La Biologia è la Scienza della Vita
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Lezione 1 La Biologia è la Scienza della Vita Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Obiettivo: Studiare quali sono le caratteristiche della vita, come variano da un organismo all’altro, come si sono evolute e come cooperano per permettere ai viventi di esistere. L’evoluzione è un tema centrale per la biologia: attraverso le differenze nelle capacità di sopravvivere e riprodursi, infatti, i sistemi viventi evolvono e si adattano ai molti ambienti del pianeta. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 In questo modo, l’evoluzione a partire da un antenato comune ha generato l’enorme varietà di forme di vita che osserviamo oggi sulla Terra. 3.9 miliardi di anni fa formazione delle procellule in condizioni anaerobiche dal brodo primordiale ricco di molecole organiche 3.5 miliardi di anni fa Primi organismi monocellulari (procarioti); grazie alla loro fotosintesi il pianeta si arricchisce di ossigeno e carboidrati Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Le caratteristiche che i viventi hanno in comune: 1. Tutti gli organismi sono fatti di cellule 2. Le cellule contengono informazioni ereditarie scritte in un linguaggio genetico universale (ovvero comune a tutte le forme di organismi viventi), che trasmettono alla discendenza. 3. Le cellule ricavano dall’ambiente energia e nutrienti. 4. Gli organismi rispondono ai cambiamenti dell’ambiente esterno regolando il proprio ambiente interno. 5. La vita è organizzata in livelli gerarchici. 6. Gli esseri viventi interagiscono gli uni con gli altri. 7. Tutti i viventi sono comparsi per evoluzione a partire da un antenato comune. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Quindi: La biologia è lo studio scientifico di tutti gli esseri viventi, cioè di tutti quei numerosi e vari organismi che discendono da un antenato comune unicellulare comparso quasi quattro miliardi di anni fa E’ comunque molto difficile rendere giustizia all’incredibile complessità e diversità dei viventi. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 1. Gli organismi sono fatti di cellule. La scoperta della cellula risale al ‘600 ed è dovuta a Robert Hooke, uno studioso di fisica, paleontologia, chimica ed architettura vissuto in Inghilterra dal 1635 al 1703. Non si limitò alla sola ricerca scientifica ma si dedicò anche alla progettazione di strumenti scientifici. Fu lui ad apportare importanti perfezionamenti al microscopio ottico. E proprio queste innovazioni tecnologiche gli permisero di fare osservazioni straordinarie: in una di queste egli osservò delle fettine di sughero e notò che esse erano costituite da tante piccole cellette separate tra loro che chiamò CELLULE. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Trascorsero però più di 100 anni prima che gli studi sulle cellule facessero progressi significativi e solo nell’800 gli studiosi conclusero che gli elementi strutturali dei vegetali e degli animali sono fondamentalmente gli stessi. Nacque così la Teoria cellulare: La cellula è la struttura più semplice in grado di svolgere tutte le funzioni vitali. Alcuni organismi, detti unicellulari, sono formati da una sola cellula; altri, i pluricellulari, sono composti da numerose cellule specializzate in funzioni diverse Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 La Teoria Cellulare afferma che: Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi; Tutte le cellule provengono da cellule preesistenti Le cellule sono simili per composizione chimica ed ospitano molte delle reazioni del mondo vivente. Tutte le cellule sono avvolte dalla membrana plasmatica, un involucro che delimita la cellula e seleziona le sostanze che entrano ed escono. L’ambiente interno alla membrana è costituito da una miscela di acqua e di altre sostanze chiamata citoplasma in cui avvengono moltissime reazioni chimiche. Tutte le cellule posseggono un proprio patrimonio genetico che contiene le informazioni ereditarie necessarie alla cellula per svilupparsi, accrescersi e riprodursi. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 2. Le cellule contengono informazioni ereditarie scritte in un linguaggio genetico universale. Tutte le cellule del nostro corpo sono costituite da molecole a loro volta formate da due o più atomi (le particelle di cui è formata la materia). Atomi e molecole appartengono al mondo inanimato. Le cellule tuttavia posseggono due caratteristiche peculiari che le distinguono dai sistemi inanimati: Si riproducono e si sviluppano secondo un progetto interno Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Ciò è reso possibile dalla presenza in tutte le cellule di due tipi di biomolecole complesse, costituite da piccole subunità: Il DNA (acido desossiribonucleico): è una lunga sequenza di subunità chiamate nucleotidi. Le Proteine: sono sequenze di amminoacidi (molecole organiche) Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 I Nucleotidi e gli amminoacidi sono uguali in tutte le cellule di tutti gli organismi. Essi sono però organizzati in sequenze diverse per produrre molecole con funzioni differenti. Le molecole di DNA presenti all’interno di una cellula costituiscono il suo patrimonio ereditario e genoma Il compito del DNA è duplice: 1. Contiene le informazioni necessarie per costruire e far funzionare correttamente la cellula; 2. Permette all’organismo di trasmettere le proprie caratteristiche alla discendenza. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Tratti specifici del DNA, chiamati geni, contengono l’informazione utilizzata dalla cellula per fabbricare le proteine. Queste, oltre a costituire gran parte della struttura dell’organismo, sono le molecole che guidano le attività cellulari. Ogni organismo possiede geni specifici e quindi produce proteine specifiche. Il genoma di un organismo è composto da migliaia di geni. Se si altera la sequenza nucleotidica di un gene, molto probabilmente cambia anche la proteina che esso codifica. Le alterazioni dei geni si chiamano mutazioni. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Le mutazioni si verificano spontaneamente ma possono anche essere indotte da vari fattori esterni come le radiazioni e certe sostanze chimiche. Per lo più le mutazioni sono dannose, ma ogni tanto il cambiamento delle proprietà di una proteina ne altera la funzione in modo da migliorare l’efficienza dell’organismo nelle condizioni ambientali in cui si viene a trovare. Come vedremo queste mutazioni vantaggiose sono alla base dell’evoluzione. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 3. Le cellule ricavano dall’ambiente energia e nutrienti Tutti i viventi hanno bisogno di energia e materie prime per costruire le loro cellule e per mantenere la loro complessa organizzazione interna. Alcuni organismi utilizzano la luce del sole o altre fonti di energia per produrre biomolecole, altri ricavano dall’ambiente sostanze dette nutrienti che li riforniscono di energia. Parte del lavoro cellulare consiste nel trasformare certi tipi di biomolecole in altri tipi (tramite reazioni chimiche: ad esempio gli zuccheri vengono trasformati in grasso). Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 L’energia che proviene dai nutrienti può essere immagazzinata. Ad esempio le cellule di questo scoiattolo convertono le molecole complesse delle piante in grassi che.. ..vengono immagazzinate nel corpo dell’animale come riserva energetica!!! Oppure l’energia che proviene dai nutrienti può essere utilizzata immediatamente. Le cellule dei muscoli di questo canguro hanno demolito le molecole di cibo ed utilizzano l’energia così ricavata per produrre movimento Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 4. I viventi rispondono ai cambiamenti dell’ambiente esterno regolando il proprio ambiente interno La vita dipende da migliaia di reazioni chimiche che si svolgono nelle cellule; durante queste reazioni le molecole di partenza (reagenti) vengono demolite per costruire nuove molecole (prodotti) Il complesso di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno di un essere vivente unicellulare o pluricellulare costituiscono il suo metabolismo Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Le reazioni metaboliche richiedono che lo scambio di materiali tra l’interno e l’esterno della cellule avvenga in modo controllato e sono tra loro interconnesse: i prodotti dell’una costituiscono le materie prime della reazione successiva. Per consentire ciò, gran parte dell’attività della cellula è finalizzata a regolare le molteplici reazioni chimiche in continuo svolgimento al loro interno. E’ infatti fondamentale un preciso controllo della velocità delle reazioni e quindi della concentrazione chimica di ioni e molecole. L’attività di regolazione prende il nome di omeostasi: È la capacità dei viventi di mantenere relativamente costanti le caratteristiche del proprio ambiente interno, anche al variare dell’ambiente esterno. Esempi di Omeostasi possono essere: la temperatura centrale del nostro organismo, che viene mantenuta a valori prossimi ai 37°C nonostante le variazioni ambientali (entro certi limiti ovviamente). il pH del sangue, lievemente alcalino (7.4), non può subire oscillazioni troppo ampie, poichè quando superano i 0.4 punti determinano patologie gravissime. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 5. Il mondo dei viventi è organizzato in livelli gerarchici Una delle proprietà che caratterizzano gli esseri viventi è che essi mantengono una precisa organizzazione strutturale; questa organizzazione strutturale è di tipo gerarchico e alla sua base vi è la cellula. Il corpo umano, come quello di tutti gli altri animali complessi, è costituito da una grande varietà di differenti cellule specializzate. In molti casi, per svolgere i loro compiti specifici, gruppi di cellule simili (con la medesima funzione) si organizzano in tessuti. Per esempio una sola cellula muscolare non può sviluppare molta forza ma quando più cellule muscolari si uniscono per formare l tessuto muscolare si può generare una forza considerevole, tale da produrre il movimento. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Differenti tipi di tessuti, uniti strutturalmente e coordinati nelle loro attività, formano gli organi, preposti a svolgere una precisa funzione. Esempi di organi sono il cuore, il cervello, lo stomaco.. Gli organi che svolgono funzioni interconnesse sono raggruppati in sistemi di organi o apparati come l'apparato digerente e quello circolatorio. Per esempio, l'apparato circolatorio è costituito dal cuore, dai vasi sanguigni e dal sangue che scorre all'interno dei vasi; l'apparato digerente è costituito dallo stomaco, dall'intestino, dal fegato, dal pancreas e da numerosi altri organi, ognuno dei quali compie attività specifiche che contribuiscono al funzionamento globale; il sistema scheletrico invece è costituito da 206 organi distinti, le ossa, che insieme costituiscono lo scheletro umano Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 5. Gli esseri viventi interagiscono gli uni con gli altri Oltre che con il proprio ambiente interno, gli organismi interagiscono continuamente anche con l’ambiente esterno nel quale vivono. Gli organismi che appartengono ad una certa specie e che vivono nella stessa regione geografica costituiscono una popolazione. Tra i membri di una popolazione possono esistere interazioni di vario tipo Gli elefanti marini sono molto territoriali e spesso i maschi combattono per difendere il territorio. I suricati spesso collaborano per esempio per fare la guardia e difendersi dai predatori. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Le interazioni tra le popolazioni danno origine ad una comunità Un esempio di comunità è costituito dagli organismi che vivono in un prato (erbe, farfalle, cespugli, lombrichi..) In ciascuna località geografica, l’interazione tra le comunità viventi e l’ambiente in cui esse vivono forma un ecosistema. (concetto catena alimentare) Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 In sintesi… Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 6. Tutti i viventi sono frutto dell’evoluzione a partire da un antenato comune La teoria dell’evoluzione di Charles Darwin è uno dei principi più importanti della biologia. La teoria dell’evoluzione suggerisce che gli organismi viventi discendano da antenati comuni e quindi siano imparentati tra loro; per questo Darwin si riferiva al processo evolutivo come ad una «discendenza con modificazioni» Darwin sospettò l’esistenza dell’ereditarietà genetica osservando che la prole assomigliava ai genitori sotto tanti aspetti. Questa osservazione è alla base del concetto biologico di specie: un gruppo di organismi che si somigliano (morfologicamente simili) e che possono accoppiarsi tra loro generando prole feconda. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 D’altra parte i figli non sono del tutto identici ai genitori e qualsiasi popolazione di una specie vegetale o animale mostra una certa variabilità. Come funziona la selezione in natura? Darwin ipotizzò che ad agire fosse una diversa probabilità di sopravvivere e riprodursi con successo. Le popolazioni in natura non crescono in modo illimitato e solo una piccola percentuale della progenie riesce a sopravvivere e riprodursi. Perciò qualsiasi carattere che conferisca a chi lo possiede un aumento, anche modesto, della probabilità di riprodursi, sarà favorito e si diffonderà nella popolazione. Darwin chiamò questo fenomeno selezione naturale Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 7. La varietà degli esseri viventi è frutto dell’evoluzione. I biologi raggruppano le specie attualmente viventi in tre gruppi chiamati domini: achei, batteri, eucarioti Achei e batteri presentano processi metabolici differenti, ma condividono una caratteristica fondamentale: l’unità costitutiva di entrambi è la cellula procariotica, una cellula piccola, molto semplice, che non presenta scomparti interni. Il dominio degli eucarioti comprende quattro regni: animali, piante, funghi e protisti. Gli organismi che appartengono a questi regni sono formati da cellule eucariotiche. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 La cellula eucariotica differisce da quella procariotica per varie ragioni: Il DNA è contenuto in uno scomparto chiamato nucleo, delimitato da una membrana. Nel citoplasma sono presenti diversi organuli, sempre delimitati da membrane, che svolgono specifiche funzioni. La cellula eucariotica è molto più grande di quella procariotica. Cellula Procariota. Schema di un Cellula Eucariota batterio flagellato. Si osserva la monocompartimentazione ed il DNA Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli che occupa una zona non ben definita. Montepulciano 2013-2014 I quattro regni degli organismi eucariotici si distinguono in base a quattro criteri: Il regno delle Piante. Sono organismi pluricellulari fotosintetici ed autotrofi. Grazie alla fotosintesi sono in grado di produrre autonomamente il cibo a partire da molecole semplici. Il regno dei Funghi. Sono organismi decompositori che si nutrono per assorbimento (eterotrofi). Possono essere sia unicellulari che pluricellulari. Il regno degli Animali. Sono organismi pluricellulari che si nutrono ingerendo e digerendo il cibo. (eterotrofi). Il regno dei Protisti. Raccoglie tutti gli organismi che non rientrano negli altri regni. Si tratta quasi sempre di forme di vita unicellulari sia autotrofi che eterotrofi. Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Teoria dell’evoluzione Teoria cellulare Si basa sulle La Biologia Studia Gli esseri viventi sono fatti di cellule che nascono, crescono, si riproducono, muoiono Regolano l’ambiente interno METABOLISMO OMEOSTASI Contengono informazioni ereditarie DNA -Genoma Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Hanno bisogno di energia Autotrofi - eterotrofi Gli esseri viventi Appartengono a tre domini Batteri Archei Procarioti unicellulari Eucarioti Procarioti unicellulari Protisti Autotrofi ed eterotrofi, unicellulari Uni e pluricellulari Funghi Eterotrofi - Uni e pluricellulari Piante Autotrofi - pluricellulari Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014 Animali Eterotrofi - pluricellulari Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014
