia notevolmente da una classe all’altra: comunemente hanno un carapace (con tegumento solitamente rafforzato da carbonato di calcio) che può ricoprire solo una piccola parte del corpo oppure tutto. Le appendici del corpo si sono evolute per svolgere un’ampia varietà di funzioni. I crostacei hanno numerose tipologie di alimentazione, possono essere predatori, filtratori, saprofagi e fitofagi. Subphylum unirama (centopiedi, millepiedi ed insetti): - classe diplopoda (millepiedi): hanno un notevole numero di zampe (in un ciclo di movimento possono essere coinvolte fino a 52 zampe). Si nutrono principalmente di vegetali in decomposizione. I millepiedi possono avere un corpo piatto o cilindrico: un corpo tondo è adatto a intrufolarsi tra le foglie morte e altri detriti, mentre quelli con corpo appiattito sono adatti a muoversi in spazi limitati come sotto le pietre o le cortecce. - Classe chilopoda (centopiedi): i chilopodi sono predatori particolarmente adatti alla corsa. Possono avere da 30 a 200 zampe. Si nutrono soprattutto di altri artropodi. Oltre a mandibole e mascelle presentano un paio di chele velenose che utilizzano per afferrare e uccidere le prede. - Classe exapoda (insetti): gli insetti sono il raggruppamento più numeroso di tutto il regno animale. La grande radiazione adattiva a cui la classe è andata incontro ha portato all’occupazione di quasi tutti gli habitat terrestri. Alcuni fattori hanno contribuito a questo grande successo: o le piccole dimensioni hanno consentito di utilizzare un’ampia varietà di microhabitat; o l’evoluzione delle ali ha fornito un notevole vantaggio nei confronti della dispersione, della fuga, dell’approvvigionamento del cibo o nella ricerca di condizioni ambientali più favorevoli. Essi possiedono uova cleidoiche ben sviluppate (ovvero uova “autosufficienti”): un guscio offre protezione contro la disidratazione e racchiude al suo interno il nutrimento necessario allo sviluppo dell’embrione. Gli insetti rivestono una notevole importanza ecologica nell’ambiente terrestre: due terzi di tutte le piante fanerogame dipendono dagli insetti per l’impollinazione (principalmente api, vespe, farfalle e alcuni ditteri). Le piante coltivate dall’uomo dipendono anch’esse dall’impollinazione operata dagli insetti. Hanno anche un enorme importanza per l’uomo: alcuni sono vettori di organismi che provocano malattie nell’uomo e negli animali domestici come la malaria, la febbre gialla (zanzare), l’elefantiasi, la malattia del sonno (mosca tse tse), il tifo (pidocchi), la peste bubbonica (le pulci), la febbre tifoide e la dissenteria (mosche). Il corpo di un insetto è organizzato in tre regioni principali: capo, torace e addome. Sul capo sono presenti un paio di antenne (sensoriali) e delle appendici alimentari (mandibole e mascelle). Originariamente le parti boccali erano adattate per masticare vegetali, poi si sono adattate a ampia varietà alimentare. Sul torace sono presenti le appendici atte alla locomozione (tre paia). Possono inoltre essere presenti una o due coppie di ali. Gli insetti possono avere un’organizzazione sociale (formiche, termiti, api, vespe), la comunicazione interspecifica attraverso feromoni, suoni o segnali luminosi. Molti insetti effettuano delle metamorfosi:  metamorfosi completa: 3 stadi→ larva, pupa e adulto (es. farfalle, coleotteri)  senza metamorfosi→ i giovani sono simili agli adulti (es. collemboli)  metamorfosi graduale→ giovani simili agli adulti ma senza ali (ninfe/naiadi) dopo diverse mute acquistano le ali (es. cavallette, blatte, cimici). Le larve sono in grado di utilizzare fonti di cibo ed habitat che non sono disponibili per l’adulto e viceversa. In alcuni insetti la pupa si comporta come uno stadio quiescente resistente, in modo da consentire al ciclo vitale di superare le condizioni avverse presenti durante certe stagioni dell’anno. Phylum echinoderma: gli echinodermi sono, insieme agli emicordati e ai cordati, degli animali deuterostomi (=la bocca si origina come una nuova apertura, mentre la formazione dell’ano è in corrispondenza del blastoporo). Sono animali esclusivamente marini. Comprendono le stelle di mare, i ricci di mare, le oloturie e i gigli di mare. Vivono quasi esclusivamente sul fondo, solitamente su substrati duri quali rocce, conchiglie e coralli. Gli 61 echinodermi hanno un endoscheletro organizzato in piastre o ossicoli calcarei che comprendono anche le spine superficiali e che danno il nome al phylum (echinodermata= “derma provvisto di spine”). Il loro carattere distintivo è dato dalla presenza di una simmetria radiale pentamera. Essi presentano un sistema acquifero (sistema di canali che ha origine dal celoma durante lo sviluppo embrionale), esclusivo di questo phylum. È un sistema formato da canali e appendici, internamente ciliato e ripieno di un liquido le cui funzioni sono locomotoria, alimentare, di scambio di gas ed eliminazione di cataboliti azotati. Nelle stelle marine (classe asteroidea) la bocca è rivolta verso il basso, nella parte centrale del corpo. Dal disco centrale del corpo si prolungano diverse braccia. Sulla parte inferiore delle braccia sono presenti i pedicelli ambulacrali, strutture caratteristiche. Il sistema di contrazioni muscolari delle ampolle regola la pressione dei pedicelli e ne determina il movimento. Durante il movimento, un braccio si comporta da braccio guida ed esercita un temporaneo comando su tutti gli altri. La maggior parte delle stelle marine è carnivora e si ciba di rifiuti. Crostacei, molluschi ed echinodermi sono le loro prede più frequenti. La capacità rigenerativa delle stelle di mare è ben nota. Qualsiasi frammento del corpo, che contenga una porzione del disco centrale, è in grado di rigenerare un intero individuo (tuttavia tale processo può essere piuttosto lento e durare circa un anno). I ricci di mare (classe echinoidea) hanno un corpo sferico con il polo orale che contiene la bocca rivolto verso il basso. Benché non presentino braccia, sono presenti cinque piastre ambulacrali provviste di pedicelli. Numerosi ricci usano i pedicelli per spostarsi, così come fanno le stelle di mare, utilizzando il sistema acquifero. Si nutrono di alghe e altri animali che vengono strappati dal substrato o masticati da una complessa struttura mobile, la lanterna di Aristotele, che contiene cinque denti estroflessibili. Altri echinodermi sono i gigli di mare (classe cirinoidea), le stelle serpentine (classe ophiuroidea) e i cetrioli di mare o oloturie (classe holothuroidea). Seminario di zoologia – 2 Phylum Chordata: i cordati sono animali deuterostomi con simmetria bilaterale. Sono animali che possiedono un organo di sostegno interno detto corda. Presentano, almeno in uno stadio del loro ciclo biologico, quattro caratteri distintivi: 1. Notocorda, organo assile longitudinale dorsale (di sostegno); 2. Tasche faringee che si aprono come fessure sulla superficie del corpo; 3. Tubo nervoso dorsale da cui si origina il sistema nervoso; 4. Larva con coda postanale muscolare. Nei Cordati più semplici, come l’anfiosso e le ascidie, la corda permane nell’individuo adulto mentre negli altri Cordati (i vertebrati) la corda esiste durante lo sviluppo embrionale e viene poi sostituita da una serie concatenata di vertebre (la colonna vertebrale). I Cordati si dividono in tre gruppi: - Subphylum urocordati - Subphylum cefalocordati - Subphylum vertebrati (che hanno cranio e colonna vertebrale) La principale differenza fra i gruppi consiste nella posizione della notocorda rispetto al cordone nervoso: - Gli urocordati presentano la corda dorsale solo nella regione caudale e solo negli stadi embrionali; - Nei cefalocordati la corda permane per tutto l’arco vitale e occupa l’intera lunghezza del corpo; - I vertebrati rivestono e sostituiscono la corda dorsale con un sistema scheletrico metamerico, la colonna vertebrale. Urocordati – i tunicati: i tunicati sono animali caratterizzati dal fatto che la corda, per lo più transitoria, è limitata alla sola regione codale. Sono dotati di un rivestimento caratteristico, la tunica: questa svolge protezione e sostegno. Sono animali sospensivori che filtrano l’acqua e vivono ancorati ad un substrato. La tunica può essere spessa o sottile, liscia o rugosa, composta da un carboidrato simile alla cellulosa. I tunicati più conosciuti sono le Ascidie. Le ascidie sono organismi marini bentonici, che popolano fondali sabbiosi e rocciosi, ma talora possono svilupparsi anche su altri substrati, quali ad esempio altri animali o persino scogli al limite fra l’alta e la bassa marea. 62 - Gli squamati→ serpenti (ofidi) e lucertole, gechi, camaleonti, iguane (sauri) Classe aves – gli uccelli: gli uccelli sono derivati da un gruppo di rettili (i dinosauri). Il più antico uccello era ancora assai simile a un rettile nella sua struttura di insieme. Gli uccelli hanno adattato il corpo per volare. Adattamenti: - Riduzione del peso (ossa leggerissime e pneumatiche che rendono il corpo più leggero e meno faticoso da involare; e sacchi aerei, prolungamento dei polmoni, riducono il peso); - Muscoli pettorali potenti innestato su uno sterno molto sviluppato (la carena); - Hanno penne derivate dalle squame dei rettili. Le penne assolvono due importanti funzioni: 1. Isolano termicamente dall’ambiente esterno e aumentano la superficie delle ali, facilitano il volo, e quindi tutte le funzioni ad esso connesse (ricerca del cibo, fuga dai predatori, ricerca del partner). Esempio di cooptazione funzionale. 2. La loro particolare struttura, fatta di sottili filamenti ramificati e agganciati tra loro, permette di ottenere la massima superficie con un peso minimo, e un’efficiente capacità isolante. La capacità di volare non è la caratteristica che permette di distinguere in modo univoco gli uccelli, poiché anche altri animali vertebrati sono in grado di volare (es. pipistrelli). Inoltre esistono molti uccelli che non sono in grado di volare nonostante la presenza di ali (struzzo o kiwi). Altri ancora si sono specializzati più nel nuoto (pinguini). Gli uccelli si ritrovano in ogni tipo di ambiente terrestre. Sono organismi omotermi, cioè capaci di mantenere costante la temperatura corporea (come i mammiferi). Tutti gli uccelli depongono le uova (sono ovipari) che vengono covate per periodi più o meno lunghi e i piccoli possono essere autosufficienti fin da giovane età oppure necessitano di continue cure prima di poter lasciare il nido. Ben nota è la funzione del canto durante la stagione degli amori. La riproduzione è legata a ritmi stagionali e comporta fra l’altro la costruzione di nidi di varia forma. Il becco è corneo e privo di denti. La forma varia notevolmente in relazione alle abitudini alimentare della specie. Anche le zampe possono assumere varie forme, a seconda dell’utilizzo che ne fanno. Il piumaggio, oltre che per evitare la dispersione del calore, può giocare anche un ruolo importante per l’accoppiamento: la livrea degli uccelli maschi, oltre a specifici versi o canti di richiamo e a sofisticate “danze rituali” è funzionale per attrarre esemplari dell’altro sesso. Le femmine tenderanno a scegliere il maschio con il piumaggio più bello, quasi fosse “segnale” di forza e buona salute. La classificazione è complessa, gli uccelli sono suddivisi in circa 30 ordini, tra i quali i passeriformi comprendono circa 70 famiglie. Classe mammalia: fra tutti i vertebrati sono i mammiferi il gruppo che presenta la più vasta gamma di variazioni in termini di dimensioni e struttura corporea e costituiscono una classe molto rappresentativa come numero di specie. I mammiferi si sono evoluti a partire da 250 milioni di anni fa ed ebbero successo sulla terraferma là dove i rettili non riuscirono. Sono animali distribuiti in quasi tutti gli ambienti della terra (dalle calotte polari ai deserti) e alcuni di essi si sono ben adattati agli ambienti marini (cetacei, pinnipedi). Le caratteristiche principali dei mammiferi sono: - Scheletro osseo - Pelle rivestita da peli - Hanno ghiandole mammarie - Sono endotermi omotermi - Sono vivipari (alcuni ovipari) - Polmoni per respirare - Arti con molte forme diversificate Endotermia e termoregolazione: i mammiferi sono in grado di regolare la temperatura corporea regolando sia la perdita (es. ghiandole sudoripare) che la produzione di calore (metabolismo). Ad integrazione della termoregolazione si sono evoluti altri adattamenti: - adattamenti al freddo:  Provvisti di uno spesso rivestimento di peli (pelliccia o pelame), muta per mantenimento;  Presenza di grasso sottocutaneo; 65  Periodi di inattività invernale (ibernazione), regolazione termostatica verso valori più bassi di quelli normali ma mai temperature ambiente (come in anfibi e rettili svernanti). Qua metabolismo bassissimo e basso consumo di energia. Vantaggi→ superamento periodi con scarsità risorse trofiche;  Migrazioni stagionali. - Adattamenti al caldo: necessità di mantenimento di una certa temperatura e di evitare di perdere eccessive quantità di acqua  Abitudini notturne (es. in zone desertiche) e di giorno riparo in rifugi freschi (es. tane);  Spesso strato di peli che riduce assunzione di calore (es. cammelli);  In alcuni con scarsità di pelame (es. elefante) la notevole mole corporea è sufficiente a conferire stabilità termica. Locomozione→ nei mammiferi si osserva un notevole aumento dell’attività (resa possibile anche dall’endotermia). Da questo derivano vari cambiamenti: - Presenza di articolazioni degli arti complesse; - Coda utilizzata in numerose specie (per bilanciare andatura – es. gatto – o per movimento – es. balene). Le modalità locomotorie complesse e, probabilmente, un aumento del comportamento esplorativo e dell’agilità dei mammiferi hanno reso necessaria la presenza di strutture muscolari sensoriali e nervose più complesse (= olfatto e udito efficienti, occhi assai sviluppati, cervello straordinariamente sviluppato). Riproduzione→ nei mammiferi la fecondazione è (quasi) sempre interna con sviluppo dell’embrione all’interno del corpo materno (vivipari). Le femmine presentano ghiandole mammarie, da cui il nome della classe, che secernano il latte utilizzato per alimentare la prole. A differenza di altri gruppi animali i mammiferi producono un numero minore di prole, ma sulla loro progenie riversano maggiori energie e cure parentali. I mammiferi si dividono in tre gruppi principali sulla base delle modalità di riproduzione: 1. Monotremi→ depongono le uova e poi i nati saranno allattati (poche specie), es. ornitorinco; 2. Marsupiali→ piccoli crescono in un marsupio, es. canguro, koala, opossum; 3. Placentati→ i cuccioli si sviluppano nell’utero e ricevono nutrimento (specie più comuni). Carnivori: i carnivori terrestri (es. donnole, cani, procioni, orsi, gatti) possiedono denti specializzati ad afferrare e lacerare prede. Canini grandi e mascelle incernierate in modo da potersi chiudere come cesoie. Artigli assai sviluppati e la struttura degli arti consente loro di correre rapidamente ed afferrare la preda. I carnivori adattati all’ambiente marino (foche, leoni marini, trichechi) si alimentano in mare ma tornano sulla terraferma per riprodursi. Arti trasformati in pinne . I canini superiori si sono sviluppati per formare zanne (nei trichechi sono organi sociali e servono per stabilire gerarchie all’interno dei gruppi sociali). Roditori: ordine di mammiferi più numerosi. Sono specializzati in una dieta vegetale, hanno grandi denti frontali per la frantumazione di fibre vegetali e semi. Modificazione dentatura: le sostanze vegetali devono essere completamente triturate per consentire poi l’azione degli enzimi digestivi. Successo evolutivo dovuto a piccola taglia, al breve ciclo riproduttivo e all’abilità di rosicchiare e mangiare un’ampia varietà di cibo. Ungulati: specializzati in una dieta vegetale. Modificazione dentatura: le sostanze vegetali devono essere completamente triturate per consentire poi l’azione degli enzimi digestivi, masticazione laterale. Parte terminale delle dita (falangette) ricoperte da robuste unghie (zoccoli). Cetacei: adattati alla vita acquatica (convergenza evolutiva). Primati: adattati ad una vita arboricola, inizialmente andando alla ricerca di insetti sugli alberi e in seguito procurandosi frutti, fiori, semi ed altri prodotti. 66 ALL’ESAME A VOLTE CHIEDE DI SCEGLIERE UN ORGANISMO A NOSTRA SCELTA (PIANTA O ANIMALE) E DI INQUADRARLO SISTEMATICAMENTE → COSNIGLIO SCEGLIERE UN ORGANISMO E INQUADRARLO SISTEMATICAMENTE. Es: Moscardino: regno: animalia phylum→ chordata classe→ mammalia ordine→ rodentia famiglia→ gliridae genere→ muscardinus specie→ muscardinus avellanarius il moscardino (muscardinus avellanarius) è un mammifero dell’ordine dei roditori. Appartiene al phylum dei cordati (animali che possiedono un organo di sostegno interno detto corda) ed è un vertebrato (ha uno scheletro interno osseo e una colonna vertebrale costituita da una struttura scheletrica robusta). È un animale a simmetria bilaterale (un piano divide il corpo dell’animale in due parti speculiari), deuterostoma (nell’embrione dal blastoporo si forma l’ano e la bocca si forma secondariamente) e celomatico (presenta un celoma). Appartiene alla classe dei mammiferi (omotermi, provvisti di pelo, ghiandole mammarie, vivipari, prole e cure parentali). Introduzione alla botanica Forma e strutture di una pianta Una volta le piante occupavano inizialmente un’area ampia che comprendeva anche i funghi e una parte dei protisti. Ancora oggi gli studiosi di botanica hanno competenze su organismi che oggi non fanno parte delle propriamente dette. La classificazione delle piante Suddivisione che non tiene conto di domini e regni come abbiamo visto precedentemente, ma che spesso viene attribuita come campo di competenza della botanica. Fra gli organismi pluricellulari ci sono due suddivisioni: - tallofite: non vi è una differenziazione di organi e il corpo dell’organismo è detto tallo. Ne fanno parte le Alghe azzurre-cianobatteri, le Alghe unicellulari e le Alghe pluricellulari. - cormofite: il corpo delle piante è organizzato in tre organi principali (radici, fusto e foglie) e le cellule presentano spiccate differenziazioni morfologiche e funzionali all’interno di tessuti. Nella sistematica storica, alle cormofite si aggregavano anche le Briofite (muschi), che in realtà non hanno fusto, foglie e radici, quindi è sbagliato. Ne fanno parte le Pteridofite (attuali felci), le Gimnosperme e la Angiosperme. Struttura vegetativa di una pianta Piante terrestri cormofite, hanno cioè un cormo= formate da organi differenti (radici, fusto e foglie). Nelle Cormofite propriamente dette abbiamo le Pterilofite (felci) e le Spermatofite, che a loro volta sono suddivise in Gimnosperme e Angiosperme. Tutto parte della gemma, un germoglio in via di sviluppo con un apice vegetativo fatto da cellule meristematiche (meristema è un tessuto vegetale le cui cellule possono differenziarsi per mitosi e originare nuove cellule. Ogni cellula meristematica arriva da un’altra cellula meristematica, è grosso modo l’equivalente di una cellula staminale degli animali). Ci sono due tipologie di gemme: gemma fogliare e gemma fiorale a seconda di dove sono disposte. Sono composte da abbozzi fogliari o fiorali e da perule, le foglioline. Il germoglio in via di sviluppo può contenere sostanze di riserva: gli asparagi. A volte, soprattutto per gli alberi, le gemme possono essere utili per il riconoscimento della specie. La struttura vegetativa di una pianta è formata da tre organi principali: - radici: ancorano la pianta al suolo e assorbono acqua e sali minerali (apparato assorbente); - fusto: per trasportare le sostanze dalle radici alle foglie e viceversa (apparato conduttore); 67 è un rivestimento che avvolge i semi e deriva dalla trasformazione dell’ovario. Dopo la fecondazione del fiore, gli ovuli racchiusi nell’ovario si trasformano in semi e l’ovario in frutto. Suddiviso in: -seme; - epicarpo o esocarpo: la parte più esterna; - mesocarpo: parte centrale, quella che noi mangiamo; - endocarpo: parte più centrale, che a volte si può rompere in due e contenente al suo interno il seme. I frutti vengono distinti in: - carnosi: se a maturità, le parti avvolgenti i semi sia ricca di acqua (limone, uva...). Vengono chiamati drupa: se l’endocarpo è legnoso (pesca) o bacca: se l’endocarpo non è legnoso (mirtillo); - secchi: se a maturità, le parti avvolgenti i semi siano secche e legnose (ghianda, nocciola...). Si dividono in deiscenti: se si aprono completamente o parzialmente a maturità (nocciola, papavero) e in non deiscenti: se rimangono chiusi (legume, mais). Esistono i falsi frutti, come i pomi (mela, pera), dove la parte carnosa è data dall’ingrossamento del ricettacolo, mentre il vero frutto (ingrossamento dell’ovario) è il torsolo, cioè una bacca. Anche la fragola, è un frutto composto da tanti acheni (i semini neri), la parte carnosa è l’ingrossamento del ricettacolo. I frutti si suddividono in: - frutti composti, da un’unica infiorescenza (mora del gelso); - frutti aggregati, da un fiore con tanti pistilli (mora del rovo). Sistematica delle piante – cormofite: mentre le briofite non possono trasportare attivamente acqua verso l’alto, un efficiente sistema di trasporto ha consentito all’altro grande gruppo di piante terrestri, quelle delle tracheofite o piante vascolari (vasculum= vaso, tubicino), di svilupparsi notevolmente in altezza. Le tracheofite rappresentano più del 90% delle piante conosciute. Le tracheofite che hanno il seme sono dette spermatofite (sperma= seme, phyton= pianta). Nelle cormofite si trovano le pteridofite (felci) e le spermatofite. Le spermatofite si dividono in gimnosperme e angiosperme, queste ultime a loro volta si dividono in mocotiledoni e dicotiledoni. Il seme ha la funzione di favorire la diffusione delle nuove piante lontane dalla pianta madre, si forma in seguito ad un processo di fecondazione. Gimnosperme: letteralmente vuol dire pianta a seme nudo, sono le spermatofite più antiche. Sono le attuali conifere. Gli ovuli di queste piante non si trovano nei fiori ma nelle pigne. Comprendono circa 700 specie molto diffuse. Angiosperme: nelle angiosperme il seme è protetto, angiosperme significa “seme in un vaso”. Esistono circa 250 mila specie di angiosperme. Il frutto favorisce la diffusione e la protezione del seme. Come si riconoscono le piante: chiavi dicotomiche - chiavi tradizionali→ si basano soprattutto sulle caratteristiche dei fiori - chiavi semplificate→ caratteristiche delle foglie e delle cortecce, almeno per gli alberi - alternative→ combinazioni di caratteri vari Comunicazione della scienza Come funziona il sistema delle pubblicazioni scientifiche? 1. Gli autori preparano un articolo e lo inviano ad un giornale scientifico più o meno specializzato; 2. Nel giornale l’editor in chief lo legge e, se lo reputa interessante, lo manda ad un editor che abbia una maggior competenza in quel campo; 3. Se l’editor lo ritiene un lavoro potenzialmente interessante, lo invia a diversi (da 2 a 5) reference (persone che hanno una profonda conoscenza nei diversi aspetti del lavoro); 4. I reference formulano una proposta (reject/major revision/minor revision/accept); 5. L’editor decide e formula una proposta all’editor in chief che prende la decisione finale. 70 È stato detto che la democrazia è la peggior forma di governo, eccezion fatta per tutte quelle altre forme che si sono sperimentate finora. (Churcill) Come fare quando si sente in televisione o si legge sui giornali, sui blog di qualche notizia scientifica? 1. Verificare se chi sta parlando (o viene intervistato) è davvero competente in quel campo; 2. Se non lo fosse verificare se fa riferimento alla letteratura scientifica aggiornata; 3. Se i primi due punti non fossero soddisfatti è lecito pensare che quanto avete di fronte non è discussione scientifica ma chiacchera da bar: trattatele come tale. Riflessioni:  Come sviluppare le attività pratiche? Finalizzate ad apprendere concetti scientifici che esulino dalla lezione frontale, come giochi, ricerche da far fare ai bambini e poi esporre i risultati (far lavorare sul modo di esposizione, cartelloni), esplorazioni in giardino su animali, giochi di numeri che ci aiutano a capire le dimensioni in gioco. È essenziale tenere alta l’asticella della sicurezza (abbiamo responsabilità dei bambini): cerco di individuare tutti i possibili pericoli prima di far fare l’attività. Se vogliamo fare un progetto, bisogna controllare le normative e farli nel rispetto dei termini di legge (es. con i girini, che non si possono prendere, sono a rischio estinzione alcuni vertebrati e noi umani, toccandoli, possiamo trasmettere loro funghi) per decidere di fare un allevamento di chiocciole o lombrichi, bisogna tener conto del loro benessere.  Paura/non tranquillità sulle materie scientifiche: Non c’è un gene che rende negata una persona per le scienze o una predisposizione di genere, anche se oggi esiste una “discriminazione” delle ragazze nei dipartimenti scientifici. A volte fa paura perché viene spiegata con termini complicati. 71