1. - Mondadori Education

Nel volume
• Collegamenti evoluzionistici: per costruire la cornice interpretativa
• Professione biologo: interviste per sapere che cosa fanno i biologi oggi
• Tavole infografiche: per capire processi e cicli
• Problema e Confronta le immagini: per imparare ad analizzare le immagini
• Focus di fine paragrafo e domande in itinere
• Verifiche di conoscenze e di abilità; esercizi e attività I punti caldi
G. AUDESIRK T. AUDESIRK B.E. BYERS
Gerald Audesirk Teresa Audesirk Bruce E. Byers
I viventi e l’evoluzione
GERALD AUDESIRK TERESA AUDESIRK BRUCE E. BYERS
I VIVENTI E L’EVOLUZIONE
CORSO DI BIOLOGIA PER IL 1° BIENNIO DEI LICEI
1
A Introduzione alla biologia
B Biologia della cellula
Nella guida: programmazione flessibile e personalizzabile, uso del Libropiùweb e
dei contenuti multimediali per LIM, lezioni ed esercizi per Biology in English, percorsi
didattici, prove di valutazione.
CO
Piano dell’opera
ISBN 978-88-286-1007-6
Confezione 1+2 con CD-ROM
ISBN 978-88-286-1025-0
Guida per l’insegnante con CD-ROM
ISBN 978-88-286-1033-5
2° biennio
Volume 3
E – Materia ed energia della cellula.
F – Geni e biologia molecolare.
G – Evoluzione e biodiversità.
ISBN 978-88-286-1056-4
Volume 4
H – L’organismo umano e degli animali.
ISBN 978-88-286-1057-1
Confezione 3+4 con CD-ROM
in preparazione
Guida per l’insegnante con CD-ROM
in preparazione
M
Volume 2
C – Eredità biologica, evoluzione e sistematica.
D – Ecologia.
RO
D-
ISBN 978-88-286-1024-3
I VIVENTI E L’EVOLUZIONE
Volume 1
A – Introduzione alla biologia.
B – Biologia della cellula.
NC
1° biennio
5° anno
Volume 5 con CD-ROM
I – Biochimica.
L – Biotecnologia e bioetica.
M – Evoluzione dell’uomo.
in preparazione
Guida per l’insegnante con CD-ROM
in preparazione
1
CONTENUTI MULTIMEDIALI
Scienza VIVA: animazioni, video e attività interattive
Flip*it: flashcard per ripassare e imparare più facilmente
Test interattivi: esercizi autocorrettivi per mettersi alla prova
Volume 1 + Volume 2
+ CD-ROM non vendibili
separatamente
Cover_Audesirk 1_OK.indd 1
Strumenti per l’insegnante: test di verifica con registro virtuale,
materiali per LIM, programmazione e prove di verifica personalizzabili
15/12/10 12:21
•A_Romane_Iniziali_1@001-008#
13-12-2010
GERALD AUDESIRK
11:02
Pagina III
TERESA AUDESIRK
BRUCE E. BYERS
I VIVENTI E L’EVOLUZIONE
CORSO DI BIOLOGIA PER IL 1° BIENNIO DEI LICEI
VOLUME
1
Introduzione alla biologia
Biologia della cellula
13-12-2010
11:02
Pagina IV
Atlante del corso
CAPITOLO 16
Il comportamento animale
?
Che cosa sono i feromoni
e come agiscono?
I segnali acustici sono molto diffusi nel
regno animale; l’uso dei suoni presenta il
vantaggio di poter essere utilizzato al buio e
nell’acqua. Inoltre possono veicolare una
grande varietà di messaggi: per esempio, l’alterazione nello stato emotivo di un individuo
può essere segnalata da variazioni nella
modulazione dei suoni.
6. Segnali visivi passivi
Questa lucertola
sudamericana mostra i
colori brillanti del gozzo per
avvisare gli altri animali di
non avvicinarsi.
In Professione biologo un’intervista a chi
ogni giorno si occupa di argomenti di
frontiera della biologia di oggi.
7. La comunicazione
chimica Per indirizzare le
compagne verso una fonte
di cibo alcune termiti
costruiscono un tracciato di
feromoni.
SEZIONE B
Primati
Ordine dei mammiferi che
comprende le scimmie
antropomorfe (scimpanzé,
gorilla, oranghi ecc.), uomo
compreso.
Biologia della cellula
8. La comunicazione tattile
a) Una femmina di babbuino spulcia un cucciolo. Questa attività (detta grooming dagli
etologi) non ha solo la funzione di tenere pulito e in ordine il pelo dell’animale, ma
rafforza i legami sociali.
b) Due chiocciole del genere Helix impegnate in effusioni preliminari che culmineranno
nell’accoppiamento.
Guido Barbujani
Professore di Genetica al
Dipartimento di Biologia
dell’Università di
Ferrara. Svolge la sua
attività di ricerca
scientifica nel campo
della genetica di
popolazioni,
occupandosi in
particolare della
formazione del pool
genico europeo e delle differenze
genetiche tra i gruppi umani, argomenti
sui quali ha pubblicato numerosi lavori
scientifici. Si occupa di divulgazione
scientifica. Ha pubblicato anche tre
romanzi.
PROFESSIONE BIOLOGO
Il genetista evoluzionista
Come si svolge la sua giornata?
Da noi l’attività di ricerca si svolge in
due modi. In laboratorio, dove si lavora sui campioni biologici – per quanto
ci riguarda soprattutto campioni umani
– e si isola il DNA per poi studiarlo con
metodi biochimici. A ciò segue una fase
di analisi dei dati e di verifica statistica
delle ipotesi. Gli studenti che si laureano da noi imparano un po’ a lavorare
nel laboratorio molecolare e molto ad
analizzare i dati e a verificare ipotesi
attraverso simulazioni, cioè a ricostruire con l’aiuto del computer la possibile
storia evolutiva dei soggetti che studiano e a cercare così di comprenderne le
caratteristiche genetiche.
Poi c’è l’attività didattica, oggi supportata da materiale molto buono disponibile su Internet. E poi, purtroppo, c’è
un grande carico di lavoro burocratico.
58
SEZIONE D
Come molti esseri viventi
anche i microrganismi vivono,
molto spesso, aggregati tra di
loro a formare strutture
complesse in cui ognuno
svolge il suo ruolo. Questi
aggregati di cellule sono delle
vere e proprie comunità
microbiche a cui gli scienziati
hanno dato nomi diversi a
seconda delle loro
caratteristiche.Tra le più
comuni ci sono i biofilm e i
microbial mats.
QUICKT
FOCUS
(b)
Quello che ci interessa,
come evoluzionisti, è perché gli
organismi sono quel che sono e
come sono arrivati a esserlo.
A che cosa serve la genetica
evoluzionistica?
Studiare l’evoluzione serve prima di tutto
a capire l’evoluzione, una disciplina così
bella che merita di essere studiata per se
stessa. Grazie allo studio dell’evoluzione
stiamo capendo da dove veniamo (noi
uomini: dall’Africa) e chi erano i nostri
antenati recenti. E stiamo arrivando a
scoprire anche i nostri antenati più lontani, quelli che l’uomo ha in comune con
gli scimpanzé, o con tutti i mammiferi, o
addirittura con tutti gli esseri viventi.
Al di là di questo, molte applicazioni in
campo medico e farmacologico dipendono da scoperte fatte da biologi evoluzionisti. Per esempio, il modo in cui ogni
anno cambia il virus dell’influenza è un
bellissimo esempio di evoluzione, che
possiamo comprendere e, in qualche
misura, contrastare sviluppando nuovi
vaccini, grazie ai metodi e alle intuizioni
di Charles Darwin, che pure non conosceva i virus né li poteva conoscere. Nel
Le schede Collegamenti evoluzionistici
propongono argomenti di attualità
nell’ottica del quadro evolutivo dei viventi.
In sintesi riassume per paragrafi i contenuti
di ogni capitolo, sottolineandone gli aspetti
concettuali più importanti.
Tavole doppie a carattere infografico illustrano eventi o processi
approfondendo alcuni temi curriculari.
SEZIONE D
Per ciclo vitale si intende la sequenza degli eventi che si
Lo stame è l’organo riproduttore
maschile: esso consiste di un filamento in
cima la quale si trova un contenitore
chiamato antera: all’interno di ogni
no contenute le cellule diploidi
antera sono
ndosi per meiosi d
annno origine
che dividendosi
danno
alle spore maschili aploidi..
CAPITOLO 12
Le angiosperme sono le piante vascolari più diffuse. Contano oltre 250 000 specie, adattate alla vita
negli ambienti più disparati, dai più caldi e aridi fino ai terreni saturi d’acqua delle latitudini più
settentrionali.
Il fiore è la struttura riproduttiva che ha pa l’embrione; successivamente il fiore si trasforma in frutto,
che contiene i semi. Il fiore, inoltre, facilita l’impollinazione, affidata alla dispersione attraverso l’aria, ma
anche per mezzo di animali, in particolar modo gli insetti.
polline
stigma
stilo
ovario
seme in
germinazione
Il pistillo è l’organo riproduttore
femminile; esso
es consiste di tre
parti: l’ovario,
l’ovari sormontato dallo
stilo, un tubicino
tub
sottile che in
alto si allarga a formare una
superficie appiccicosa,
ap
lo stigma.
Nelle angios
angiosperme,
l’impollinazio
l’impollinazione consiste nel
trasferiment
trasferimento di polline da
un’antera all
allo stigma.
meiosi
polline
(gametofito
maschile)
mitosi
frutto
IVA
AV
Alternanza
di generazioni
I granuli di polline
vengono prodotti
dalle spore per
mitosi. Ciascun
granulo di polline è
un microscopico
gametofito
maschile.
spora
mitosi
gametofito
femminile
stigma
tubetto pollinico
zigote
cellula uovo
fecondazione:
produzione
dello sporofito
meiosi:
produzione
di spore
gamete femminile
(cellula uovo)
mitosi
gametofito
(fase aploide)
fecondazione
L’ovulo fecondato si trasforma in seme,
all’interno del quale si sviluppa l’embrione; le
paretii d
dell’ovario
nell frutto.
ll’
i sii trasformano
f
f
A maturità, il frutto si stacca dalla pianta
madre e disperde i semi in esso contenuti. In
condizioni favorevoli i semi germoglieranno e
l’embrione si svilupperà in una nuova pianta.
I chitridiomiceti sono funghi acquatici che producono spore
dotate di flagello. Sono probabilmente i funghi più antichi dai
quali si sono evoluti gli altri phyla.
Cellule aploidi cellule in cui il corredo
cromosomico (numero dei cromosomi) è
ridotto alla metà
Cellule diploidi cellule in cui il corredo
cromosomico è intero
Corredo cromosomico numero dei
cromosomi di cui ciascuna cellula di un
organismo è dotata
Gameti cellule aploidi la cui fusione produce
uno zigote diploide
Gametofito fase aploide del ciclo vitale della
pianta che viene coinvolta nei processi
riproduttivi dando origine ai gameti
Meiosi modalità di divisione delle cellule che
danno origine ai gameti maschile e femminile,
ciascuno dei quali è dotato di un corredo
comosomico (numero dei cromosomi)
dimezzato
Mitosi modalità di divisione delle cellule che
danno origine a due cellule identiche alla cellula
madre
Spore cellule aploidi dotate di un rivestimento
che le rende capaci di sopravvivere anche in
condizioni ambientali difficili
Sporofito fase diploide del ciclo vitale della
pianta che produce le spore
Zigote sinonimo di cellula uovo fecondata dalla
cellula spermatica: è il prodotto della fusione di
due gameti, maschile e femminile
➤ Gli zigomiceti sono
caratterizzati dalla presenza
di sporangi di colore nero
nei quali sono prodotte le
spore.
➤ Gli ascomiceti
comprendono molte specie
che si sviluppano sui detriti
vegetali e sui tronchi degli
alberi, oltre alle muffe che
crescono sui cibi in
decomposizione. A questo gruppo appartengono anche i
lieviti, che sono funghi unicelullari.
Dalla cellula uovo immatura si
originano per meiosi le spore:
origin
divide
dividendosi per mitosi esse danno poi
origin
origine al gametofito femminile.
Quan
Quando matura, il gametofito
femminile prende il nome di sacco
femm
embrionale. All’interno del sacco ci
emb
sono di solito otto cellule, una delle
quali è la cellula uovo.
Quando un granulo di polline si posa sullo stigma, produce un tubetto
pollinico che si prolunga nello stilo e penetra nell’ovario, entrando in un
ovulo. In tal modo un nucleo spermatico feconda la cellula uovo e si
ottiene lo zigote diploide che diventerà poi un embrione.
➤ I basidiomiceti comprendono i
funghi a cappello e le vesce. A
differenza degli altri funghi si
riproducono più frequentemente per
via sessuata.
➤ Nel phylum dei deuteromiceti sono riuniti i funghi nei
quali non è mai stata osservata una riproduzione sessuata.
Comprendono forme molto diverse tra loro tra le quali
alcune hanno notevole importanza per l’uomo, come i funghi
del genere Penicillium.
Le Verifiche di fine capitolo
sono articolate per
paragrafo e per tipologie.
3. I funghi e gli
altri organismi
I licheni sono
associazioni simbiotiche
tra funghi e alghe
unicelllulari o
cianobatteri. Insieme
questi organismi
formano un’unità vivente
autosufficiente e molto resistente, tanto da poter colonizzare
ambienti del tutto privi di altre forme di vita.
➤ Le micorrize sono il prodotto della simbiosi tra funghi e
piante. I funghi si sviluppano all’interno delle radici della
pianta, alla quale cedono acqua e minerali che essi assorbono
dal terreno, e ricevono in cambio i prodotti della fotosintesi.
➤ I funghi svolgono un ruolo molto importante negli
ecosistemi quali organismi decompositori. Grazie alla
digestione extracellulare i funghi liberano nel terreno
nutrienti come il carbonio, l’azoto, i composti del fosforo e
altri minerali che possono essere assunti dalle piante.
➤ Molti funghi hanno grande importanza per la vita
dell’uomo. Alcuni sono dannosi perché sono causa di
malattie delle piante che distruggono interi raccolti o perché
determinano
malattie nell’uomo.
Altri sono molto
utili, come i funghi da
cui si ricavano
antibiotici o i lieviti
utilizzati per la
produzione di molti
alimenti.
244
SEZIONE D
TTES INT
ATTIVI
ER
gamete maschile
(cellula spermatica)
A base del pistillo,
Alla
l’ovario è la camera
l’o
che racchiude
ch
co
completamente le
ce
cellule uovo immature.
meiosi
spora
➤ La riproduzione è generalmente asessuata. I funghi
possono riprodursi anche sessualmente soprattutto in
condizioni di stress ambientale.
2. La classificazione dei funghi
Glossario
pistillo
cellule diploidi
maschili
seme
I funghi sono formati
da strutture
filamentose dette ife,
che nel loro insieme
prendono il nome di
micelio. Nei funghi i
nuclei sono
generalmente aploidi e si formano strutture diploidi in
alcune fasi della riproduzione sessuata.
➤ I funghi sono eterotrofi. Alcuni funghi sono parassiti, altri
sono saprofiti, cioè si nutrono di resti di organismi morti.
Il ciclo vitale delle piante con fiori o angiosperme
filamento
pianta adulta
(fase di sporofito)
sporofito adulto
(fase diploide)
SCIENZ
stame
il ciliegio è una pianta angiosperma
195
1. Osserva e rispondi
Gli organismi riprodotti nelle fotografie sono i rappresentanti delle principali suddivisioni del regno vegetale:
briofite, pteridofite, gimnosperme, angiosperme.
............................................................................
QUICKT
T
ES
O
video
flashcard
test interattivi
di paragrafo
TTES INT
ATTIVI
ER
IVA
AV
VIDE
animazioni e attività
interattive
T
SCIENZ
............................................................................
test interattivi
di fine capitolo
una ....................................................................... adesiva
formata da ......................................... e proteine.
14. Le forme coloniali di questi batteri formano sottili
pellicole che aderiscono alle superfici dette
.......................................................................
2. Qual è l’ordine di grandezza di una comune
cellula procariote?
a. da 0,2 a 10 millesimi di millimetro;
b. da 0,2 a 10 milionesimi di millimetro;
c. da 2 a 10 miliardesimi di millimetro.
15. In condizioni ambientali sfavorevoli molti batteri
3. Il dominio Bacteria comprende:
a. tutti gli organismi procarioti;
b. tutti gli organismi unicellulari;
c. alcuni organismi procarioti.
16. I procarioti generalmente si dividono con un
4. Il dominio Archaea comprende:
a. batteri e archibatteri;
b. tutti gli archibatteri;
c. alcuni archibatteri.
5. La presenza di peptidoglicano nella parete
cellulare consente di attribuire con certezza
una cellula procariote a:
a. il dominio Bacteria;
b. il dominio Archaea;
c. a nessun gruppo sistematico: occorrono altre
caratteristiche.
hanno la capacità di formare
....................................................................... che contengono
materiale genetico e
.......................................................................
processo detto ............................................................
17. Nel processo di ............................................................ si ha il
trasferimento di materiale genetico da una cellula
donatrice a una cellula
.......................................................................................... Il materiale
genetico è costituito da una piccola molecola
circolare di DNA, detta
..........................................................................................
18. I ............................................. sessuali sono strutture
specializzate con cui la cellula donatrice avvicina a
sé la cellula ricevente per facilitare il processo di
.............................................
Completa lo schema
19. Riconosci le diverse parti della struttura di
locomozione di un procariote e scrivi il loro nome.
............................................................................
............................................................................
Prova ad assegnare ciascuna fotografia al corretto gruppo sistematico.
Associa i numeri che contrassegnano
i termini con le lettere che contrassegnano le
definizioni
7. cocchi
8. bacilli
9. streptococchi
10. stafilococchi
11. spirilli
12. vibrioni
168
Poi, usando dei pastelli colorati, traccia delle linee chiuse che raggruppino le fotografie in modo da evidenziare i
seguenti insiemi:
- colore blu: piante che possiedono semi
- colore rosso: piante che possiedono tessuti conduttori
- colore verde: piante che compiono la fotosintesi clorofilliana
- colore marrone: piante che producono spore aploidi trasportate dal vento
- colore viola: piante che possiedono fiori
- colore giallo: piante che producono polline
- colore grigio: piante in cui il gametofito predomina sullo sporofito
antera, ovario,
petalo, sepalo,
stimma, filamento,
peduncolo, pistillo,
stame, stilo
3. Rifletti e rispondi
Una particolare briofita, lo sfagno, è responsabile della formazione di un habitat caratteristico dei terreni umidi
nei climi temperati: la torbiera. La torba è un deposito formato da resti vegetali parzialmente decomposti, che si
accumula in condizioni di assenza di ossigeno in terreni saturi d’acqua. Essa rappresenta il primo stadio della
formazione del carbone. È utilizzata come combustibile, come concime, ed anche per altri usi: si deve al fumo di
torba, ad esempio, l’inconfondibile aroma “affumicato” del whisky scozzese!
Gli sfagni attecchiscono sul terreno umido, e mentre l’apice
continua a crescere la porzione basale muore e si trasforma in
torba. Questo processo dura millenni: in condizioni di clima mite
e umido ogni anno si forma uno strato spesso 1 mm.
Rispondi ora alle seguenti domande:
a) quello qui fotografato è il gametofito o lo sporofito dello
sfagno?
b) di che colore sono i fiori dello sfagno?
c) con quale organo lo sfagno assorbe l’acqua dal terreno?
d) in quanto tempo si forma uno strato di torba spesso mezzo
metro?
207
IV
1. Secondo le ricerche piú recenti i procarioti sono
classificati:
a. in un solo regno;
b. in due regni diversi;
c. in due diversi domini.
Completa i seguenti enunciati con
i termini mancanti
13. La parete cellulare di alcuni batteri è rivestita da
2. Le caratteristiche dei procarioti:
la forma, le strutture cellulari e la
riproduzione
2. Completa la figura
Inserisci correttamente nella figura
i nomi elencati in ordine alfebetico
qui sotto.
Su www.libropiuweb.it
Sottolinea la risposta esatta o l’esatto
completamento di ogni frase
CAPITOLO 12
Gli eucarioti: le piante
La rubrica I punti caldi propone
esercizi di elaborazione delle nozioni
apprese ampiamente illustrati.
La biodiversità
1. I domini dei procarioti
6. La classificazione dei batteri e quella degli
archibatteri attualmente tiene conto di:
a. forma della cellula, modalità di locomozione,
esigenze nutritive;
b. modalità di riproduzione;
c. storia evolutiva di ciascun gruppo.
I punti caldi
194
FLIP*I
3 Microbial mats ricoprono il terreno arido del deserto dell’Arabia Saudita.
La biodiversità
FLIP*I
➤ La cellula dei funghi ha una parete caratterizzata dalla
presenza di chitina, un polisaccaride presente anche in alcuni
animali come gli insetti e i crostacei.
antera
verificano nella vita di un organismo a partire dallo stadio di
zigote (cioè la sua prima cellula, derivata dalla fusione dei gameti)
fino alla riproduzione e quindi alla generazione successiva. Il ciclo
vitale delle piante è caratterizzato da un’alternanza di
generazioni, o per meglio dire di fasi: una fase diploide e una
fase aploide. Che cosa vuol dire? Vuol dire che la pianta adulta (per
esempio il bel ciliegio della foto a destra in basso) formata da
cellule diploidi (fase diploide), e chiamata sporofito,
produce per meiosi le spore, cioè cellule aploidi dotate di
corredo cromosomico dimezzato.
Le spore aploidi prodotte dallo sporofito vengono disperse e, su
terreno adatto, germinano, cioè si riproducono dando vita al
gametofito.
Il gametofito è quindi la fase aploide del ciclo vitale della pianta.
Il gametofito produce i gameti, che si formano all’interno di
strutture riproduttive (quelli che per gli animali sarebbero gli
organi riproduttori) maschili e femminili. La fusione di un gamete
femminile (la cellula uovo) e di un gamete maschile (la
cellula spermatica) costituisce la fecondazione e dà vita a un
nuovo sporofito (di nuovo, fase diploide), che crescendo darà vita,
nel nostro caso, a un altro esemplare di ciliegio, chiudendo così il
ciclo.
Lo sporofito e il gametofito hanno importanza diversa nel ciclo
vitale a seconda del tipo di piante. Nelle piante non vascolari,
come i muschi, il gametofito è la generazione dominante, cioè
quella in cui la pianta ha le dimensioni maggiori. Nelle piante
vascolari, come felci, le conifere e le piante a fiori o angiosperme,
la forma dominante è lo sporofito.
2 Gli stromatoliti di Shark Bay, in Australia, considerati tra le più antiche
bioformazioni del pianeta.
In Sintesi
Gli eucarioti: le piante
IL CICLO DELLE PIANTE
I microbial mats
Anche i microbial mats sono
delle comunità microbiche, ma,
a differenza dei biofilm,
contengono soprattutto
procarioti fotosinetici dalla cui
attività dipendono tutti gli altri
microrganismi presenti nella
comunità. Il nome, che significa
letteralmente “tappeto di
microbi” rende l’idea della
grandezza di queste strutture
che generalmente appaiono
come strati orizzontali di
batteri piuttosto estesi, oppure
come tozzi pilastri rocciosi,
costituiti, in realtà, da sedimenti
depositati dagli stessi batteri.
Un esempio classico di questo
secondo tipo di strutture sono
le stromatoliti: si tratta di
microbial mats costituiti in
buona parte da cianobatteri
(figure 2 e 3). Alcune di queste
strutture sono considerate la
testimonianza dei primi
organismi comparsi sulla Terra:
la più antica risale a circa 3,5
miliardi di anni fa.
I Un biofilm cresce anche su strutture come il travertino, una roccia calcarea
di origine sedimentaria.
T
La biodiversità
importanti: sono alla base della
dieta di molti animali più
grandi, come le larve degli
insetti che, a loro volta sono
mangiate dai pesci; i biofilm
che si trovano in suoli
contaminati contribuiscono alla
degradazione delle sostanze
inquinanti; associati alle radici,
aiutano le piante ad assorbire i
nutrienti dal suolo; associati alle
mucose degli animali, come le
vie respiratorie, aiutano a
proteggersi dalle infezioni.
Tuttavia i biofilm possono
causare non pochi problemi
all’uomo: proliferano su
strutture industriali, soprattutto
condutture e scarichi che si
trovano in ambienti acquosi,
diminuendone l’efficienza; si
formano all’interno del corpo
dove causano infezioni spesso
resistenti ai farmaci.
162
1. Le principali
caratteristiche
dei funghi
SEZIONE D
I biofilm
La placca che si forma sui
denti è un esempio di biofilm,
così come lo è il “tappo” che si
forma nei tubi o negli scarichi
dei lavandini o, ancora, la patina
verde e scivolosa che ricopre
le rocce bagnate dall’acqua di
un torrente.
I biofilm si formano in ambienti
umidi, quando le cellule
batteriche aderiscono alle
superfici grazie alla produzione
di particolari sostanze viscide e
appiccicose di natura
polisaccaridica. Non importa la
natura della superficie: plastica,
metallo, smalti, materiali di
natura organica; basta che ci
siano l’umidità e i nutrienti
necessari per far proliferare le
cellule. Biofilm sono stati
trovati sul fondo degli oceani e
nei deserti, in ambienti molto
caldi, come i geyser, e in
ambienti freddissimi come i
ghiacci perenni dell’Antartide.
Possono essere formati da un
solo tipo di batteri o, come più
spesso accade negli ambienti
naturali, da un miscuglio di
batteri di specie diverse, funghi,
alghe, lieviti e protozoi
mescolati a particelle e detriti.
Nella placca dentale, ad
esempio, sono state identificate
più di 500 specie di batteri!
In natura i biofilm svolgono
ruoli ecologici molto
281
Ci parli di una ricerca che ha svolto
di recente.
Da alcuni anni siamo impegnati nello
studio del DNA antico. Nel 2004 abbiamo pubblicato la prima descrizione del
DNA degli Etruschi e nel 2006 un’analisi nella quale sono stati messi a confronto con le popolazioni moderne. Gli
Etruschi erano una popolazione europea, proprio come noi, ed erano geneticamente simili a noi. Questo però non
basta; se fossero gli antenati diretti, per
esempio, dei toscani, tanti aspetti del
loro DNA dovrebbero essere identici a
quelli delle attuali popolazioni toscane.
Abbiamo scoperto che non è così. Ma
allora, che fine hanno fatto gli Etruschi?
Una possibile spiegazione è legata al
fatto che le tombe da cui sono stati
prelevati i campioni studiati sono tutte
riccamente decorate. Questo era l’unico modo per identificarle con certezza
come tombe etrusche, contenenti resti
etruschi. Ciò significa, però, che il
campione studiato non è casuale, ma
coincide con gli Etruschi ricchi, che
potevano permettersi tombe di questo
tipo. Ora, è possibile che gli Etruschi
La biodiversità
SCHEDA COLLEGAMENTI EVOLUZIONISTICI
Le comunità microbiche: i biofilm e i microbial mats
lavoro scientifico il materiale prodotto
all’interno di una disciplina viene spesso
riutilizzato, magari con finalità completamente diverse, in un’altra.
❛❛
Per caso. Al momento di scegliere l’università un amico – ora docente di biologia molecolare – mi fece un ragionamento convincente. “Se ci iscriviamo a una
facoltà umanistica il mondo della scienza ci rimarrà sconosciuto, se scegliamo
una disciplina scientifica potremo continuare a leggere narrativa.” Sono stato
fortunato: è andata proprio così e ho trovato un mestiere che mi piace molto.
La rubrica Focus propone domande brevi
di verifica del testo.
• Qual è il ruolo della comunicazione negli
animali?
• Con quali modalità gli animali comunicano tra
loro?
• Quali sono le due principali categorie di feromoni?
(a)
❛❛
Come è diventato biologo?
Il glossario interno definisce termini nuovi
o importanti per la comprensisone.
T
La genetica studia come, con il DNA, le nostre caratteristiche biologiche si
trasmettono attraverso le generazioni. La teoria dell’evoluzione cerca di
capire come organismi diversi siano derivati, nel corso del tempo, da antenati comuni. Queste due discipline, sviluppatesi indipendentemente a partire dal XIX secolo, si sono riunite in un’unica disciplina che si può chiamare genetica evoluzionistica.
I feromoni
Nella comunicazione di tipo chimico un
individuo produce particolari sostanze in grado di influenzare il comportamento di altri individui, appartenenti alla stessa specie. Questi messaggeri chimici, detti feromoni, sono
in grado di agire su lunghe distanze e, a differenza del suono, richiedono un bassissimo
consumo di energia. Inoltre, i feromoni non
vengono rilevati da altre specie, predatori
compresi (figura 7).
Si distinguono due categorie di feromoni:
evocanti e innescanti. I feromoni evocanti
stimolano un’immediata e manifesta risposta
comportamentale, trasmettendo messaggi
del tipo “questo posto è mio”. Le formiche
che avanzano in fila indiana verso il cibo
seguono una pista marcata con un feromone
liberato da qualche loro compagna che intendeva segnalare la posizione del cibo.
I feromoni innescanti alterano invece la
fisiologia dell’animale ricevente, penetrando
nel suo corpo per via olfattiva o addirittura
attraverso il tratto digerente. Quasi tutti i
feromoni di questo tipo influenzano lo stato
riproduttivo del ricevente. Essi, per esempio,
sono essenziali per il mantenimento di
società complesse come quelle delle termiti,
delle formiche e delle api. In una popolazione
di api mellifere, la regina produce un feromone innescante, la “sostanza della regina”, che
inibisce lo sviluppo ovarico delle api operaie,
perciò non permette loro di raggiungere la
maturità sessuale.
Molti feromoni sono stati riprodotti per
sintesi in laboratorio e vengono utilizzati in
agricoltura per controllare la riproduzione di
insetti nocivi.
I segnali tattili, che implicano il contatto
fisico, sono sfruttati in vari modi, in particolare per costituire e mantenere i legami sociali tra
i membri di un gruppo. Tra i primati, le attività
gestuali, come spidocchiamento, baci, sfregamenti col naso, carezze, rivestono un’importante funzione sociale (figura 8).
ES
La genetica evoluzionistica
Le domande nel colonnino verificano subito
l’apprendimento.
Verifiche di fine capitolo
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a. colonie formate da grappoli
b. batteri con forma a spirale
c. batteri con forma a bastoncino
d. colonie formate da lunghe
catene
e. batteri con forma a virgola
f. batteri di forma sferica
................
................
......................
................
.......................
................
................
................
................
................
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Sommario
SEZIONE
Introduzione
alla biologia
A
PROFESSIONE BIOLOGO: Il genetista
Capitolo 1
La vita sulla Terra: un’introduzione evolutiva
1. Quali sono le caratteristiche degli esseri viventi?
2. In che modo vengono classificati gli organismi
viventi?
3. La teoria dell’evoluzione unifica la biologia
LE GERARCHIE DELLA VITA
2
4
4
7
8
In sintesi
Verifiche di fine capitolo
I punti caldi
28
29
30
Capitolo 3
Elementi di chimica
31
1. La struttura della materia: atomi, molecole,
composti
2. Le particelle dell’atomo: elettroni, protoni
e neutroni
3. I livelli energetici degli elettroni
4. Il legame chimico: l’unione di atomi per formare
molecole
5. Che cos’è una reazione chimica?
6. L’acqua scioglie molte sostanze formando soluzioni
7. Il pH di una soluzione: acidi e basi
8. Perché il carbonio è così importante
per le molecole biologiche?
31
32
33
34
37
37
38
39
10
Collegamenti evoluzionistici
Sul fondo degli oceani l’origine della vita?
Collegamenti evoluzionistici
C’è vita su Marte? Dove si incontrano astronomia
e biologia
13
In sintesi
Verifiche di fine capitolo
14
15
Capitolo 2
Le tappe fondamentali della biologia moderna
17
In sintesi
Verifiche di fine capitolo
40
41
Capitolo 4
L’acqua, le biomolecole e la prima cellula
43
1. L’acqua per la vita
2. Le biomolecole
3. L’ipotesi dell’origine
43
45
46
Collegamenti evoluzionistici
La corsa del basilisco
49
LA FORMAZIONE DELLA PRIMA CELLULA
50
Collegamenti evoluzionistici
Le bioplastiche
52
In sintesi
Verifiche di fine capitolo
I punti caldi
53
54
56
12
1. Uno sguardo nuovo sul mondo: l’invenzione del
microscopio
2. La classificazione della vita
3. L’evoluzione biologica
4. La genetica e lo sviluppo della biologia molecolare
5. Oltre Darwin
17
20
21
22
26
Collegamenti evoluzionistici
Che cosa fanno i biologi e come spiegano
il loro lavoro?
27
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Sommario
Biologia
della cellula
SEZIONE
B
PROFESSIONE BIOLOGO: Il genetista evoluzionista 58
Capitolo 5
La cellula al centro della vita
1. Le caratteristiche generali della cellula
2. La membrana plasmatica separa la cellula
dall’ambiente
Collegamenti evoluzionistici
Come si studiano le cellule in laboratorio
60
60
63
VI
75
76
78
Capitolo 6
Dentro la cellula eucariote
79
1. Cellule procariote e cellule eucariote
2. Il nucleo è il centro di controllo della cellula
3. Le cellule eucariote contengono un sistema
complesso di membrane
4. I vacuoli svolgono molte funzioni, tra cui
la regolazione del contenuto di acqua
5. I mitocondri estraggono l’energia dalle molecole
di nutrienti. I cloroplasti catturano l’energia solare
6. Il citoscheletro contribuisce alla forma, al sostegno
e al movimento della cellula
79
83
84
87
88
91
L’ORGANIZZAZIONE DELLA CELLULA BATTERICA 94
64
3. I meccanismi di trasporto attraverso la membrana
plasmatica
67
4. La superficie delle cellule è dotata di strutture
specializzate
72
Collegamenti evoluzionistici
La tossicologia cellulare
In sintesi
Verifiche di fine capitolo
I punti caldi
74
Collegamenti evoluzionistici
Apoptosi, la morte cellulare programmata
In sintesi
Verifiche di fine capitolo
I punti caldi
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Sommario dei contenuti online
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per la classe virtuale
QUICKT
T
ES
video
test interattivi
di paragrafo
FLIP*I
flashcard
TTES INT
ATTIVI
ER
VIDE
O
IVA
AV
animazioni e attività
interattive
T
SCIENZ
per esercitarsi
test interattivi
di fine capitolo
SEZIONE A Introduzione alla biologia
Sezione B Biologia della cellula
Capitolo 1 La vita sulla Terra: un’introduzione evolutiva
Capitolo 5 La cellula al centro della vita
SCIENZ
SCIENZ
FLIP*I
IVA
AV
IVA
AV
La scala logaritmica dei viventi Paragrafo 1
Forma e funzione delle cellule Paragrafo 1
Sintesi Flip*IT
Il rapporto superficie/volume Paragrafo 1
SCIENZ
Verifiche TEST INTERATTIVI
IVA
AV
ATTIVI
ER
TTES INT
IVA
AV
T
SCIENZ
La struttura della membrana plasmatica Paragrafo 2
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
Capitolo 2 Le tappe fondamentali della biologia moderna
Attraversare la membrana plasmatica Paragrafo 3
SCIENZ
Le cellule e l’osmosi Paragrafo 3
SCIENZ
Sintesi Flip*IT
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
L’esperimento di Redi Paragrafo 1
SCIENZ
Il trasporto attivo Paragrafo 3
T
FLIP*I
IVA
AV
Verifiche TEST INTERATTIVI
Endocitosi ed esocitosi Paragrafo 3
FLIP*I
T
ATTIVI
ER
TTES INT
Sintesi Flip*IT
Capitolo 3 Elementi di chimica
ATTIVI
ER
TTES INT
Verifiche TEST INTERATTIVI
SCIENZ
IVA
AV
La tavola periodica degli elementi Paragrafo 1
Capitolo 6 Dentro la cellula eucariote
SCIENZ
SCIENZ
Il sale da cucina in acqua Paragrafo 4
SCIENZ
Interazioni chimiche e temperatura Paragrafo 5
SCIENZ
La molecola d’acqua: il legame idrogeno Paragrafo 6
SCIENZ
Misurare il pH Paragrafo 7
SCIENZ
La formazione di catene carboniose Paragrafo 8
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
I legami chimici Paragrafo 4
La struttura della cellula eucariote Paragrafo 1
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
Cellula animale e cellula vegetale Paragrafo 1
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
Il funzionamento dell’apparato di Golgi Paragrafo 3
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
La teoria dell’endosimbiosi Paragrafo 5
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
I luoghi della respirazione cellulare Paragrafo 5
SCIENZ
IVA
AV
IVA
AV
I luoghi della fotosintesi Paragrafo 5
T
FLIP*I
FLIP*I
T
Sintesi Flip*IT
Sintesi Flip*IT
Verifiche TEST INTERATTIVI
TTES INT
ATTIVI
ER
ATTIVI
ER
TTES INT
Verifiche TEST INTERATTIVI
Capitolo 4 L’acqua, le biomolecole e la prima cellula
SCIENZ
IVA
AV
Le reazioni di condensazione Paragrafo 2
SCIENZ
IVA
AV
Le reazioni di idrolisi Paragrafo 2
SCIENZ
IVA
AV
L’esperimento di Miller e Urey Paragrafo 3
SCIENZ
IVA
AV
La formazione della prima cellula Paragrafo 3
T
FLIP*I
Sintesi Flip*IT
ATTIVI
ER
TTES INT
Verifiche TEST INTERATTIVI
VII
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C A P I TO L O
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2
Le tappe
fondamentali della
biologia moderna
“
La biologia studia la struttura e il funzionamento
della materia vivente e le sue relazioni con l’ambiente
fisico di cui è parte: la biologia moderna inizia con
l’invenzione del microscopio e trova sistemazione
disciplinare con la teoria darwininana dell’evoluzione
”
1. Uno sguardo nuovo sul
mondo: l’invenzione del
microscopio
SCIENZ
IVA
AV
?
Che cosa si intende per
potere di risoluzione di un
microscopio?
Figura 1. L’avvento del
microscopio. Così
Leeuwenhoek disegno ciò
che aveva visto al suo
primitivo microscopio: una
sezione di legno di frassino
di un anno di età.
Molto spesso, nella storia delle discipline
scientifiche, lo sviluppo di nuove idee va di
pari passo con il progredire delle tecniche
di osservazione: è accaduto in astronomia,
dove l’invenzione del telescopio ha permesso
l’affermazione del modello copernicano del
Sistema Solare, ma anche in biologia e medicina, la cui evoluzione in discipline moderne
è stata fortemente favorita dall’invenzione
del microscopio.
I primi microscopi furono costruiti alla fine del 1500 dai due fratelli olandesi Janssen,
fabbricanti di lenti ottiche, ma anche Galileo
Galilei si era dedicato alla loro costruzione. In
uno scritto pubblicato nel 1623, lo scienziato
pisano accennava a un “telescopio accommodato per vedere gli oggetti vicinissimi”.
Tuttavia il vero fondatore della microscopia è considerato il commerciante di stoffe
olandese Anton van Leeuwenhoek (16321723), il quale costruì circa 550 microscopi
costituiti di una sola, piccolissima lente biconvessa che però raggiungeva un potere di
risoluzione superiore a 270 diametri (figura
1). Il potere di risoluzione (PdR) di un sistema ottico consiste nella capacità di distinguere due punti dell’oggetto che stiamo osservando come distinti fra di loro. Va tenuto
presente che l’occhio umano non riesce a distinguere due punti separati da meno di 0,1
mm (PdR = 0,1 mm).
Impiegando il microscopio ottico il potere
risolutivo sale a 0,2 mm ed usando il microscopio elettronico si arriva a 0,2 nm (nanometri), vale a dire 0,2 milionesimi di mm.
Nonostante per Leeuwenhoek fosse soltanto un passatempo, egli si dedicò con passione all’osservazione microscopica produ-
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SEZIONE A
Figura 2. L’indagine
anatomica. Una tavola da
De umani corporis fabrica di
Andrea Vesalio.
Introduzione alla biologia
cendo disegni dettagliati di globuli rossi, capillari, spermatozoi e di molte altre strutture
biologiche. Fu lui che, per la prima volta, esaminando dell’acqua stagnate, osservò i protozoi, animaletti che fino ad allora erano del
tutto sconosciuti, dal momento che sono invisibili a occhio nudo. Da alcune descrizioni
Figura 3. L’inizio della fisiologia moderna. William Harvey dimostrò
correttamente il percorso del sangue attraverso i vasi sanguigni.
18
si ritiene che il naturalista olandese arrivò
persino a vedere dei batteri, gettando così
inconsapevolmente le basi per la nascita di
una nuova disciplina: la microbiologia.
Le tavole anatomiche
e la scoperta della circolazione
sanguigna
Il microscopio diede un grande contributo
anche allo sviluppo delle medicina moderna.
Per secoli la medicina si era basata su convinzioni e dogmi piuttosto che sull’osservazione diretta di organi e apparati.
Nel 1543 Andrea Vesalio, uno scienziato
belga, pubblicò un libro destinato a divenire
una pietra miliare della medicina: il De Humani Corporis Fabrica (“Della struttura
del corpo umano”) che conteneva la più dettagliata descrizione anatomica del corpo
umano che si fosse mai vista, corredata di disegni anatomici particolarmente accurati (figura 2). Vesalio, infatti, aveva ripristinato l’usanza di sezionare cadaveri su cui basò le
proprie osservazioni. In seguito, molti altri
scienziati si dedicarono all’osservazione e alla descrizione del corpo umano e allo studio
del suo funzionamento.
Nel 1628, dopo aver passato molti anni in
Italia a studiare anatomia all’università di Padova, il medico inglese William Harvey pubblicò un libretto in cui descriveva correttamente il meccanismo della circolazione sanguigna umana (figura 3). Fino ad allora, infatti, si riteneva che il sangue fosse prodotto dal
fegato e consumato nelle varie parti del corpo
e che si muovesse sempre negli stessi vasi,
mediante una sorta di flusso e riflusso. Nella
sua opera Harvey documentò accuratamente
ogni affermazione e arrivò a calcolare che in
un’ora il cuore pompa una quantità di sangue
pari a tre volte il peso di un uomo. Si trattava
del primo esempio di una fisiologia moderna, supportata da osservazioni dirette e calcoli matematici, piuttosto che da dogmi derivanti dal passato. La nuova teoria di Harvey
suscitò non poche polemiche all’epoca, in
quanto mancava la prova definitiva che quello circolatorio dell’uomo fosse effettivamente
un sistema “chiuso”. A confermare le idee del
medico inglese arrivarono le osservazioni di
uno scienziato italiano, Marcello Malpighi
(1628 – 1694). Grazie a un intenso utilizzo del
microscopio (figura 4), Malpighi scoprì l’esistenza dei capillari polmonari descrivendone
accuratamente le connessioni con vene e ar-
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Le tappe fondamentali della biologia moderna
Figura 4. Lo studio dei
tessuti. Tessuto polmonare
e trachea di una rana in un
disegno di Marcello Malpighi
da una osservazione al
microscopio.
?
In quale sostanza Hooke
osservo per la prima volta
le cellule?
terie e dimostrando così la validità della teoria di Harvey. Malpighi lavorò anche sugli apparati escretori di molti animali; al suo nome
sono legati quelli degli insetti (tubuli del Malpighi) e i corpuscoli renali degli esseri umani
(detti appunto corpuscoli renali di Malpighi).
I primi passi della teoria cellulare
CAPITOLO 2
tavola più importante era quella relativa a
una sottile fetta di sughero. Hooke notò che
era costituita da “moltissime piccole camere”
simili alle stanzette a cella (da cui cellula) occupate dai monaci dei monasteri. Egli osservò anche che tali cellule erano “piene di
succhi”. Tuttavia con gli strumenti ottici che
aveva a disposizione non era in grado di fare
osservazioni più approfondite per spiegare
cosa fossero e come erano fatte le cellule.
Nei decenni successivi iniziò a farsi strada
tra i biologi l’ipotesi che le cellule potessero essere universalmente presenti nei tessuti viventi. Questa convinzione si consolidò nel 1838
quando il botanico tedesco Mathias J. Schleiden (1804 – 1881) affermò che tutte le piante
erano composte da cellule e che le cellule
erano l’unità fondamentale della vita.
L’anno successivo, il fisiologo tedesco
Theodor Schwann (1810 – 1882) ampliò
questo concetto osservando che tutti gli animali, oltre alle piante, erano costituiti da cellule. Inoltre, Schwann osservò che tutte le
cellule sono circondate da una membrana e
che i diversi tessuti sono costituiti da tipi
Figura 6. La microscopia diventa una scienza.
Frontespizio di Micrographia, l’opera di Robert Hook che
introdusse l’idea di cellula.
Anche lo scienziato inglese Robert Hooke
era affascinato dallo straordinario potere del
microscopio. Nel 1665 pubblicò un volume
intitolato Micrographia (figura 5) in cui si
trovano alcuni dei più bei disegni di osservazioni al microscopio mai eseguiti (figura 6). La
Figura 5. La scoperta
della cellula. Disegni tratti
dalle osservazioni al
microscopio di Robert
Hook.
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SEZIONE A
Introduzione alla biologia
specifici di cellule. Schleiden e Schwann sono considerati i fondatori della citologia, la
disciplina che si dedica allo studio sistematico delle cellule.
Nel 1860 il medico tedesco Rudolf Virchow (1821 – 1902) scrisse: “Ogni animale
appare come la somma di unità vitali, ciascuna delle quali reca in sé tutte le caratteristiche della vita”. Inoltre Virchow (figura 7), predisse anche che “tutte le cellule derivano da
cellule”. I principi della modera teoria cellulare sono la diretta conseguenza delle osservazioni di Schleiden, Schwann e Virchow.
Un grande passo avanti nella citologia fu
compiuto con l’introduzione di sostanze
adatte a colorare (figura 8) i preparati da osservare al microscopio. Grazie anche ai progressi che la chimica stava compiendo in
quegli anni, i biologi furono in grado di individuare in questo modo le varie strutture cellulari, come i cromosomi e l’apparato di Golgi e di identificare le diverse tappe della divisione cellulare, complessivamente chiamate
mitosi. Alla fine dell’Ottocento si conosceva
l’esistenza dei cromosomi, il loro comportamento durante la divisione cellulare e si era
osservato che il loro numero è costante in
ciascuna specie; tuttavia ancora non se ne
conosceva la funzione che sarebbe stata spiegata solo all’inizio del secolo successivo.
Figura 7. La teoria
cellulare. Un francobollo
emesso dalle poste tedesce
nel 1953, che commemora
Rudolf Virchow.
?
Che cosa vuol dire
classificare gli organismi
viventi?
FOCUS
QUICKT
ES
T
• Quale scienziato italiano contribuì in modo
determinante a chiarire il meccanismo della
circolazione sanguigna?
• Le osservazioni fatte da Robert Hook delle
“cellette” del sughero, possono essere ritenute la prima esposizione della teoria cellulare?
2. La classificazione
della vita
Sul nostro pianeta esistono milioni di esseri
viventi che abitano la terra, l’aria e l’acqua.
Tuttavia, non è solo il grande numero a stupire, ma anche la loro grande diversità: si va
da organismi invisibili a occhio nudo, come i
batteri, fino alle balene e alle sequoie giganti.
Uno dei problemi principali nella storia della
biologia è stato quello di imparare a catalogare gli organismi viventi collocandoli in diverse categorie sistematiche, allo scopo di
studiarli più facilmente. Questo modo di procedere è noto anche come classificazione
degli esseri viventi.
I primi tentativi di catalogazione risalgono ad Aristotele, ma lo sviluppo del primo
sistema moderno di classificazione basato
su affinità e differenze tra gli organismi viventi si deve al naturalista svedese Karl
von Linné, noto anche come Carlo Linneo. Nel suo Systema naturae del 1758 (figura 9), Linneo sviluppò un grandioso sistema di classificazione che è l’antenato di
quello in uso attualmente. Linneo è perciò
considerato il fondatore della tassonomia,
ovvero dello studio della classificazione delle specie viventi. Nel suo sistema, Linneo assegnò a ciascuna specie un doppio nome in
latino: il primo rappresenta il genere, il secondo la specie. Questo tipo di classificazione, detta binomia o binomiale, è quella a
cui si fa riferimento ancora oggi. Anche il
nome Homo sapiens, il nome scientifico
con cui viene chiamata la nostra specie, fu
coniato da Linneo.
Figura 9. La prima sistemazione. Frontespizio del
Systema naturae di Linneo.
Figura 8. Tecniche di
indagine. Le colorazioni
dei tessuti hanno sempre
avuto un’enorme
importanza nella
microscopia per la capacità
di tessuti diversi di legarsi a
determinate sostanze
chimiche rendendone più
facile l’identificazione. Qui si
vede un preparato
istologico in cui si osserva
un neurone (cellula
nervosa) colorato con il
metodo di Golgi.
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CAPITOLO 2
Le tappe fondamentali della biologia moderna
La nascita del pensiero evolutivo
?
Che cosa si intende per
catastrofismo?
?
Di quale scienziato vennero
divulgate le opinioni nei
Principi di Geologia di Lyell?
T
ES
FOCUS
T
Figura 10. Charles
Darwin.
L’opera di classificazione di Linneo dava “un
ordine alle cose” ma non spiegava di certo
come si era originata l’ampia varietà degli esseri viventi presenti sul nostro pianeta. Allora, infatti, si riteneva che le specie fossero
state create così com’erano, una diversa dall’altra e che fossero immutabili nel tempo.
Tale concezione derivava dalla lettura fedele
della Bibbia, ma anche dal fatto che all’epoca
si riteneva che la Terra non avesse più di seimila anni, un lasso di tempo che non lasciava
spazio al lentissimo processo evolutivo.
Tuttavia, verso la fine del Settecento, diversi fatti nuovi contribuirono a mettere in
discussione questa convinzione. I primi viaggi esplorativi e la scoperta dei fossili avevano
mostrato somiglianze e divergenze tra gli organismi attuali e quelli passati, evidenziando
la comparsa di organismi più complessi nelle
epoche recenti; l’opera del naturalista francese Georges Louis Leclerc, conte di
Buffon (1707 – 1788) evidenziò la presenza
di organi vestigiali (strutture non più utili, testimonianze di organi funzionanti nel
passato, come la nostra appendice o i muscoli delle orecchie) in diversi animali, avanzando il dubbio che le specie potessero cambiare nel tempo. Di importanza fondamentale fu, tuttavia, il volume pubblicato nel 1785
dal medico scozzese James Hutton. Egli,
osservando l’azione degli agenti atmosferici
sulle rocce, affermò che quelle stesse forze
erosive avevano plasmato l’aspetto della Terra e che, per fare questo, dovevano aver agito per milioni di anni: per la prima volta si
avanzava la possibilità che l’età della Terra
fosse molto maggiore di quanto si era sempre affermato. Inoltre, diede il nome di “fossili”, dal latino “scavare”, a quelle strane pietre a forma di essere vivente che si estraevano dal suolo.
Lo studio dei fossili appassionò anche un
altro naturalista francese, Georges Cuvier
(1769 – 1832) il quale studiò l’anatomia di
moltissime creature confrontandole tra di loro. Il questo modo egli fondò una nuova disciplina: l’anatomia comparata. Dai suoi
studi Cuvier elaborò la teoria del catastrofismo secondo cui la Terra era sottoposta a
periodici cataclismi che provocavano l’estinzione di tutte le specie viventi; successivamente le specie venivano ricreate così com’erano senza subire modificazioni. Nonostante
le sue conclusioni sbagliate, Cuvier ebbe molti meriti, tra cui quello di migliorare la classificazione di Linneo e allargare le osservazioni
biologiche al lontano passato, gettando così
le basi della moderna paleontologia.
Nel 1830 al catastrofismo venne contrapposta un’opera corposa scritta da Charles
Lyell, i Principi di Geologia, in cui venivano divulgate le opinioni di Hutton e raccolte
le prove intese a dimostrare che la Terra aveva subito solo graduali cambiamenti e non
periodici cataclismi.
QUICK
• Che cos’è la tassonomia?
• Chi furono i tre scienziati che da punti di vista
diversi cercarono di risolvere il problema
dell’età della Terra?
3. L’evoluzione biologica
La teoria dell’evoluzione per selezione
naturale (che incontreremo di nuovo, illustrandola in dettaglio, nei capitoli 7 e 8) è
senza dubbio l’edificio concettuale più importante della biologia moderna, un paradigma attraverso cui operano tutte le branche
delle scienze naturali. Il principale protagonista di questa autentica rivoluzione copernicana della biologia fu l’inglese Charles
Darwin (figura 10). Le più importanti osser-
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SEZIONE A
Introduzione alla biologia
vazioni di Darwin furono fatte durante un
viaggio di cinque anni intorno al mondo a
bordo del brigantino Beagle.
Nel 1859, diversi anni dopo il suo ritorno in
patria, Darwin pubblicò Sull’origine delle
specie per mezzo della selezione naturale,
dove illustrava la sua teoria dell’evoluzione e i
meccanismi alla base del processo evolutivo.
Il concetto di antichità dell’uomo
La pubblicazione dell’opera di Darwin consentiva di dare una spiegazione razionale all’enorme mole di dati e osservazioni che arrivavano dalla tassonomia, dall’embriologia,
dall’anatomia comparata e dalla paleontologia, dando alla biologia l’autorevolezza di una
scienza organizzata con un proprio impianto
teorico. Tuttavia, la teoria di Darwin ebbe
non pochi oppositori: uno dei punti più delicati era l’applicazione della teoria evolutiva
all’origine dell’uomo, che confliggeva in modo evidente con il racconto del libro biblico
della Genesi, che nella cultura del tempo era
l’autorità a cui la gente comune faceva riferimento.
Oggi la teoria dell’evoluzione rappresenta,
come ha affermato il grande evoluzionista
Theodosius Dobzhansky, qualcosa senza
la quale “nulla ha senso in biologia”: una visione non finalistica, governata soprattutto
dal caso e dalle pressioni degli ambienti in
cui gli organismi viventi abitano.
?
Quale sostanza fu scoperta
da Miescher nel nucleo
delle cellule?
FOCUS
QUICKT
ES
T
• Per spiegare la comparsa dell’uomo sulla
Terra, a quale opera si faceva riferimento
prima degli studi di Darwin?
Figura 11. Gli incroci di Mendel.
La piantina di Pisum sativum, il pisello
odoroso, protagonista dei primi
esperimenti che inaugurarono la storia
della genetica.
22
4. La genetica
e lo sviluppo della
biologia molecolare
All’epoca di Darwin alcuni aspetti della sua
teoria risultavano facilmente attaccabili perché ancora non si conosceva la natura dei
meccanismi ereditari.
Nel 1869, il chimico svizzero Friedrich
Miescher isolò la sostanza contenuta nei
nuclei di numerosi tipi di cellule. Egli osservò che questa sostanza era un acido, ricco di fosforo e formato da grosse molecole.
Questo materiale, che Miescher chiamò nucleina in quanto strettamente associato al
nucleo, fu in seguito chiamato acido nucleico.
Più o meno negli stessi anni, Gregor
Mendel, un monaco boemo botanico e matematico, si dedicò a incrociare piantine
di pisello (figura 11) per verificare la modalità di trasmissione di diversi aspetti fisici
delle piantine, come il colore e la forma del
seme. I risultati di questi suoi pionieristici
lavori, suggerivano che le caratteristiche
morfologiche (chiamate anche caratteri)
sono ereditate come fattori discreti, cioè
separabili tra loro. Questo risultato confutò
definitivamente l’idea dell’eredità per mescolanza: allora, infatti, si pensava che ogni
singola caratteristica ereditata dalla progenie fosse un esatto miscuglio delle caratteristiche di entrambi i genitori. Un altro merito di Mendel fu quello di applicare la matematica ai suoi risultati. Egli contò le generazioni di piante ottenute nei suoi esperimenti e il numero di piante che ereditavano
determinate caratteristiche. Questa intuizione matematica fu determinante per interpretare correttamente i dati ottenuti e
divenne una caratteristica fondamentale
della genetica moderna.
Il lavoro di Mendel fu dimenticato per
diverso tempo, fino a quando nei primi anni
del Novecento non venne riscoperto da alcuni botanici tra cui l’olandese Hugo De
Vries (1848 – 1935) che arrivò alle stesse
conclusioni di Mendel, studiando una specie di primule di origine americana. Egli
notò anche che a volte compariva improvvisamente una caratteristica nuova nelle sue
piantine, che non aveva mai visto prima. De
Vries chiamò questo fenomeno mutazione.
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Le tappe fondamentali della biologia moderna
La teoria cromosomica
dell’eredità
?
Che cos’è Drosophila
melanogaster?
Molti biologi avevano ipotizzato l’esistenza di
un qualche fattore in grado di trasmettere i
caratteri dai genitori alla progenie. Darwin
aveva parlato di “gemmule”, Mendel di caratteri o “elementi”, De Vries creò il termine
“pangen” dalla fusione dei termini greci pan
(tutto) e genesis (nascita). Dieci anni dopo
De Vries, il botanico danese Wilhelm Ludvig Johannsen avrebbe abbreviato il termine in gene, ma nessuno aveva ancora capito
come funzionassero questi “fattori” e soprattutto dove fossero localizzati.
Figura 12. Cromosomi
ed eredità. Thomas Hunt
Morgan, al centro, con alla
sua destra il fisico Robert
Millikan, che misurò per
primo la carica elettrica
dell’elettrone, e il fisico Carl
Anderson.
Figura 13. Sesso e colore degli occhi. L’insetto più famoso della storia della
biologia moderna, la Drosophila melanogaster, il comune moscerino della frutta.
CAPITOLO 2
Il merito di mettere assieme le osservazioni citologiche con le leggi di Mendel fu dell’americano Walter Sutton (1877 – 1916) il
quale osservò che i cromosomi si comportavano come i fattori ereditari di Mendel, pur
non essendo in grado di fornire una prova diretta a sostegno della sua ipotesi. Solo nel
1910, gli esperimenti di Thomas Hunt Morgan (figura 12), un altro ricercatore americano, fornirono la prima evidenza sperimentale della teoria cromosomica dell’ereditarietà. Morgan dimostrò che uno specifico
cromosoma sessuale, che porta cioè i caratteri che definiscono se un organismo è maschio o femmina, il cromosoma X, è associato con il colore degli occhi del moscerino della frutta, Drosophila melanogaster (figura
13). Morgan e il gruppo di genetisti che lavoravano con lui alla Columbia University di
New York, rivoluzionarono la genetica facendo molte scoperte che servirono a integrare e
ad ampliare le leggi di Mendel e che oggi rappresentano l’impianto teorico della genetica.
Il perfezionamento di nuovi mezzi chimici
e fisici durante la prima metà del Ventesimo
secolo diede agli scienziati la possibilità di
studiare, con precisione sempre maggiore, le
grandi molecole che costituivano la struttura
delle cellule: carboidrati, proteine, lipidi e
acidi nucleici. Nacque così una nuova branca
della biologia che accoglieva in sé principi di
fisica, chimica e biologia e aveva come campo di studio l’analisi della struttura e del funzionamento delle molecole della vita: la biologia molecolare. Questa disciplina ha avuto i suoi maggiori sviluppi a partire dal secondo dopoguerra del secolo scorso.
Un settore della biologia molecolare si indirizzò verso lo studio delle proteine e degli
enzimi, individuati come i catalizzatori delle
reazioni cellulari, l’altro verso lo studio degli
acidi nucleici.
La scoperta della struttura
del DNA
Parallelamente al lavoro di Morgan proseguivano anche le ricerche sulla natura del materiale ereditario. Negli anni Venti del Novecento, il biochimico statunitense Phoebus
Levene scoprì che nelle cellule esistono due
tipi di acido nucleico, pressoché identici, che
successivamente furono chiamati acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA).
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SEZIONE A
Introduzione alla biologia
Nel 1928, il batteriologo inglese Frederick Griffith individuò nei batteri un “principio trasformante” in grado di trasformarli da
innocui a virulenti. Nel 1944 i risultati di Griffith vennero ripresi dagli americani Oswald
Figura 14. La prova
definitiva. Martha Chase e
Alfred Hershey nel 1953.
?
Chi ottenne la prima
immagine in assoluto
di una molecola di DNA?
Figura 15. Una foto
storica. La prima immagine
della struttura del DNA
rivelata con i raggi X da
Rosalind Franklin.
Figura 16. La doppia
elica. James D. Watson e
Francis Crick, che
descrissero per primi la
struttura del DNA, insieme
a Maclyn McCarthy (a
sinistra), uno dei protagonisti
con Avery e Mc Leod della
dimostrazione che il
materiale genetico non era
fatto di proteine, ma di
acido nucleico.
Avery, Colin McLeod e Maclyn McCarty, i
quali identificarono nel DNA tale principio
trasformante. Tuttavia, la comunità scientifica era più propensa a pensare che questo ruolo fosse assolto dalle proteine. La prova definitiva arrivò da un brillante esperimento ideato nel 1952 da Alfred Hershey e Martha
Chase (figura 14). I due biologi americani dimostrarono che quando un virus infetta una
cellula è il DNA e non le proteine a entrare all’interno della cellula, inducendola a produrre
nuovi virus.
In quegli anni andavano avanti anche gli
studi sulla natura chimica degli acidi nucleici
e degli altri componenti cellulari. Sempre intorno al 1940, il biochimico Erwin Chargaff,
osservò che gruppi fosforici contenuti nel
DNA, le cosiddette basi azotate (adenina,
guanina, citosina e timina), si ripetevano con
una frequenza che variava a seconda dell’organismo di provenienza e che la quantità di
adenina presente nelle molecole di DNA è
sempre simile alla quantità di timina, e la
quantità di guanina è sempre simile a quella
di citosina (A = T e G = C).
Tuttavia, tutti questi risultati ancora non
davano alcuna informazione riguardante la
struttura del DNA. La prima a effettuare ricerche in questo senso fu Rosalind Franklin che nel 1952 ottenne una straordinaria
foto a raggi X della molecola di DNA (figura
15) avanzando l’ipotesi che la sua struttura
fosse elicoidale. L’anno successivo, appresi in
modo informale i risultati ottenuti da Franklin, James Watson e Francis Crick (figura
16), due giovani scienziati che lavoravano
presso il Cavendish Laboratory dell’Università inglese di Cambridge, proposero il modello a doppia elica del DNA, pubblicando
le loro conclusioni in uno storico articolo apparso sulla rivista inglese Nature nell’aprile
1953 (tabella 1).
L’espressione genica e la nascita
dell’ingegneria genetica
Ma come riusciva la molecola di DNA a trasmettere l’informazione ereditaria? La risposta a questa domanda è il frutto delle ricerche
dei due genetisti americani George W. Beadle e Edward L. Tatum i quali, nel 1941, grazie ai loro esperimenti su Neurospora crassa, la comune muffa del pane, ipotizzarono
che ogni gene controllasse la produzione di
un enzima specifico il quale, a sua volta, controllava una determinata reazione del meta-
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CAPITOLO 2
Le tappe fondamentali della biologia moderna
Tabella 1 Gli eventi principali che hanno portato alla scoperta della struttura del DNA
Data
Scienziato
Scoperta
1869
Friedrich Miescher
Isolamento della nucleina (il DNA).
Tardo Ottocento
Gregor Mendel
I caratteri sono ereditati come fattori discreti.
Primo Novecento
Walter Sutton
Ipotesi della localizzazione sui cromosomi dell’informazione ereditaria.
1910
Thomas Hunt Morgan
Primi risultati a supporto dell’ipotesi di Sutton che l’informazione ereditaria sia localizzata
nei cromosomi.
Anni Venti del Novecento
Phoebus Levene
Scoperta dell’esistenza nella cellula di due tipi di acidi nucleici di struttura
quasi identica.
1928
Fred Griffith
Dimostrazione dell’esistenza di un “principio trasformante” nei batteri.
1944
Oswald Avery
Dimostrazione preliminare che il DNA è il materiale ereditario.
Tardi anni
Quaranta del Novecento
Erwin Chargaff
La frequenza delle basi varia negli acidi nucleici di organismi diversi e la frequenza
di una particolare base è simile a quella di un’altra determinata base.
Primi anni
Cinquanta del Novecento
George Beadle
e Edward Tatum
Teoria un gene – un enzima, vale a dire: la produzione di ciascun enzima è
sotto il controllo di un particolare gene.
1952
Alfred Hershey
e Martha Chase
Conferma della dimostrazione preliminare di Avery.
1953
Rosalind Franklin
e Maurice Wilkins
Analisi del DNA per diffrazione a raggi X e scoperta che il DNA ha forma di elica.
1953
James Watson
e Francis Crick
Sviluppo del modello del DNA a doppia elica.
Figura 17. Le sequenze
nel DNA. Marshall
Nirenberg, che insieme a
Heinrich Matthaei decifrò
per primo il codice genetico.
?
Che cosa sono gli oncogèni?
bolismo cellulare. Oggi sappiamo che questa
teoria, nota come un gene – un enzima, non
è completamente vera, in quanto un gene
specifica per uno o più catene proteiche che
sono solo una parte di un enzima o di una proteina, ma il principio era corretto.
Alla fine degli anni Cinquanta del Novecento, chimici e biologi di tutto il mondo erano impegnati nel tentativo di capire come il
DNA viene tradotto in proteine, cioè di decifrare il “codice genetico”.
Nel 1961 Marshall Nirenberg (figura 17)
e Heinrich Matthaei sintetizzarono in vitro una proteina partendo da una molecola di
RNA sintetizzato in laboratorio; esperimenti
successivi permisero di mettere in relazione
la sequenza del DNA con gli aminoacidi che
costituiscono le proteine.
A chiarire il meccanismo con cui il DNA
viene tradotto in proteine, chiamato anche
sintesi proteica, contribuirono gli studi di
un gruppo di biochimici dell’istituto Pasteur
di Parigi. Nel 1960 Franços Jacob e Jacques Monod condussero un esperimento in
cui dimostrarono, allo stesso tempo, il ruolo
di un tipo di RNA, chiamato RNA messaggero nella sintesi proteica e l’esistenza di una
regolazione dell’espressione genica. Da
allora le ricerche in questo campo si sono
susseguite senza sosta, portando a moltissimi
risultati, come la scoperta, tra il 1970 e il
1973, degli oncogèni, particolari geni la cui
espressione, se alterata, porta allo sviluppo
di tumori.
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SEZIONE A
Introduzione alla biologia
Sempre tra il 1970 e il 1973 vennero messe a punto le tecniche di base che consentirono la nascita dell’ingegneria genetica.
Nel 1970 fu scoperto il primo enzima di restrizione, una proteina in grado di tagliare
la molecola di DNA in corrispondenza di sequenze specifiche; nel 1973 fu costruita in vitro la prima molecola di DNA ricombinante, contenente cioè DNA proveniente da organismi diversi. Oggi le tecniche di ingegneria genetica sono comunemente usate sia
nell’industria e che nella ricerca biomedica.
?
Come viene chiamata
anche la teoria sintetica
dell’evoluzione?
FOCUS
QUICKT
ES
T
• Su quali piante operò Mendel per definire le
leggi dell’ereditarietà?
• Chi riscoprì il lavoro di Mendel all’inizio del Novecento e quale fenomeno mise in evidenza?
Figura 18. La sintesi
moderna. Ernst Mayr è
stato uno dei più autorevoli
esponenti del
neodarwinismo.
Figura 19. Gli equilibri
punteggiati. Stephen Jay
Gould, paleontologo,
ritratto sulla copertina della
rivita americana Natural
History, di cui fu assiduo
collaboratore: insieme a
Niles Eldredge propose
una nuova teoria della
speciazione.
5. Oltre Darwin
La sintesi tra evoluzione e
genetica: il neodarwinismo
In seguito alla nascita della genetica e alle ricerche nel campo della biologia molecolare,
gli evoluzionisti iniziarono a riconoscere l’importanza della variabilità genetica nel processo di selezione naturale. Iniziò quindi a
farsi strada, tra gli evoluzionisti che lavoravano nei diversi settori della biologia, l’idea che
era il singolo individuo, o meglio, una determinata caratteristica dell’individuo (cioè in
ultima analisi un gene) a essere oggetto della
selezione naturale. A questa nuova interpretazione lavorarono, tra il 1935 e il 1945, molti
scienziati tra cui Theodosius Dobzhansky,
Julian Huxley, George Simpson, Ernst
Mayr (figura 18) e Ledyard Stebbins che elaborarono quella che oggi è conosciuta come
teoria sintetica dell’evoluzione o anche
neodarwinismo.
Gli equilibri punteggiati
Nel suo lavoro, Darwin aveva ipotizzato che
la nascita delle specie fosse un processo lento e graduale. Questa teoria, detta successivamente del gradualismo filetico, prevedeva che la speciazione passasse attraverso
numerose forme di transizione, che dovevano avere lasciato delle testimonianze fossili.
Nel 1972 due paleontologi statunitensi, Niles
Eldredge e Stephen Jay Gould (figura 19)
proposero una nuova teoria detta degli equilibri punteggiati. Eldredge e Gould, esperti in paleontologia dei vertebrati, non riuscivano a spiegarsi come molti strati di formazioni rocciose contenessero, in corrispondenza di lunghi periodi, fossili della stessa specie
che scomparivano improvvisamente per essere sostituiti da fossili attribuibili a una nuova specie. I due ricercatori proposero, quindi,
che la speciazione fosse un processo rapido
(anche se relativamente ai tempi geologici),
seguito da lunghi periodi di stasi nei quali le
specie mantenevano le proprie caratteristiche. Il dibattito è ancora aperto.
QUICK
T
ES
T
FOCUS
• Che cosa afferma, in estrema sintesi, la teoria
degli equilibri punteggiati proposta da Eldredge e Gould?
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CAPITOLO 2
Le tappe fondamentali della biologia moderna
SCHEDA COLLEGAMENTI EVOLUZIONISTICI
Che cosa fanno i biologi e come spiegano il loro lavoro?
Spesso gli studenti vedono la
biologia come una disciplina
“descrittiva”, che spiega
come sono fatti gli organismi
viventi e come funzionano.
Certo, questo è uno dei suoi
scopi, tuttavia gli obiettivi
della scienza della vita vanno
oltre. Il biologo è lo
scienziato che cerca di
rispondere alle domande che
nascono dal desiderio
dell’uomo di conoscere il
funzionamento del
mondo vivente (“Come si
trasmettono i caratteri
ereditari dai genitori ai
figli?”,“ Da dove ha origine
l’immensa varietà delle forme
di vita?”), ma anche a quelle
che possono aiutare a
risolvere problemi di vita
quotidiana (“Come mi devo
comportare per evitare di
ammalarmi?”, “Come
possiamo migliorare la
qualità delle piante
coltivate?”).
La biologia, infatti,
comprende aree di studio
molto vaste, che analizzano il
fenomeno della vita da
prospettive diverse,
servendosi spesso di
tecniche e di competenze
provenienti da altre discipline
scientifiche, come la fisica, la
chimica, la geologia e la
statistica. Sotto il vasto
ombrello della scienza
chiamata “biologia” stanno
quindi molte discipline
diverse: la biologia
molecolare, per esempio,
studia la vita a livello chimico,
mentre la biologia
cellulare o citologia pone
al centro del suo interesse la
cellula o i gruppi di cellule,
indagando le interazioni fra
loro stesse e con l’ambiente.
Esistono poi diverse branche
della biologia che studiano la
vita a livello degli organismi,
siano essi animali
(zoologia), piante
(botanica) o organismi
unicellulari
(microbiologia). Altre
discipline biologiche studiano
il fenomeno della vita da un
punto di vista ancora più
ampio, occupandosi dei
fenomeni che hanno
influenza sull’intero pianeta e
studiando le interazioni fra
organismi e ambiente
(ecologia); per esempio,
valutano gli effetti sulla
biosfera dei cambiamenti
climatici. Tutti gli scienziati
condividono un metodo di
lavoro che prevede tre
passaggi fondamentali:
• l’osservazione dei
fenomeni;
• la formulazione di
un’ipotesi;
• la verifica sperimentale di
tale ipotesi.
Un ulteriore aspetto del
lavoro degli scienziati è la
comunicazione dei
risultati ottenuti. Si tratta di
un aspetto di fondamentale
importanza, poiché consente
di utilizzare il lavoro fatto da
altri come base di partenza e
di costruire su di esso nuove
ipotesi. Per comunicare in
modo “ufficiale” i risultati del
proprio lavoro, gli scienziati
utilizzano prevalentemente
due canali: le conferenze e i
convegni, e la pubblicazione
di articoli su riviste
scientifiche specializzate.
Durante i convegni gli
scienziati riassumono il loro
lavoro in una lezione di
fronte a numerosi
colleghi,oppure in piccoli
gruppi di discussione, o
ancora possono illustrare le
proprie ricerche su poster
(figura 1) che contengono
tutti gli elementi utili a
comprenderne le finalità e il
metodo di lavoro utilizzato.
Quando un gruppo di
ricerca ritiene di essere
giunto a risultati interessanti,
descrive il proprio lavoro in
un articolo. Un articolo
scientifico deve essere
redatto secondo precisi
criteri e un formato
standard, che prevede
diversi elementi: titolo e
autori della ricerca, riassunto
(abstract), introduzione,
descrizione del metodo
seguito, risultati raggiunti,
conclusione e bibliografia di
riferimento.
Una volta realizzato,
l’articolo viene proposto a
una delle numerose riviste
scientifiche specializzate nella
disciplina. Le redazioni di
queste riviste sottopongono
gli articoli che ricevono ad
altri scienziati specializzati
nello stesso campo, che
leggono l’articolo e valutano
il livello e l’accuratezza del
lavoro descritto per
decidere se pubblicarlo o
meno.
1. Un poster presentato a un
convegno di biologia marina illustra
sinteticamente i risultati ottenuti
dagli autori in uno studio dedicato
al comportamento sociale del
grande squalo bianco.
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Introduzione alla biologia
T
FLIP*I
In Sintesi
1. Uno sguardo nuovo sul mondo:
l’invenzione del microscopio.
L’invenzione del microscopio avvenuta nel corso del
Seicento a opera di Anton von Leeuvenhoek mise a
disposizione dei naturalisti uno strumento di enorme
importanza per lo studio delle strutture biologiche.
➤ Contemporaneamente, il medico inglese William Harvey,
con l’apporto successivo di Marcello Malpighi, descrisse in
modo corretto e compiuto il meccanismo della circolazione
sanguigna, inaugurando di fatto lo studio della fisiologia.
➤ Pochi anni più tardi Robert Hooke distinse al microscopio
le prime cellule, pur senza rendersi conto dell’importanza
dell’osservazione. Dovettero trascorrere poco meno di 200
anni perché Schleiden, Schwann e infine Virchow dettassero
i principi della moderna teoria cellulare.
2. La classificazione
della vita
La diffusione degli studi
naturalistici aveva portato a
un enorme aumento delle
specie animali e vegetali
conosciute: la loro
classificazione fu introdotta
nel 1758 da Carlo Linneo. In
essa egli inaugurò l’uso di
categorie sistematiche a
scrittura binomiale in cui
ciascun organismo è indicato
in modo univoco dal nome del genere seguito da quello
della specie di appartenenza, entrambi scritti in corsivo e in
latino.
➤ Nel frattempo cominciava ad affacciarsi l’idea che le
specie viventi mutano nel tempo: tale concetto fu introdotto
da Georges Leclerc conte di Buffon, mentre Hutton, Cuvier
e Lyell, naturalisti e geologi, dimostrarono che la Terra era
molto più vecchia di quanto non affermasse il testo biblico.
3. L’evoluzione biologica
La teoria dell’evoluzione trovò la sua prima compiuta
sistemazione attraverso l’opera di Charles Darwin, che nel
1859 pubblicò il libro più importante della biologia moderna:
Sull’origine delle specie per mezzo della selezione naturale.
Cento anni dopo, il genetista Theodosius Dobzhansky
affermava che “nulla ha senso in biologia al di fuori della
teoria dell’evoluzione”.
28
4. La genetica e lo
sviluppo della biologia
molecolare
Nel 1869 Friedrich Miescher
scoprì nel nucleo delle cellule
una sostanza che in seguito fu
identificata con il DNA: negli
stessi anni Gregor Mendel
inagurava la genetica
pubblicando i risultati ottenuti
facendo incrociare piantine di
pisello diverse per alcuni
caratteri e definendo le leggi
che consentivano di prevedere i risultati degli incroci. Il lavoro
di Mendel fu riscoperto all’inizio del Novecento dal botanico
Hugo de Vries.
➤ Nel 1914 Thomas H. Morgan dimostrò sperimentalmente
che i depositari fisici dell’informazione ereditaria sono i
cromosomi. Studi successivi si occuparono sempre più in
dettaglio della struttura dei cromosomi, avviando quella che
si sarebbe poi chiamata biologia molecolare.
➤ Tra gli anni ’30 e gli anni ‘60 del Novecento fu avviata una
autentica rivoluzione nello studio e nella comprensione dei
meccanismi molecolari dell’eredità: nel 1944 Avery, McLeod
e McCarty dimostrarono che la molecola erditaria era il
DNA. Nel 1952 Rosalind Franklin ottenne la prima
immagine della molecola di DNA e l’anno successivo
Watson e Crick decifrarono la sua struttura a doppia elica.
Infine nel 1961 Niremberg e Matthaei decifrarono il codice
genetico. Da allora i progressi della biologia molecolare
portarono alla manipolazione del materiale erditario, oggi
conosciuta come ingegneria genetica.
5. Oltre Darwin
La genetica e la biologia
molecolare hanno dato un
contributo determinante alla
definitiva affermazione della
teoria dell’evoluzione,
confermando in gran parte
l’edificio teorico proposto da
Charles Darwin. Nel 1972
Eldredge e Gould
elaborarono, sempre
all’interno della teoria
darwiniana, una nuova teoria
della speciazione, basata sugli equilibri punteggiati: la
creazione di nuove specie avverrebbe per processi rapidi
seguiti da lunghi periodi di stasi. Il dibattito, tuttavia, è ancora
aperto.
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CAPITOLO 2
Le tappe fondamentali della biologia moderna
1. Uno sguardo nuovo sul mondo:
l’invenzione del microscopio
2. La classificazione della vita
Completa ogni frase con il termine esatto
Rispondi alle seguenti domande
Vero o falso?
11. Il potere di risoluzione di un microscopio
è relativo alla sua capacità di misurare
il diametro di un punto.
12. Il potere di risoluzione del microscopio
elettronico giunge fino a 0,00001 mm.
13. I primi costruttori di microscopi nel corso del
XVII secolo furono i fratelli olandesi Janssen.
14. L’opera più famosa di Andrea Vesalio si intitola
De anatomia humani corporis.
15. La disciplina inaugurata dagli studi
sulla circolazione sanguigna eseguiti
da William Harvey fu l’anatomia.
16. Gli studi di Harvey portarono alla conclusione
che il sistema circolatorio dell’uomo
è un sistema aperto.
17. L’opera che rese famoso Robert Hooke
si intitola Micrographia.
18. La scoperta della cellula è dovuta a Matthias J.
Schleiden.
19. Uno dei problemi principali nella storia della
biologia è stato quello di imparare a
……………… gli organismi viventi collocandoli in
diverse ……………… sistematiche.
20. Lo sviluppo del primo sistema di classificazione
moderno basato su ……………….. e differenze
tra gli organismi viventi, si deve al naturalista
svedese ……………. .
21. Questo tipo di classificazione, detta
……………….. è quella a cui si fa riferimento
ancora oggi.
22. L’opera del naturalista francese Georges Louis
Leclerc, conte di ………….. evidenziò la presenza
di organi ……………. .
23. James Hutton, osservando l’azione degli agenti
atmosferici sulle …………. , affermò che quelle
stesse forze ………….. avevano plasmato l’aspetto
della Terra.
24. Georges Cuvier allargò le osservazioni biologiche al
lontano passato, gettando così le basi della
moderna ………………… .
3. L’evoluzione biologica
Leggi e rifletti
25. La pubblicazione dell’opera di Darwin consentiva di
dare una spiegazione razionale all’enorme mole di dati
e osservazioni che arrivavano da discipline diverse,
dando alla biologia l’autorevolezza di una scienza
organizzata con un proprio impianto teorico. Per ciò
che avete appreso finora, quali tra le discipline citate vi
sembra decisiva nell’aver dato a Darwin gli strumenti
utilizzati per elaborare la prospettiva temporale
necessaria allo svolgersi dei processi evolutivi?
TTES INT
ATTIVI
ER
1. Chi fu l’inventore del microscopio? Qual era il suo
vero mestiere? Conoscendo il suo mestiere, quale
poteva essere il legame con la necessità di avere a
disposizione uno strumento che gli consentisse di
ingrandire di molte volte un oggetto di piccole
dimensioni?
2. Come si definisce il potere di risoluzione di un
microscopio?
3. Quali organismi furono osservati per la prima volta
utilizzando un microscopio?
4. Quale disciplina fu inconsapevolemtene creata dalle
prime osservazioni al microscopio?
5. Di che nazionalità era Andrea Vesalio? L’accuratezza
dei suoi disegni anatomici si basava sul ripristino di
una pratica che riguardava i cadaveri. Quali?
6. Marcello Malpighi è conosciuto soprattutto per
aver dimostrato l’esistenza di strutture renali che
portano il suo nome (i corpuscoli): ma a quale
teoria diede definitiva dimostrazione di validità?
7. Quanto tempo dovette passare prima che le
osservazioni di Robert Hooke portassero al
consolidamento della teoria cellulare della materia
vivente? Chi completò poi la visione cellulare della
vita affermando che “ogni cellula deriva da una
cellula”?
8. Come si chiama la disciplina che si occupa dello
studio sistematico della cellula?
9. Con quale metodo fu possibile osservare per la
prima volta al microscopio la mitosi, ovvero il
processo della divisione cellulare?
10. Quali importanti strutture cellulari furono
osservate al microscopio nella seconda metà
dell’Ottocento? Citane almeno due.
Verifiche di fine capitolo
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4. La genetica e lo sviluppo della biologia
molecolare
V F
V F
V F
V F
Rifletti e spiega
26. Sulla base delle informazioni apprese, cerca di
delineare lo sviluppo della genetica parallelamente a
quello della biologia molecolare e di spiegare le
ragioni del progressivo avvicinamento e
sovrapposizione delle due discipline
5. Oltre Darwin
V F
Rispondi alle seguenti domande
V F
V F
V F
27. Su quale concetto fondamentale si basa la teoria
sintetica dell’evoluzione o neodarwinismo?
28. Che cosa si intende per equilibri punteggiati? Chi
furono i promotori di questa variante
dell’evoluzionismo classico?
29
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I punti caldi
SEZIONE A
Introduzione alla biologia
1. Osserva e spiega
Le figure mostrano due
organismi. Di che cosa si
tratta? Spiega qual è
stato il ruolo dei due
organismi nella storia
della biologia moderna.
uno spazio vuoto e che si raccogliesse di nuovo
all’aprirsi di un vaso nella struttura delle pareti. Mi
dava motivo di credere ciò il movimento del sangue
tortuoso e diffuso in direzioni diverse, nonché il suo
riunirsi in una parte precisa. Ma il mio convincimento
fu messo in crisi dal polmone essiccato di una rana il
quale per caso aveva mantenuto il suo rosso
sanguigno nei più piccoli vasi, come poi si scoprì.
Infatti, a quel punto, con una lente più perfetta, mi
comparvero alla vista dei piccoli vasi concatenati; e
l’espansione di questi vasellini che promanano di qua
e di là dalla vena o dall’arteria è così grande che i
rami non sono più ordinati, ma configurano una rete
intrecciata che sembra prodotta dai due vasi
maggiori (l’arteria e la vena) ...
2. Abbina a ciascuna delle seguenti teorie o
scoperte della biologia i nomi degli scienziati
che ne furono autori
a. Struttura a doppia elica del DNA
b. Teoria dell’evoluzione per selezione naturale
c. Prime osservazioni di cellule
d. Meccanismo della circolazione sanguigna umana
e. Leggi dell’ereditarietà dei caratteri genetici
f. Teoria cromosomica dell’ereditarietà
g. Teoria “un gene-un enzima”
h. Teoria cellulare
i. Teoria degli equilibri punteggiati
j. Sistema di classificazione dei viventi
1.
2.
3.
William Harvey
Carlo Linneo
Mathias Schleiden,Theodor Schwann,
Rudolf Virchow
4. Thomas H. Morgan
5. Niles Eldredge, Stephen Jay Gould
6. James Watson, Francis Crick
7. Robert Hooke
8. George Beadle, Edward Tatum
9. Charles Darwin
10.
Gregor Mendel
3. Interpreta il brano di Malpighi
Leggi con attenzione questo brano, tratto da
Seconda lettera sui polmoni a Giovanni Alfonso
Borelli scritta nel 1661 da Marcello Malpighi.
“La potenza dell’occhio non poteva espandersi di
più nell’osservare un animale sezionato. Per questo
avevo creduto che la massa sanguigna sfociasse in
30
Di qui risultò chiaro che il sangue scorre distribuito
in vasi tortuosi, e non si versa in uno spazio aperto,
ma si muove sempre all’interno di piccoli tubi …”.
a) Individua, tra queste affermazioni, l’unica che
esprima correttamente il pensiero dell’autore:
• Il sangue dalle arterie sfocia in spazi vuoti, dai
quali poi si raccoglie nuovamente nelle vene
• Uno scienziato non deve mai mettere in
discussione le sue convinzioni
• Il sangue scorre sempre dentro tubi chiusi, senza
mai riversarsi in spazi aperti tra gli organi
• Esaminando le viscere degli animali, giungiamo
alla verità
b) Nel brano, Malpighi descrive la sua scoperta di
un’importante struttura anatomica: quale?
c) Per quale principale ragione tale struttura
anatomica non fu scoperta prima del XVII
secolo?
d) Dagli eventi descritti in questo brano emergono
alcune doti fondamentali per uno scienziato:
sapresti individuarle?