CAP. 1 Concetti di base su struttura, sviluppo, riproduzione e classificazione dei vegetali e degli animali. Diversità degli organismi. Procarioti ed eucarioti. Autotrofi e eterotrofi. Concetti di base su struttura, sviluppo, riproduzione degli organismi Caratteristiche degli esseri viventi: Capacità di riproduzione : gli organismi sono in grado di dare origine ad altri organismi simili a sé stessi e di trasmettere le loro caratteristiche alla discendenza grazie alla presenza del patrimonio genetico. La riproduzione assicura la continuità della specie nel tempo. Capacità di crescita degli organismi: è la capacità di aumentare il numero delle cellule di cui il loro corpo è costituito, utilizzando le molecole contenute negli alimenti. Capacità di trasformare composti chimici attraverso processi metabolici. Il metabolismo (dal greco metabolé, trasformazione) è la totalità dei processi chimici che si verificano in un organismo. Autoregolazione : gli organismi viventi assumono, trasformano ed eliminano sostanze mantenendo un ambiente interno costante pur attraverso continue trasformazioni, cioè processi di sintesi e scissione (questo insieme di processi viene anche definito omeostasi). Capacità di movimento tipica di alcuni gruppi di organismi e in particolare degli animali. Capacità di trasformarsi in organismi diversi (evoluzione). La materia vivente si presenta sempre suddivisa in piccole unità chiamate cellule. La cellula infatti è l’unità funzionale di tutti gli esseri viventi. Ogni cellula è in grado di riprodursi, crescere e rispondere agli stimoli. Si possono distinguere: ORGANISMI UNICELLULARI: cioè costituiti da una sola cellula, che deve provvedere da sola a tutte le funzioni della vita e cioè nutrirsi, riprodursi. ORGANISMI PLURICELLULARI: cioè costituiti da molte cellule che si specializzano a gruppi per determinate funzioni. Livelli di organizzazione della materia vivente Le cellule contengono strutture chiamate organuli cellulari (nucleo, mitocondri, etc.). Ciascuno di questi organuli è costituito da molecole legate fra di loro (es: proteine, acidi nucleici, lipidi etc.). Le molecole sono a loro volta costituite da atomi legati insieme e che a loro volta sono costituiti da protoni, elettroni e neutroni. 1 Se si parte invece dalle cellule, considerando strutture via via più grandi formate dalla loro aggregazione allora vediamo che organismi costituiti da molte cellule (organismi pluricellulari) presentano (Fig. 1.1): Tessuto: insieme di cellule dello stesso tipo o i differenti tipologie, specializzate generalmente per compiere la stessa funzione (tessuto epiteliale: tessuto costituito da cellule a contatto che rivestono il corpo e tappezzano i vasi e le cavità interne). Organo : è formato da più tessuti (Es: Lo stomaco presenta tessuti diversi: un tessuto di rivestimento interno che produce succhi gastrici e muco, un tessuto muscolare che gli permette di contrarsi, un tessuto esterno che lo collega ad altri organi). Apparato: è formato da più organi che collaborano alla stessa funzione (Es: l’apparato digerente è costituito da diversi organi ---> bocca, esofago, fegato, intestino etc. – tutti questi organi collaborano alla demolizione meccanica e chimica degli alimenti). Se si parte invece dagli organismi pluricellulari, considerando strutture via via più grandi formate dalla loro aggregazione allora vediamo che: Popolazione : è costituita da un insieme di individui della stessa specie che vivono in un determinato luogo. Comunità: è l’insieme di individui di tutte le popolazioni che vivono in un determinato luogo. Ecosistema: comprende oltre alle comunità che vivono in un determinato luogo anche la parte abiotica (aria, acqua e suolo). 2 Fig. 1.1 – Livelli di organizzazione (da Lawrence et al., 1996) 3 Classificazione degli organismi animali e vegetali Gli organismi viventi possono essere classificati sulla base di affinità morfologiche ed anatomiche e di affinità filogenetiche, cioè sulla base della loro storia ancestrale. Questo significa che organismi appartenenti allo stesso gruppo hanno una storia simile e sono più simili di altri organismi appartenenti a gruppi diversi. La categoria di livello più basso è la specie. TASSONOMIA: è un sistema che fornisce un nome agli organismi, raggruppandoli in categorie a seconda delle somiglianze e delle differenze e della loro storia evolutiva o filogenesi e dandone una descrizione. Le categorie vengono chiamate TAXA ( singolare TAXON) Ogni organismo è classificato secondo il Sistema binomio (genere e specie) fondato da Linneo. Le categorie tassonomiche principali sono: REGNO: comprendono organismi appartenenti a divisioni o phyla diversi. DIVISIONE o PHYLUM comprende organismi appartenenti a classi affini Divisione : viene usato per procarioti, alghe e vegetali. Phylum: usato per Protozoi e animali. CLASSE: comprende organismi di ordini affini. ORDINE: comprende organismi appartenenti a famiglie affini. FAMIGLIA: comprende organismi di generi simili GENERE comprende una o più specie strettamente affini. Gruppo di specie strettamente imparentate derivate presumibilmente da un antenato comune. SPECIE: è un’unità naturale costituita da un gruppo di individui riproduttivamente isolati, cioè capaci di generare figli fecondi soltanto se accoppiati tra loro. ESEMPIO : nome volgare: lupo CLASSIFICAZIONE secondo il sistema tassonomico: REGNO: Animalia SUBPHILUM: Vertebrata DIVISIONE o PHYLUM : Chordata CLASSE: Mammalia ORDINE: Carnivora FAMIGLIA: Canidae 4 GENERE: Canis SPECIE: Canis lupus Secondo la nomenclatura binomia di Linneo il lupo viene chiamato: Canis lupus L. (Dove genere e specie vanno scritti in corsivo e seguirà, in carattere normale, l’iniziale del cognome, o da parte di esso, dell’autore che l’ha descritto e gli ha dato per primo un nome scientifico). Classificazione biologica Principali regni in cui gli organismi sono suddivisi (Fig.1.2): REGNO PROCARIOTI o MONERA: a questo regno appartengono organismi semplici come i batteri, organismi di piccole dimensioni, tra 0,1-20µm, unicellulari, mancanti di un nucleo ben definito, cioè delimitato da membrane (presentano un nucleoide). Il loro modo di procurarsi energia per vivere e produrre le proprie molecole è vario; essi possono essere fotoautotrofi, come i cianobatteri, chemioautotrofi o eterotrofi. Fig.1.2 – Classificazione dei cinque Regni (da Hickman e Roberts, 2000). REGNO PROTISTI: a questo regno appartengono organismi come le alghe e i protozoi; sono organismi eucarioti, cioè con nucleo delimitato da una doppia membrana, unicellulari o coloniali. Possono somigliare a piante, animali o funghi. Essi si distinguono in: Protozoi unicellulari le cui cellule sono simili a quelle animali. Vivono in acqua, nel terreno o all’interno di altri organismi; Alghe unicellulari o coloniali, fotosintetizzanti; Muffe mucose o mucillaginose: simili a funghi. 5 REGNO PIANTE: Organismi eucarioti autotrofi fotosintetizzanti, pluricellulari, con cellule che presentano esternamente alla membrana cellulare la parete cellulare. REGNO FUNGHI: Organismi eucarioti eterotrofi, forniti di pareti cellulari per lo più di chitina, decompongono organismi morti e riciclano sostanze nutritizie. REGNO ANIMALI: Organismi eucarioti eterotrofi, capaci di movimento, con cellule prive di parete cellulare; si nutrono solitamente per ingestione. Sulla base del metabolismo alimentare gli esseri viventi possono essere suddivisi in : 1.2.1 Organismi autotrofi AUTOTROFI o PRODUTTORI: Organismi che sintetizzano sostanze organiche a partire da sostane inorganiche, usando fonti di energia esterne (sole). Questi organismi non hanno bisogno per la loro nutrizione di sostanze organiche già pronte. Es: Questi organismi utilizzano la CO2 come fonte di carbonio e la convertono, unitamente all’acqua in sostanze organiche complesse. Gli organismi autotrofi possono essere suddivisi in organismi: ? Fotoautotrofi: se utilizzano come fonte di energia l’energia solare; ? Chemioautotrofi: se utilizzano l’energia derivante dall’ossidazione di donatori inorganici di elettroni. (Alcuni batteri ottengono l’energia dall’ossidazione di Fe2+ a Fe 3+). 1.2.2 Organismi eterotrofi ETEROTROFI o CONSUMATORI: Organismi che devono assumere sostanze organiche già sintetizzate nell’ambiente esterno per ricavarne energia e trasformarle nelle proprie molecole. Questi organismi non sono capaci di sintetizzare sostanze organiche partendo da CO2 , acqua e sali minerali, ma devono consumare sostanze organiche preformate, prodotte dagli organismi autotrofi. 1.3 Organismi procarioti ed eucarioti Tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule, la cellula è l’unità organizzativa fondamentale della vita. In natura esistono due tipi di cellule: ? cellule procariotiche ? cellule eucariotiche per cui gli organismi si possono suddividere in organismi (Fig.1.3) : PROCARIOTI: a cui appartengono i batteri e le cianofite (dette anche Alghe Azzurre) 6 EUCARIOTI: a cui appartengono tutti gli altri organismi. Fig.1.3 – Cellula procariotica – a sinistra- e cellula eucariotica- a destra- (da Brum et al., 2000) Cellula procariotica Cellule eucariotica Cellula circondata da parete cellulare Manca di parete Membrana plasmatica costituita da doppio Membrana plasmatica costituita da doppio strato lipidico e proteine strato lipidico e proteine Citoplasma contenente proteine con funzione Citoplasma con proteine con funzione di di enzimi enzimi Presenza di ribosomi Presenza di ribosomi Presenta un nucleoide: regione della cellula Presenta un nucleo circondato da membrana. in cui è presente un’unica molecola di DNA (cromosoma), non separata dal citoplasma circostante mediante una membrana. La cellula è priva di organuli delimitati da Il citoplasma presenta numerosi organuli membrana delimitati da membrana (nucleo, mitocondri, etc) Sono cellule presenti negli organismi E’ presente negli organismi eucarioti. procarioti. Le cellule procariotiche hanno diametro La maggior parte di queste cellule ha una compreso tra 0,2-0,3 ? m lunghezza 0,3-100 dimensione compresa tra 10 –100 ? m ? m. Cromosoma formato circolare di DNA. da una molecola Cromosomi formati da una molecola lineare di DNA. 7