Che cos’è la vita?
2a parte
Leonardo Beccarisi
Corso di Ecologia
Università degli Studi di Roma Tre
26 ottobre 2010
3a lezione
Sommario
1
Riproduzione
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
2
Trasformazione dell’energia
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
3
Conclusioni
Che cos’è la vita?
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
Confutazione della teoria della generazione spontanea
Francesco Redi pose della
carne avariata in una serie di
recipienti, alcuni chiusi, altri
aperti, e dimostrò che le larve
nascevano solo dove le mosche
avevano potuto depositare le
uova.
Francesco Redi (1626-1697)
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
Riproduzione e sessualità
Riproduzione
Il processo attraverso cui gli individui esistenti ne generano di
nuovi.
Due fenomeni sono riconducibili
alla riproduzione
1 La divisione delle cellule
conduce ad un aumento
numerico delle cellule
2
Divisione cellulare
L’unione delle cellule è
l’espressione della sessualità
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
Riproduzione e sessualità
Un fungo del genere Morchella
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
Riproduzione e sessualità
Tipi di riproduzione
Riproduzione sessuata Il nuovo individuo si sviluppa a partire da
una cellula germinale femminile fecondata.
Riproduzione asessuata Il nuovo individuo si sviluppa da un
frammento dell’individuo genitore.
Embrione allo stadio di 8 cellule
Gemmazione di Hydra sp.
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
Alla base dell’evoluzione
Le specie biologiche hanno un
potenziale intrinseco di
modificazione del proprio
genoma.
Ad esempio, una grande
popolazione di batteri possiede
un alto potenziale di
variabilità, pronto ad entrare in
azione in risposta diretta a
cambiamenti delle condizioni
ambientali.
Salvador E. Luria (1912-1991)
Max Delbrück (1906-1981)
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
Alla base dell’evoluzione
1
2
Ricombinazione genica
Mutazione
Tasso di mutazione
Il tasso di mutazione è la frequenza con cui si originano nuovi
individui mutati in un intervallo di tempo definito.
Per colonie di cellule batteriche, in condizioni colturali normali, il
tasso di mutazione è nell’ordine di 10−8 . Quindi, in una singola
colonia possono insorgere molti mutanti.
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Confutazione della generazione spontanea
Riproduzione e sessualità
Informazione ereditaria
Alla base dell’evoluzione
Colonie batteriche in capsule Petri
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
La nutrizione negli organismi eterotrofi
Gli organismi eterotrofi possono nutrirsi di sostanze organiche
provenienti da altri esseri viventi. Sono eterotrofi gli animali, molti
batteri ed alcuni vegetali.
La natura dell’alimentazione varia a seconda della specie.
Le fasi dell’alimentazione
1 Ingestione Trasferimento del cibo nelle cavità corporee
2
Digestione Trasformazione meccanica e chimica del cibo
3
Assorbimento Assimilazione all’interno delle cellule delle
sostanze utilizzabili
4
Escrezione Eliminazione delle sostanze inutilizzabili
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Le manifestazioni dell’eterotrofia
Un esercizio di associazione di concetti
Esempio:
“predatore”
Gatto
Uomo
...
Modalità di approvvigionamento
Inseguimento e cattura
Coltivazione
...
“preda”
Lucertola
Grano
...
Suggerimenti
• L’alimentazione non è un fatto esclusivo degli animali
• Il consumo della preda può essere parziale
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Le manifestazioni dell’eterotrofia
Un esercizio di associazione di concetti
Risultati degli studenti raccolti in aula:
“predatore”
Pianta carnivore
Criceto
Avvoltoio
Camaleonte
Balena
Tarlo
Zecca (zanzara)
Ragno
Scimmia (koala)
Sanguisuga
Modalità di approvvigionamento
mangia
sgranocchia
attesa
Attesa e cattura
ingoia
rosicchia
succhia
ragnatela
arrampica
attacca
“preda”
insetti
semi girasole
morte preda
insetti
prede
legno
sangue
insetto
banane (piante)
pelle
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Le manifestazioni dell’eterotrofia
Un esercizio di associazione di concetti
Risultati degli studenti raccolti in aula:
“predatore”
Cuculo
Tenia
Rana pescatrice
Serpente
Mucca
Scoiattolo
Scorpione
Alligatore
Ape
Edera
Modalità di approvvigionamento
opportunismo
parassita
esca (ciuffetto)
striscia e cattura
bruca
cerca e raccoglie
paralizza
aspetta
vola di fiore in fiore
sfrutta altre piante
“preda”
altra specie di uccelli
uomo
preda
topo
erba
ghiande
topo
zebra
fiore
piante
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Le manifestazioni dell’eterotrofia
Un esercizio di associazione di concetti
Risultati degli studenti raccolti in aula:
“predatore”
Pellicano
Talpa
Virus
Bruco
Pinguino
Iena
Topo
Modalità di approvvigionamento
pesca
scava
diffusione e duplicazione
mangia
pesca
attende morte
ricerca
“preda”
pesce
uomo
mela
pesce
preda
vegetali
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Eterotrofia nelle piante superiori
Le piante parassite
Le piante parassite sono prive di
clorofilla (quindi non appaiono
verdi) ed hanno generalmente foglie
a forma di squama. Introducono il
loro apparato radicale all’interno dei
tessuti di altre piante ospiti, da cui
traggono nutrimento.
Orobanche purpurea
Cytinus hypocistis
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Eterotrofia nelle piante superiori
Le saprofite
Neottia nidus-avis
I saprofagi sono organismi che utilizzano
substrati in decomposizione. Saprofagi
sono molti funghi e batteri decompositori
che occupano una particolare posizione
all’interno degli ecosistemi (costituiscono
le cosiddette catene dei decompositori).
Alcune specie di piante superiori
(saprofite) si comportano come dei
saprofagi: esse non svolgono la
fotosintesi, non sono verdi e non hanno
foglie; radicano sul substrato in
decomposizione da cui estraggono le
sostanze organiche. Un esempio è dato
dall’orchidea Neottia nidus-avis che cresce
sulla lettiera delle faggete; il processo di
assorbimento è mediato da funghi, con cui
la specie vive in simbiosi.
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Le piante carnivore
Drosera muscipula
Il mito delle piante carnivore
Drosera capensis
Le piante carnivore non sono specie
propriamente eterotrofe, poiché
fotosintetizzano. Esse vivono su
terreni poveri di sostanze nutritive.
Esistono circa 500 specie che
adottano diversi sistemi di cattura
degli insetti. Secernono enzimi che
digeriscono le prede all’interno delle
trappole per estrarne composti
azotati e fosfati.
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Respirazione cellulare
Respirazione aerobica
Proteine, lipidi e carboidrati che giungono all’interno della cellula
possono essere utilizzati per la produzione di energia.
Limitando la trattazione ai carboidrati, in particolare al glucosio
(C6 H12 O6 ), in presenza di ossigeno esso viene degradato per
produrre energia immagazzinata in molecole di ATP1 .
Equazione globale della respirazione cellulare
C6 H12 O6 + 6O2 −→ 6CO2 + 6H2 O+energia
1
Adenosina trifosfato
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
In assenza di ossegeno
Respirazione anaerobica e fermentazione
Molti microrganismi possono vivere in condizioni di assenza di ossigeno
atmosferico. Sono batteri e protisti, come i lieviti.
Respirazione anaerobica
La respirazione anaerobica comprende essenzialmente le medesime vie
biochimiche della respirazione aerobia, ma al posto dell’ossigeno sono
utilizzati composti minerali, come i nitrati ed i solfati.
Un esempio importante è dato dai batteri denitrificanti, che svolgono una
serie di reazioni (denitrificazione) attraverso cui i nitrati NO−
3 sono
trasformati in azoto atmosferico N2 .
Fermentazione
Alcuni microrganismi attraverso la fermentazione demoliscono le molecole
organiche per ottenere energia. Da questo processo si ottengono prodotti
caratteristici dai quali prendono il nome i diversi tipi di fermentazione (ad
es., lattica, alcolica, acetica).
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
La nutrizione nei vegetali
Nutrizione idrica e minerale
L’assorbimento dell’acqua e dei sali
minerali disciolti attraverso l’apparato
radicale (piante terrestri).
Nutrizione carbonica
L’assorbimento dell’anidride carbonica
attraverso gli stomi (piante terrestri).
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Fotosintesi clorofilliana
Piante, alghe aucariotiche, cianobatteri
Equazione globale della fotosintesi
clorofilla
6CO2 + 6H2 O+energia solare −→ C6 H12 O6 + 6O2
Reazioni dipendenti alla luce Trasformazione dell’energia luminosa
(fotoni) in forme di energia utilizzabile dalla pianta
(ATP e NADPH1 ) per la serie successiva di reazioni.
Reazioni indipendenti dalla luce L’ATP e il NADPH prodotti nella
fase precedente vengono utilizzati nella sintesi del
glucosio (i cui atomi di carbonio derivano
dall’anidride carbonica). Le reazioni non necessitano
di energia luminosa e possono avvenire sia al buio
che alla luce.
1
Nicotinammide adenina dinucleotide fosfato
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Il ruolo dell’ATP
L’ATP è una molecola ricca di energia.
L’ATP è il mezzo utilizzato dalle cellule di tutti gli organismi per
rendere possibili le reazioni che consumano energia.
La produzione di ATP viene ottenuta adoperando l’energia ricavata
dalla respirazione cellulare, oppure, negli organismi autotrofi, dalla
fotosintesi.
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Perché le piante sono verdi?
Cellule vegetali con cloroplasti
La luce verde è quella
meno assorbita dalle
clorofille.
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Chemiosintesi
In assenza di luce
Altri organismi chemioautotrofi
• I solfobatteri utilizzano l’acido solfidrico H2 S.
• I ferrobatteri utilizzano i sali ferrosi.
• I metanobatteri utilizzano il metano CH4 .
• Gli idrogenobatteri utilizzano l’idrogeno molecolare H2
presente nell’acqua.
Adattamento all’idrogeno
L’alga del genere Scenedesmus (più di 100
specie) in condizioni normali è
fotoautotrofa, ma in assenza di ossigeno e
di luce si comporta da chemioautotrofa
utilizzando H2 .
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Chemiosintesi
In assenza di luce
Batteri nitrificanti
I batteri nitrificanti sono due gruppi altamente specializzati di batteri
chemioautotrofici che costituiscono una componente importante della
flora microbica del terreno. Essi effettuano la nitrificazione, una serie di
processi che trasforma l’ammonio in nitrati, procurando al terreno alcuni
elementi fondamentali per la crescita dei vegetali superiori.
• I nitrosobatteri trasformano l’ammonio NH+ in nitriti NO−
2 .
−
• I nitrobatteri trasformano i nitriti NO−
2 in nitrati NO3 .
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Eterotrofia
Respirazione cellulare
Autotrofia
Fotosintesi batterica
Senza produzione di ossigeno O2
Batteri verdi (Chlorobacteriaceae)
In acque poco profonde (stagni e laghi) e ricche di zolfo.
Equazione generale
6CO2 + 12H2 S+luce −→ C6 H12 O6 + 6H2 O+12S
Altri tipi di reazioni sono proprie dei batteri solfopurpurei e dei batteri purpurei.
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Che cos’è la vita?
Che cos’è la vita?
1
2
3
4
5
6
1
Il fenomeno vita si sviluppa nella biosfera, che è protetta
da un’atmosfera, che riceve luce solare ed in cui c’è acqua
Gli organismi viventi hanno proteine, acidi nucleici,
carboidrati e lipidi
Gli organismi viventi sono costituiti da cellule1
Gli organismi viventi si riproducono
Gli organismi viventi mutano
Gli organismi viventi hanno bisogno di energia
Anche i virus hanno bisogno di un ambiente cellulare per moltiplicarsi
Riproduzione
Trasformazione dell’energia
Conclusioni
Che cos’è la vita?
Un primo assaggio di biodiversità
Tanti tipi di cellule
Tante modalità di riproduzione
Tanti modi per trasformare l’energia
Collegamenti con il libro di testo
Capitolo 6 pp. 145-148, 151-152
Letture consigliate
Redi F., 1994 Esperienze intorno alla generazione degli insetti. Edizioni
Teknos.
Mayr E., 1998 Il modello biologico. McGraw-Hill.
Fonti delle immagini OpenClipArt (rg1024: p. 25); Wikipedia (p. 3, 4, 6, 7, 17, 15, 16, 22, 28, 23, 5, 9); Skeptic
Wonder (p. 24).
Presentazione realizzata con il sistema Beamer 3.07.
