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La biosfera
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 2 ]
Che cos’è la vita?
zucchero di canna
fessura in metallo
particolare di ostracode
sezione di roccia
cianobatteri
cellule staminali
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 3 ]
Che cos’è la vita?
alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi
• forma e grandezza
� gli esseri viventi hanno generalmente una forma definita e una grandezza caratteristica
� è possibile distinguere l’interno dell’organismo dall’ambiente esterno
� l’unità strutturale elementare è la cellula
• riproduzione
� gli organismi possiedono la capacità di dare origine a altri individui simili
• accrescimento
� gli esseri viventi si accrescono sviluppando nuove parti fra oppure all’interno di quelle vecchie
• assorbimento dall’esterno
� gli organismi sono in grado di prendere e trasformare materia ed energia dall’ambiente esterno per vivere
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 4 ]
Che cos’è la vita?
alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi
• composizione chimica
� più del 95% dei tessuti viventi è costituito da quattro elementi chimici: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto
• metabolismo
� gli organismi svolgono costantemente una serie di processi chimici essenziali per vivere (respirazione, digestione, assimilazione, escrezione)
• irritabilità o eccitabilità
� gli esseri viventi reagiscono alle modificazioni che avvengono nell’ambiente esterno
• omeostasi
� gli organismi sono in grado di mantenere condizioni interne (organizzazione e composizione) relativamente costanti anche a fronte di cambiamenti dell’ambiente esterno
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Cicli vitali: analogie e differenze
Corso di Ecologia | modulo 1: introduzione [ 5 ]
La biosfera
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 6 ]
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I limiti della biosfera
• la biosfera si estende dalle profondità oceaniche fino ai limiti della troposfera
• batteri sono stati trovati anchenella stratosfera (fino a 40 km),negli abissi oceanici (11 km)e nella crosta terrestre (>5 km)
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 7 ]
l’avvoltoio di Rueppel (Gyps
rueppellii) può raggiungere gli
11000 metri di quota
liparidi, pesci abissali filmati a
più di 7000 metri di profondità
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 8 ]
L’orologio della vita
� Des Marais, D.J. (2005)
Palaeobiology: Sea change in sediments.
Nature 437: 826-827
� vermi policheti delle
sorgenti idrotermali
abissali
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 9 ]
Il mattone della vita: la cellula
• l’unità fondamentale di tutti gli organismi
• la più piccola struttura classificabile come vivente
procarioti (1-10 µm) eucarioti (10-100 µm)
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 10 ]
I processi metabolici
• per vivere ogni organismo deve scambiare energia e materiaal suo interno e con l’esterno
• il metabolismo è l’insiemedelle reazioni chimiche e fisiche che consentono la vita di un organismo
• anabolismo: produzione di molecole complesse a partire da molecole semplici per costruirele componenti cellulari estoccare energia
• catabolismo: degradazionedi molecole complesse a molecole più semplici per produrre energia
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...anche le città hanno un metabolismo!
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 11 ]
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 12 ]
La ricetta della vita: il DNA
• il DNA (acido deossiribonucleico) è una macromolecola che contiene le informazioni genetiche necessarie alla sintesi delle più importanti sostanze che compongono le cellule
• ha la forma di una scala a pioli ritorta, i cui montanti sono formati da molecole di zucchero e di fosfato
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 13 ]
La codifica dell’informazione
• quattro basi azotate (adenina, citosina, guanina e timina) rappresentano le unità basilari dell’informazione nel DNA
• triplette di basi, dette codoni, codificano uno dei 20 amminoacidi, che sono gli elementi che costituiscono le proteine
• una porzione di DNA che codifica una particolare proteina o altre molecole funzionali costituisce un gene, l’unità ereditariafondamentale
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 14 ]
Un ricettario piccolo piccolo
• la totalità dell’informazione
portata dai geni si chiama
genoma
• è organizzata in cromosomi e
è replicata in ogni cellula di
un organismo
• contiene le istruzioni per
la costruzione e il funzionamento
dell’intero organismo
� il genoma del batterio M. pneumoniae
è uno dei più corti conosciuti: “solo”
816 kbp (migliaia di coppie di basi)
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 15 ]
Il genoma umano
• il DNA umano è organizzato in
23 coppie di cromosomi
per un totale di circa 3.2 Gbp
• si stima che contenga circa
20000-25000 geni: 100 volte
meno del moscerino della frutta!
• i geni per la codifica delle
proteine rappresentano
meno del 2% del genoma
• la funzione della maggior parte
delle sequenze è ancora ignota
� International Human Genome
Sequencing Consortium (2001) Initial
sequencing and analysis of the
human genome. Nature 409: 860-921
(15 feb 2001)
� Venter, J.C. et al. (2001) The sequence
of the human genome. Science 291:
1304-1351 (16 feb 2001)
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 16 ]
http://www.cellsalive.com/mitosis.htmLa replica dell’informazione genetica: la mitosi
� diversi stadi della
mitosi in cellule
radicali di cipolla
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 17 ]
Riproduzione asessuata
fissione binaria nel batterio Escherichia coli
e in un ciliato (Paramecium sp.)gemmazione nel lievito Saccaromyces cerevisiae
e in un celenterato (Hydra sp.)
moltiplicazione vegetativa nella crassulacea
Kalanchoe daigremontiana e in un iris (Iris sp.) rigenerazione in una planaria (Planarium sp.)
e in una stella marina (Lickia sp.)
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 18 ]
Ricombinare i geni: la meiosi
• durante la meiosi, una cellula
diploide (due copie di ogni
cromosoma) genera quattro
cellule aploidi (una copia di ogni
cromosoma) o gameti
• durante la meiosi si ha scambio
di DNA tra cromosomi omologhi
(crossing-over)
• l’unione delle informazioni
genetiche provenienti dai due
genitori unita al crossing-over
garantisce la ricombinazione
genetica, che è la base
dell’evoluzione
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 19 ]
Riproduzione sessuata nelle piante
piante monoiche:
infiorescenze femminili
e maschili di betulla
(Betula pendula)piante dioiche: rami di un individuo
femminile e di uno maschile di
agrifoglio (Ilex aquifolium)
piante monocline: fiore di pesco
(Prunus persica) in cui si vedono
il pistillo (organo femminile) e gli
stami (organo maschile)
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 20 ]
Riproduzione sessuata negli animali
ermafroditismo simultaneo:
fecondazione reciproca tra due
chiocciole (Helix pomatia)
gonocorismo:
accoppiamento tra individui di sesso
diverso nella coccinella Coccinella
septempunctata
ermafroditismo sequenziale:
nel sarago maggiore (Diplodus
sargus) si ha inversione sessuale da
maschio a femmina (proterandria)
in condizioni favorevoli la dafnia (Daphnia magna)
si riproduce per partenogenesi, cioè tramite uova
non fecondate che producono sole femmine;
in condizioni sfavorevoli (es. inverno) vengono generati
anche maschi e si ha riproduzione anfigonica, cioè con
accoppiamento
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 21 ]
La biodiversità
specie catalogate: ~1,8 milioni
specie stimate: 5-30 milioni
� http://www.cbd.int/
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 22 ]
Sistemi di classificazione degli organismi viventi
Plantae Animalia
Vertebrata
ArthropodaSpermatophyta
Fungi
Bacteria
Algae
come classificare gli esseri viventi?
� i 200 colori dei cavalli dei gauchos argentini e le loro 4 piante
� dai due regni dell’antichità fino a Linneo... ...alle più recenti (ma in continua evoluzione)classificazioni basate sulla biologia molecolare
si muovono? mangiano? come crescono?
no no indefinitamente piante
sì sì in maniera finita animali
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 23 ]
L’albero della vita e la teoria della ricapitolazione
«Die Ontogenese rekapituliert
die Phylogenese»
� Haeckel E. (1866)
Generelle Morphologie der Organismen
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 24 ]
eucarioti
procarioti
Il sistema a cinque regni
� Whittaker, R.H. (1969)
New concepts of kingdoms of organisms.
Science 163: 150-160
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 25 ]
Caratteristiche principali dei cinque regni
Regno tipo di cellula,
organizzazione
nutrizione riproduzione motilità
Monera procariotica,
unicellulare e/o coloniale
autotrofi
(foto- o chemiosintesi),
eterotrofi (assorbimento)
asessuale
(per scissione)
mobili (flagelli)
Protista eucariotica,
unicellulare e/o coloniale
autotrofi (fotosintesi),
eterotrofi (assorbimento
o ingestione)
asessuale
e sessuale
immobili o mobili
(ciglia o flagelli)
Plantae eucariotica con pareti,
pluricellulare con tessuti
autotrofi (fotosintesi) sessuale e asessuale immobili
Fungi eucariotica con pareti,
pluricellulare senza tessuti
definiti
eterotrofi (assorbimento) sessuale e asessuale immobili
Animalia eucariotica senza pareti,
pluricellulare con tessuti
eterotrofi (ingestione) sessuale e asessuale mobili (fibre contrattili)
� classificazione secondo Whittaker (1969)
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 26 ]
Il (controverso) concetto di specie
• è l’unità tassonomica fondamentale:
� dal punto di vista morfologico,un gruppo di organismi distinguibili per un’unica combinazione di caratteri
� dal punto di vista biologico,un gruppo di organismi in grado di riprodursi dando origine a prole feconda
� dal punto di vista evolutivo,un gruppo di organismi che condivide un progenitore comune e che mantiene la sua integrità nello spazio e nel tempo
� dal punto di vista ecologico,un gruppo di organismi adattato a una specifica nicchia ecologica
� dal punto di vista genetico,un gruppo di organismi che possono essere accostati geneticamente tra loro prima che ad ogni altro organismo esterno al gruppo
«[...] considero il termine specie come una definizione arbitraria che, per motivi di convenienza, serve
a designare un gruppo di individui strettamente simili tra di loro, per cui la specie non differisce granché dalla varietà, intendendosi con questo termine le forme meno distinte e più fluttuanti. Inoltre, anche il termine di varietà viene applicato arbitrariamente per pura praticità nei confronti delle semplici variazioni individuali»(Darwin 1859)
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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 27 ]
Linneo e la nomenclatura binomia
«Nomina si nescis,perit et cognitio rerum»
• Linneo è considerato il padre della moderna tassonomia
• è stato il primo a applicare estesamente la nomenclatura binomia
Physalis annua ramosissima, ramis angulosis glabris, foliis dentato-
serratis diventa, più concisamente, Physalis angulata
� Linnæus, C. (1735, 1758)Systema naturæ
Carl Linnæus
(1707–1778)
Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 28 ]
La collocazione sistematica della specie umana
Regno Animalia organismi pluricellulari che richiedono come cibo sostanze organiche complesse
Phylum Chordata animali con cordone nervoso dorsale cavo, fessure branchiali faringee in qualche stadio del ciclo vitale
Classe Mammalia piccoli nutriti mediante ghiandole mammarie, pelle ricoperta da pelo, temperatura del corpo elevata, cavità corporea divisa dal diaframma
Ordine Primates animali arboricoli o loro discendenti, generalmente con dita e unghie appiattite, pollice opponibile, senso dell’odorato mediocre.
Famiglia Hominidae faccia piatta, occhi frontali, visione a colori, locomozione bipede, stazione eretta
Genere Homo cervello grosso, linguaggio, infanzia lunga
Specie Homo sapiens mento prominente, fronte alta, peli sparsi sul corpo
immagine di esseri umani,
dalla placca della sonda spaziale
Pioneer 10 (lanciata nel 1972)