La biologia è lo studio scientifico della vita e
delle diverse forme viventi
Negli ultimi decenni enorme sviluppo di questa
disciplina
Forte impatto sulla cultura e su vita quotidiana
Ricadute su settori come medicina, alimentazione,
agricoltura, rapporti sociali, psicologia, scienze
forensi, etc
CARATTERI GENERALI DELLA MATERIA
VIVENTE
LE CARATTERISTICHE GENERALI DELLA
MATERIA VIVENTE
LA TEORIA CELLULARE
APPROCCIO AI FENOMENI BIOLOGICI
Scala metrica
µm = 10-3 mm; nm = 10-3 µm; Ǻ = 10-1 nm
Malgrado l’enorme biodiversità, esistono proprietà
comuni a tutti gli esseri viventi
•
•
•
•
•
•
•
•
Ordine (esistenza di strutture ordinate)
“Progetto” interno
Regolazione (dell’ambiente interno)
Crescita e sviluppo (ogni organismo segue
un modello caratteristico della propria specie);
Uso di energia (per le funzioni vitali)
Risposta all’ambiente (o “irritabilità”)
Capacità di riprodursi
Evoluzione
I sistemi viventi hanno
un’organizzazione
gerarchica in cui ogni
livello strutturale ha come
base quello sottostante
–La gerarchia parte dalle
molecole per arrivare agli
ecosistemi e alla biosfera.
Le cellule rappresentano il livello più basso dell’organizzazione della
vita e sono organizzate in organismi uni- o pluri-cellulari.
Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di cui sono costituiti i viventi.
La cellula è l’unità fondamentale della vita. È infatti la struttura più semplice
in grado di compiere tutte le attività richieste per la vita.
Gli esseri viventi si riproducono
Gli esseri viventi reagiscono agli stimoli
I sistemi viventi contengono le istruzioni chimiche che controllano
la loro struttura e funzione
Il DNA contiene l’informazione
genetica per costruire le molecole che
costituiscono cellule ed organismi.
L’informazione è replicata e trasmessa
da una generazione alla successiva.
Il DNA si trova in tutte le cellule e
l’informazione genetica è codificata
nello stesso modo in tutti gli
organismi.
I viventi sono impegnati in attività metaboliche
Grazie al metabolismo ottengono
energia dall’ambiente
e la usano per
•crescere
•riprodursi
•sintetizzare molecole
•mantenere ordine interno
•ecc.
Gli organismi e i loro ambienti formano
reti interconnesse
CO2
O2
CO2
Ogni organismo interagisce con
l’ambiente in cui vive formando una rete
complessa di relazioni che collegano tra
loro gli esseri viventi ed il loro ambiente.
Gli ecosistemi cono caratterizzati da:
H2O
-Riciclo di materia: trasferimento delle
sostanze nutritive chimiche dall’atmosfera e
dal suolo, ai produttori, ai consumatori, ai
decompositori e indietro all’ambiente.
-Flusso di energia: gli ecosistemi ricevono
energia dal sole e la trasformano in energia
chimica; fluisce attraverso il sistema
trasformandosi in attività cellulari
parte di essa è dispersa nell’ambiente
come calore (flusso a senso unico).
Le forme di vita si possono classificare in 3 domini
tre grandi categorie tassonomiche :
Protista
Fungi
SEM 25 000×
Eubacteria
SEM 3250×
•Eubacteria (eubatteri)
procarioti
•Archeabacteria (archebatteri o archei);
•Eukarya, il dominio degli eucarioti, suddiviso nei 4 regni dei
protisti,funghi, piante animali.
Archebacteria
Plantae
Animalia
LA TEORIA CELLULARE
CELLULA
UNITA’
FONDAMENTALE
Membrana
plasmatica
Citoplasma
DNA
MATERIA
VIVENTE
LA TEORIA CELLULARE
ORGANISMI
MONOCELLULARI
PROCARIOTI
EUCARIOTI
Accrescim.e divis.
PLURICELLULARI
COSTITUITI DA
CELL.EUCARIOTICHE
(da poche unità a 1014)
Differenziamento Cellulare
Riproduzione Sessuata
Accresc. e moltipl.org.
gameti
zigote
Cellule procariotiche e cellule eucariotiche
Tratti comuni: DNA come materiale genetico, citoplasma racchiuso da
membrana
Differenze: dimensioni, grado complessità, presenza nucleo, organelli e
compartimentazione interna
Batteri con pilum sessuale
Procarioti con sistema di membrane
Micoplasmi: cellule procariotiche completamente prive di
parete
Batteri GRAM + (ac. Teicoico)
Cellule procariotiche
Batteri GRAM – (lipopolisaccaridi e proteine)
Tutte contengono una parete
cellulare costituita per lo più
da peptidoglicani
(N-acetil glucosamina
e N-acetil muramico)
Cellula eucariotica animale
Nelle cellule eucariotiche si evidenziano le compartimentalizzazioni
Cellula eucariotica vegetale
Strutture presenti nelle cellule
eucarioti
(protozoi
e
metazoi)
procarioti
(batteri)
cromatina
si
si
membrana
plasmatica
si
si
membrana
nucleare
si
no
ribosomi
si
si
mitocondri o
cloroplasti
si
no
apparato Golgi
si
no
reticolo
endoplasmico
si
no
lisosomi e
perossisomi
si
no
citoscheletro
si
no
Procarioti ed eucarioti differiscono per molti aspetti:
•
Presenza o assenza di un nucleo circondato da membrana
•
Uso delle membrane interne per separare le funzioni
•
Tubuli e filamenti
In cellule eucariotiche:
•
•
•
•
Microtubuli delle ciglia e dei flagelli
Microfilamenti di actina delle fibre dei muscoli e di altre strutture coinvolte nella motilità
Filamenti intermedi (particolarmente diffusi nelle regioni cellulari soggette a stress)
Microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi costituiscono anche il citoscheletro
•
Esocitosi e d endocitosi
•
Organizzazione del DNA:
•
•
La maggior parte delle cellule eucariotiche contengono almeno 1000 volte più DNA di E. coli
Nelle cellule eucariotiche il DNA è organizzato in cromosomi
•
Segregazione dell’informazione genetica:
•
•
Cell. Procariotiche: scissione binaria
Cell. Eucariotiche: mitosi e meiosi
•
Espressione del DNA: maturazione RNA in eucarioti
L’ambiente intracellulare è
acquoso (citosol)
Il citoplasma
Il citosol = 50% membrana plasm.
Stabilizzato dal citoscheletro
Le fibre si estendono dalla
membrana plasm. al nucleo
Alcune ancorano la cell.
a strutture extracell.
Cambia assetto durante il ciclo cell.
APPROCCIO AI FENOMENI BIOLOGICI
• Eseguire le prime osservazioni
• Formulare un’ipotesi verificabile
Prendere come riferimento le
conoscenze già esistenti
• Progettare un esperimento
controllato
• Raccogliere i dati
• Interpretare i risultati
• Ricavare delle conclusioni
ragionevoli
Procarioti ed eucarioti,
pur mostrando notevole differenza di
complessità strutturale, condividono
le stesse basi molecolari:
entrambi usano il DNA come
materiale chimico per costituire i
geni,
le
unità
discrete
dell’informazione ereditaria.
Solo in alcuni virus il materiale
genetico è l’RNA
Virus:
Virus: aggregati molecolari!
Viroidi: piccole molecole di RNA circolare (300-400 nucleotidi),
probabilmente passano da una cellula vegetale all’altra quando le superfici
adiacenti sono danneggiate.
Prioni: particelle infettive proteiche (mucca pazza); versioni strutturali
anomale delle normali proteine della cellula; forse la proteine colpisce i
recettori in grado di ricevere i segnali nervosi.
I virus sono parassiti cellulari:
•Organizzazione semplice: acido nucleico (DNA o RNA) + rivestimento
•Sopravvivenza e riproduzione dipendono dalle cellule infettate non sono
“veri” organismi viventi
Testa
Coda
Virus batterico a DNA
DNA
Fibre della coda
Proteine RNA
Involucro esterno
RNA
Rivestimento proteico
Estroflessione glicoproteica
Virus vegetale a RNA
Virus animale ad RNA
L’evoluzione è il concetto che unisce tutti campi della biologia
Unità e diversità si spiegano con
l’evoluzione:
la vita evolve di continuo e tutti gli
organismi sono imparentati tra
loro
Esiste una sorprendente unità soprattutto nei livelli gerarchici più bassi
dell’organizzazione biologica (es DNA e codice genetico, sistemi biochimici, etc).
CARATTERISTICHE GENERALI
DELLA MATERIA VIVENTE
ADATTAMENTO ALL’AMBIENTE
EVOLUZIONE:
LAMARCK
AMBIENTE
modificazioni
ORGANISMI
trasmissione
GENERAZIONI
SUCCESSIVE
DARWIN
MUTAZIONI GENETICHE
CASUALI
Individui avvantaggiati
o non nell’
AMBIENTE
Selezione Naturale
Il naturalista inglese Charles Darwin pubblicò uno dei libri più importanti e
controversi mai scritti (L’origine delle specie per selezione naturale) in cui propose la
teoria della selezione naturale.
(1) Popolazione con varie
caratteristiche ereditarie
1
(2) Eliminazione degli individui
con certe caratteristiche
2
(3) Riproduzione degli
organismi sopravvissuti
3
La selezione naturale è un meccanismo di «rielaborazione» che si verifica
quando le popolazioni o gli organismi, con variazioni ereditabili, vengono
esposti a fattori ambientali che favoriscono il processo riproduttivo di alcuni
individui rispetto ad altri.
Evoluzione biologica (Darwin e Wallace)
1) Gli organismi viventi danno origine a molti discendenti
2) Le variazioni ereditabili fanno sì che alcuni individui competano con
più successo per cibo, spazio e accoppiamento
3) Gli individui di successo (fitness) trasmettono i loro tratti alla
generazione successiva
4) I tratti “di successo” diventano più comuni, quelli sfavorevoli meno
comuni
popolazione in continuo cambiamento BIODIVERSITA’
L’evoluzione dipende dalla variabilità del DNA (mutazioni)
Tutti gli organismi mostrano adattamenti, cioè caratteristiche che si
sono evolute mediate la selezione naturale.
Orca
Pangolino
Esiste anche la selezione artificiale, operata dall’uomo:
es. razze canine, varietà di ortaggi…
Problemi legati alla selezione naturale: la diffusione della “antibiotico
resistenza”, soprattutto in ambiente ospedaliero
Forma e struttura del becco degli uccelli riflettono l’adattamento ad
uno specifco tipo di alimentazione
