ORIGINE ED EVOLUZIONE DELLA VITA

PER TU

1Capitolo 1 Origine ed evoluzione della vita

AGGIUNGI QUALCHE EVENTO STORICO LEGATO ANCHE AD ALTRE MATERIE

COMPLETA LA LINEA DEL TEMPO

In Russia avviene la . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . scrive Il maestro e Margherita

Viene lanciato in orbita il primo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Crolla il Muro di Berlino

1922 1953

1928-401917 1957 1989. . .

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Oparin pubblica la sua ipotesi

Esperimento di Miller e Urey

ALEKSANDR IVANOVIČ OPARIN (1894-1980)

19Opla

NOVIČ

19Essdi

ORIGINE ED EVOLUZIONE DELLA VITA

1CAPITOLO

A TU

Come ha avuto origine la vita?Materia inorganica e organica sottostanno alle medesime leggi della chimica: non ci sono regole speciali per la vita. All’inizio del Novecento questa convinzione comincia a emergere nella comunità scientifica, ma c’era una spiegazione per la comparsa della vita nella storia della Terra. Negli ambienti universitari circolavano diverse versioni della teoria della panspermia, secondo la quale la vita sulla Terra sarebbe stata trasportata da altri pianeti con i mezzi più vari. Ma ciò non convinceva Aleksandr Oparin che lavorava all’Università Statale di Mosca. Secondo lui ci doveva essere una spiegazione che non prevedesse un deus ex machina.

ALEKSANDR IVANOVIČ OPARIN Uglic, 1894 - Mosca, 1980

LA STORIA AL TEMPO DI...

Esiste una prova che dimostri la teoria di Oparin?L’ipotesi del chimico russo ebbe poco credito tra i suoi contemporanei. Nel 1953, però, due ricercatori americani, Stanley Miller e Harold Urey, la mettono alla prova, costruendo un piccolo ma complesso apparato sperimentale in cui simulare le condizioni della Terra ipotizzate da Oparin. Il loro esperimento dimostra che dal brodo primordiale si possono generare spontaneamente biomolecole e, in particolare, si possono generare gli amminoacidi, ovvero i componenti fondamentali di tutti gli organismi viventi. Per ottenere ciò basta avere la giusta miscela di ingredienti di partenza, sufficiente energia e abbastanza tempo.

Che cos’è il «brodo primordiale»?Alcune nuove osservazioni di Giove fanno ipotizzare a Oparin come poteva essere l’atmosfera terrestre quando è comparsa la vita: poco ossigeno libero, abbondanza di idrogeno e presenza dei quattro elementi che costituiscono il 95% della materia vivente. Inoltre, le radiazioni solari e le scariche elettriche dell’atmosfera potevano fornire l’energia per innescare le reazioni. Dopo una serie di eventi che Oparin chiama evoluzione chimica, negli specchi d’acqua si sarebbero accumulate grandi quantità di molecole complesse. All’aumentare del loro numero e della loro concentrazione in questo brodo primordiale, secondo Oparin si sarebbero aggregate sempre più, fino alla comparsa delle prime cellule.

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negativa, gli elettroni, che erano in rapido movimen-to intorno a essi. Si formarono così i primi atomi, a cominciare dal più semplice: l’idrogeno. Con il pas-sare del tempo, questi atomi diedero vita alle stelle, le fucine dove vengono continuamente prodotti gli altri elementi chimici che formano i corpi celesti e tutto ciò che possiamo vedere nell’Universo, compresi gli esseri viventi.

Il Sistema solare si è formato da un ammasso di polveri e gasLa materia presente nell’Universo non è distribuita in modo uniforme, ma si concentra in ammassi chiamati galassie, ciascuna formata da un numero enorme di stelle, attorno alle quali orbitano i pianeti, e da materia interstellare.

La galassia a spirale in cui si trova il nostro Sistema solare è chiamata Via Lattea, poiché la porzione visi-bile nel cielo notturno appare come una fascia dall’a-spetto lattiginoso (Figura 1). Questa galassia compren-de diverse decine di miliardi di stelle tra cui il Sole, la stella a noi più vicina, situata in un braccio esterno della spirale (Figura 2).

Figura 1Un’immagine notturna della Via Lattea, la galassia di cui fa parte anche il Sole.

Figura 2La Via Lattea è una galassia a spirale; il Sole si trova su un braccio esterno.

Sole

L’Universo ha avuto origine espandendosi da un singolo puntoSi ritiene che l’Universo si sia originato circa 13,8 mi-

liardi di anni fa. Secondo la teoria del Big Bang, la più accreditata tra i fisici, a quell’epoca tutta la materia era concentrata in un singolo punto di densità e tem-peratura infinite. A un certo momento, questo punto subì una rapida espansione chiamata «Big Bang», che proiettò energia e radiazione in ogni direzione. Lenta-mente, una parte della radiazione si è trasformata in materia. Nei primi istanti di vita dell’Universo, però, non esistevano ancora gli atomi, ma soltanto una sostanza fluida e caldissima (a milioni di miliardi di gradi) composta da particelle elementari e chiamata plasma. Via via che la temperatura dell’Universo in espansione diminuiva, si formavano altre particelle subatomiche e si instauravano le forze che oggi rego-lano la materia a noi nota.

Entro il primo secondo di questo processo, che segna anche l’inizio del tempo stesso, comparvero i protoni e i neutroni (due tipi di particelle stabili), che cominciarono subito ad aggregarsi tra loro formando i primi nuclei atomici. Quando la temperatura scese a poche migliaia di gradi, 300 000 anni dopo il Big Bang, questi nuclei, grazie ai protoni carichi positivamente, cominciarono ad attrarre piccole particelle con carica

L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA1

LEZIONE


Come le altre stelle, il Sole è nato circa 5 miliardi di anni fa da un’enorme nube di polveri e di gas (idrogeno ed elio) chiamata nebulosa solare. Questo ammasso si condensò gradualmente a mano a mano che gli atomi di idrogeno venivano attirati verso il suo centro dalla forza di gravità. Più la nebulosa diventava densa, più al suo interno gli atomi si muovevano rapidamente entrando in collisione tra loro. Con l’aumento della temperatura, le collisioni si fecero progressivamente più violente, finché gli atomi di idrogeno cominciaro-no a scontrarsi con tale forza da fondere i loro nuclei, formando atomi di elio, composti da due protoni e due elettroni, e liberando grandi quantità di energia. Queste reazioni di fusione termonucleare si svolgono co-stantemente all’interno del Sole e sono la fonte della sua energia.

Secondo le attuali teorie, i pianeti si formarono circa 4,6 miliardi di anni fa, sempre a partire da gas e polveri della nebulosa solare. Questi materiali, attratti dalla crescente forza di gravità del Sole, formarono un disco composto da vari anelli in rotazione intorno alla stella appena nata. All’inizio le particelle si ammassa-vano a caso, ma, via via che tali agglomerati diventa-vano più voluminosi, attraevano per gravità altre par-ticelle, dando così origine ai pianeti. Nell’orbita più vicina al Sole prese forma Mercurio, seguito in ordine di distanza da Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno, il pianeta più lontano (Figura 3).

La giovane Terra inizialmente era costituita da rocce fuse a causa della sua temperatura interna molto alta, poi cominciò a raffreddarsi a partire dalla superficie, formando così la crosta esterna. Le rocce più antiche di questo strato hanno un’età di circa 4,1 miliardi di anni. È probabile che, a quell’epoca, l’atmo-sfera fosse costituita principalmente da idrogeno ed

Figura 3Sequenza dei pianeti del Sistema solare; l’immagine mostra i pianeti in scala, ma non tiene conto delle relative distanze dal Sole.

Sole Mercurio

Venere Terra

Marte

Giove

Saturno

Urano

Nettuno

elio. In seguito, i gas sprigionati dai vulcani contribu-irono a formare un secondo tipo di atmosfera, in cui l’idrogeno era combinato con altri elementi chimici. L’acqua che fuoriusciva dai geyser sotto forma di gas, inoltre, arricchì l’atmosfera di vapore acqueo.

Al diminuire della temperatura, le nubi si conden-sarono in piogge torrenziali, che ricadendo al suolo formarono vasti oceani caldi, poco profondi, ma così estesi da ricoprire gran parte del pianeta.

Oparin formula la prima ipotesi sulla comparsa della vita La prima ipotesi scientifica riguardo all’origine della vita fu elaborata nel 1924 dal biochimico russo Aleksandr I. Oparin (1894-1980) e venne ripresa dal genetista scozzese John B. Haldane (1892-1964). Se-condo questi scienziati, la comparsa della vita sulla Terra fu preceduta da una lunga serie di eventi noti come evoluzione chimica. Si pensa che in questa fase della formazione del nostro pianeta l’ossigeno libero fosse quasi del tutto assente nell’atmosfera, mentre era ancora abbondante l’idrogeno; inoltre, i quattro elementi (idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto), che oggi costituiscono più del 95% dei tessuti degli or-ganismi viventi, erano già presenti nell’atmosfera e negli oceani. Oltre a questi elementi, sulla Terra era disponibile moltissima energia sotto forma di calore, scariche elettriche, radioattività e radiazioni prove-nienti dal Sole.

Oparin ipotizzò che, in tali condizioni, dai gas dell’atmosfera si sarebbero potute formare grandi quantità di molecole organiche; col tempo, esse si sarebbero raccolte nei mari e nei laghi del pianeta, dando origine a un «brodo primordiale».

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L’esperimento di Miller-Urey conferma l’ipotesi di OparinOparin pubblicò le sue ipotesi nel 1922, ma la comu-nità scientifica non diede loro molto credito. A metà del secolo scorso, tuttavia, arrivò la prima conferma sperimentale dell’ipotesi di Oparin grazie al lavoro del biochimico statunitense Stanley Miller, dell’Univer-sità di Chicago, e del suo docente, il premio Nobel per la chimica Harold Urey.

In un celebre esperimento, Miller simulò in la-boratorio le condizioni ambientali che, in base alle conoscenze dell’epoca, dovevano esistere sulla Terra primitiva. Miller costruì un sistema chiuso e sterile costituito da due sfere: quella inferiore, che rappresen-tava l’«oceano», conteneva acqua allo stato liquido ed era collegata tramite tubi a una sfera superiore che costituiva l’«atmosfera», al cui interno introdusse due elettrodi e una miscela gassosa composta da idroge-no, vapore acqueo, metano e ammoniaca (Figura 4). L’«oceano» veniva scaldato per far evaporare l’acqua; il vapore risaliva lungo un tubo e raggiungeva gli altri gas dell’«atmosfera», dove gli elettrodi genera-vano scariche elettriche che simulavano l’azione dei fulmini. Un secondo tubo, raffreddato con acqua fred-

Figura 4Simulando le condizioni della Terra primitiva, Miller riuscì a dimostrare che le molecole organiche potevano formarsi spontaneamente a partire dalla materia inorganica.

«Atmosfera» contenente gas, come idrogeno, vapore acqueo, metano e ammoniaca; le scariche elettriche simulano l’azione dei fulmini.

Sistema di raffreddamento per far tornare l’acqua allo stato liquido mediante condensazione.

Beuta per raccogliere l’acqua contenente gli amminoacidi e le altre sostanze formatesi durante il procedimento.

Fonte di calore per scaldare l’acqua e riprodurre così i caldi «oceani» primitivi.

da e collegato alla sfera inferiore, faceva condensare il vapore, che ricadeva nell’«oceano» per riprendere nuovamente il ciclo. L’acqua di condensa avrebbe trascinato verso il basso qualsiasi molecola si fosse formata, accumulandola in un’ansa del tubo.

Dopo 24 ore, circa metà del carbonio presente ini-zialmente nel metano era stato incorporato in vari tipi di molecole organiche fra cui alcuni amminoacidi, biomolecole fondamentali per gli organismi viventi come costituenti delle proteine. L’esperimento di-mostrò quindi in laboratorio come potessero essersi spontaneamente formate le molecole che sono alla base della vita.

Con alcune variazioni delle condizioni sperimen-tali e del miscuglio dei gas utilizzati, in seguito sono stati ottenuti quasi tutti i più comuni amminoacidi e anche i componenti essenziali del DNA, la molecola che contiene le informazioni genetiche.

Le prime cellule si sono formate nei mari Con il passare del tempo, si suppone che le molecole organiche si siano accumulate nei mari, combinando-


si tra loro per formare sistemi chimici stabili che Opa-rin chiamò coacervati. A questo punto, all’evoluzione chimica avrebbe fatto seguito l’evoluzione prebiolo-

gica, durante la quale questi sistemi avrebbero inizia-to a scambiare materia ed energia con l’ambiente.

Secondo il biochimico statunitense Sidney W. Fox, durante i primi cento milioni di anni della Terra si formarono strutture, dette microsfere proteinoidi

(Figura 5), costituite da una membrana al cui interno avvenivano reazioni chimiche analoghe a quelle delle cellule odierne. Queste strutture non erano vere cel-lule, essendo ancora prive del patrimonio genetico; la formazione delle microsfere, tuttavia, suggerisce quali processi abbiano potuto dare origine a entità autosufficienti, capaci di svolgere reazioni chimiche per mantenere la propria integrità fisica e chimica.

In disaccordo con le ipotesi sull’origine della vita di Oparin e Fox, alcuni scienziati hanno ipotizzato

Figura 5Alcuni scienziati ipotizzano che semplici strutture chiamate «microsfere proteinoidi» siano precursori delle prime cellule.

che le forme di vita più semplici attualmente esisten-ti siano comunque troppo complesse per avere avuto origine sulla Terra; hanno quindi puntato l’attenzione verso lo spazio extraterrestre, dove probabilmente la vita è presente e potrebbe avere raggiunto il nostro pianeta trasportata casualmente da meteoriti.

Oggi tutta la vita esistente sulla Terra si trova in una zona denominata biosfera, che comprende la su-perficie terrestre e si estende da circa 8-10 km sopra il livello del mare fino alle profondità marine (Figura 6).

Figura 6La biosfera è la porzione di superficie terrestre che ospita la vita.

1. Le molecole organicheA si sono formate in seguito alla

decomposizione dei primi viventi.B sono formate da elementi chimici

non presenti nei mari primitivi.C sono aggregati di atomi che

formano gli organismi vegetali ma non quelli animali.

D costituiscono il materiale con cui sono formati tutti gli organismi.

2. Miler dimostrò con un esperimento che

A l’idrogeno e l’ossigeno si uniscono per formare acqua.

B non fu l’evoluzione chimica a generare le prime forme di vita.

C in particolari condizioni ambientali, si formano spontaneamente molecole organiche.

D l’ipotesi di Oparin era sbagliata.

3. Barra i termini in neretto ERRATI. Il Sole è una stella / galassia che si è formata dalla condensazione di ammassi di idrogeno e elio / ossigeno; quando gli atomi entrarono in collisione si disgregarono / fusero, generando grandi quantità di energia / molecole organiche.

C O M P L E T A L A M A P P A F I S S A I C O N C E T T I

alle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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La vita potrebbe avere avuto un’origine extraterrestre

L’idea di un’origine extraterrestre della vita è molto antica. Fu proposta per la prima volta da Anassagora nella Grecia classica e ripresa molti secoli dopo da vari scienziati, tra cui Jöns Jacob Berzelius, Lord Kelvin, i premi Nobel Svante Arrhenius e Francis Crick, nonché da Stephen Hawking, che l’hanno sostenuta o comunque non esclusa. Secondo questa ipotesi, nota come teoria della panspermia, le forme di vita più semplici verrebbero trasportate da corpi celesti come meteoriti o comete e si diffonderebbero in tutto il cosmo, per poi svilupparsi sui pianeti che presen-tano condizioni ambientali favorevoli. I «germi» della vita, quindi, sarebbero arrivati sulla Terra da luoghi dello spazio in cui la vita era già presente. Per trasportare i semi della vita attraverso distanze interstellari sarebbe sufficiente che i corpi celesti come asteroidi, comete o perfino pianeti avessero un raggio superiore ai 100 metri e si muovessero a velocità comprese tra i 10 e i 100 km al secondo. Una volta giunti abbastanza vicini a una stella, il suo campo gravitazionale potrebbe attirarli e catturali, facendoli poi collidere con pianeti su cui diffonderebbero il materiale organico che contengono.

Una conferma alla teoria della pansper-mia sembrò arrivare nel 1996, quando la NASA annunciò di aver trovato tracce di vita fossile nel meteorite ALH84001, proveniente da Marte (Figura A). La notizia era sensazionale, tanto che il presidente degli Stati Uniti Bill Clinton volle addi-rittura dare l’annuncio della scoperta in televi-sione. Non solo si trattava della prima volta dell’e-sistenza di vita extraterrestre, ma era addirittura possibile che la vita sulla Terra fosse arrivata dal Pianeta Rosso.

Nel meteorite ALH84001 sono state osservate microscopoche strutture di forma tubulare (Figura B), con un diametro 100 volte inferiore a quello di un capello umano. Alcuni scienziati le hanno interpretate come microfossili di organismi molto semplici, simili a batteri, che sarebbero vissuti su Marte 3,6 miliardi di anni fa. Nonostante l’iniziale entusiasmo, oggi la maggior parte degli scienziati ritiene che le microscopi-che strutture presenti in ALH84001 non siano una prova sufficiente dell’esistenza di vita extra-terrestre nel passato di Marte, poiché strutture molto simili possono formarsi anche in assenza di attività biologica.

Dallo spazio interstellare, però, se non vere e proprie forme di vita, potrebbe essere arrivato almeno qualche composto organico fondamentale per i processi biologici. Alcuni studi dimostrano infatti che le molecole organiche più semplici si possono formare spontaneamente e in grande quantità nello spazio, ed è quindi verosimile che

Figura A Diverse immagini della superficie di Marte inviateci dalle missioni spaziali sembrano confermare che attualmente su questo pianeta non ci siano tracce di vita.

Figura B Micrografia al microscopio elettronico a scansione del meteorite ALH84001. La struttura tubulare, colorata artificialmente di giallo, era stata interpretata come un microfossile.

esse siano state depositate sulla Terra primitiva da comete e meteoriti.

Una prova a favore di questa ipotesi è stata la scoperta di oltre 100 amminoacidi in un meteorite trovato nel 1969 in Australia e conosciuto come «Murchison» (Figura C).

Più recentemente, nel 2000, nel lago ghiac-ciato di Tagish in Canada è stato rinvenuto un meteorite proveniente dai confini del Sistema solare in cui gli scienziati della NASA hanno osservato microcavità contenenti sostanze organiche.

Recenti studi hanno rilanciato la teoria della panspermia galattica. Nel 2018, tre astrofisici dell’università di Harvard hanno pubblicato un articolo in cui sostenevano che se la panspermia operasse su scala galattica, nel cosmo sarebbero veramente pochi, o forse nessuno, i pianeti (dotati di specifiche condizioni ambientali) privi di forme viventi. D’altra parte, degli oltre 4000 pianeti extrasolari finora individuati, pochissimi presen-tano caratteristiche compatibili con la vita.

Figura C Sul meteorite Murchison, caduto in Australia nel 1969, sono stati trovati oltre 100 amminoacidi.

PER SAPERNE DI PIÙ

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I fossili raccontano l’evoluzione dei viventi nel corso delle ere geologiche È molto difficile ricostruire in che modo, dai primitivi coacervati ipotizzati da Oparin, si siano evoluti i primi aggregati cellulari. Le più antiche tracce fossili di cel-lule sono state rinvenute in Groenlandia e risalgono a 3,7 miliardi di anni fa, ossia circa 1 miliardo di anni dopo la formazione della Terra. Si tratta di stromatoliti, formazioni rocciose originate da microscopici organi-smi unicellulari simili a batteri e capaci di svolgere la fotosintesi. La loro struttura, però, è già notevolmente complessa, quindi la prima cellula dev’essere in realtà molto più antica.

I primi esseri viventi appartenevano ai procarioti (organismi formati da cellule semplici e prive di nu-cleo) e comparvero durante il Precambriano, quel lunghissimo lasso di tempo che va dall’origine della Terra fino a 543 milioni di anni fa. Il Precambriano viene suddiviso in tre eoni (Figura 7): Adeano (prima di 3,8 miliardi di anni fa), Archeano (3,8 - 2,5 miliardi di anni fa) e Proterozoico (2,5 miliardi - 543 milioni di anni fa). Fino alla comparsa degli eucarioti (organi-smi formati da cellule il cui DNA è racchiuso da una membrana) intorno a 1,6 miliardi di anni fa (quindi sempre nel Precambriano), i procarioti sono stati l’u-nica forma di vita sul nostro pianeta; oggi i procarioti sono rappresentati dai batteri e dagli archeobatteri, che sono diffusi in ogni angolo della biosfera. Dai primi eucarioti, invece, sono discesi tutti gli organi-smi pluricellulari.

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Figura 7Le principali suddivisioni della storia della Terra.

LA STORIA DELLA VITA SULLA TERRA2

LEZIONELe nostre conoscenze sull’evoluzione biologica av-venuta prima della fine del Proterozoico sono molto scarse a causa dell’assenza di testimonianze fossili, cancellate dai numerosi sconvolgimenti geologici che, nel corso del tempo, hanno interessato la Terra.

In formazioni geologiche più recenti, invece, i reperti diventano progressivamente più abbondanti, tanto da giustificare un’ulteriore suddivisione dell’e-one in cui stiamo vivendo (il Fanerozoico) in tre unità temporali più brevi, le ere geologiche (Paleozoico, Mesozoico e Cenozoico).

Le ere geologiche, a loro volta, sono state suddivise in periodi e i periodi, talvolta, in epoche. L’ultima epoca, ossia quella recente, è iniziata circa 10 000 anni fa ed è ricca non solo di fossili, ma anche di documenti storici di vario genere lasciati dalle diverse civiltà.

Nel Paleozoico si diversifica la vita animaleDi recente sono stati trovati in Gabon, in Africa cen-trale, i resti di presunti organismi pluricellulari capaci di muoversi che risalgono a ben 2,1 miliardi di anni fa. Se confermata, la scoperta anticiperebbe la comparsa della pluricellularità di 1,5 miliardi di anni rispetto a quanto creduto finora (600 milioni di anni fa) e, di conseguenza, anche l’evoluzione dei primi eucarioti dovrà essere rivista.

Di sicuro all’inizio dell’era paleozoica, cioè duran-te il Cambriano (543 - 490 milioni di anni fa), erano già presenti diversi modelli di organismi. Le più antiche testimonianze di vita animale risalgono al Precam-briano e provengono da reperti fossili trovati presso le Ediacaran Hills in Australia.

Altre testimonianze più recenti sono state indivi-duate in Canada, in particolare presso una formazione

8

rocciosa detta Burgess Shale famosa per la spettacolare varietà di specie (Figura 8). Questo sito, infatti, ha resti-tuito i fossili degli antenati di molti organismi attuali.

Proprio in quel periodo, circa 543 milioni di anni fa, si verificò uno degli eventi più importanti per la storia della vita sulla Terra, la cosiddetta esplosione

cambriana, ovvero la comparsa, relativamente ra-pida, di tutte le specie dirette antenate delle odierne forme di vita. Da questo momento in poi, le conoscen-ze a disposizione sull’evoluzione della vita diventano molto più precise grazie all’elevato numero di reperti fossili che ci sono pervenuti.

Gli altri cinque periodi dell’era paleozoica si di-stinguono per i diversi eventi che li caratterizzano, come il moltiplicarsi di forme di vita marina (tra cui i primi vertebrati) e la comparsa di un gran numero di piante terrestri; nell’era paleozoica è cominciata anche la colonizzazione delle terre emerse da parte degli anfibi e sono apparsi i primi rettili.

A

B

Figura 8(A) Un gruppo di ricercatori alla Burgess Shale nel Yoho National Park, in Canada; (B) i trilobiti erano artropodi marini che si estinsero al termine dell’era paleozoica.

L’era paleozoica termina circa 250 milioni di anni fa con un avvenimento catastrofico ancora oggi avvolto dal mistero. L’ipotesi più accreditata sulle cause sca-tenanti è un drastico e improvviso cambiamento cli-matico, dovuto forse a una glaciazione che abbassò il livello degli oceani, a colossali eruzioni vulcaniche in Siberia, con l’emissione in atmosfera di una quantità di ceneri così elevata da oscurare il Sole, oppure alla caduta di un grande meteorite nel territorio dell’at-tuale Cina. Di fatto, questo evento è considerato il più catastrofico di tutta la storia del nostro pianeta e portò alla scomparsa dell’85-90% delle specie presenti, so-prattutto di quelle marine (estinzione permiana).

Il Mesozoico è considerato l’era dei dinosauri L’era mesozoica, che va da 245 a 65 milioni di anni fa, viene suddivisa in tre periodi: Triassico, Giurassico e Cretaceo. Si ritiene che nel corso di questa era geologica il clima fosse piuttosto caldo e secco. Le terre emerse erano popolate soprattutto da conifere e da rettili tra i quali, soprattutto durante il Giurassico, i dinosau-ri erano il gruppo dominante. Questi animali erano diffusi in tutti gli ambienti terrestri e marini con una grande varietà di specie di ogni forma e dimensione: alcuni diventarono i più grandi animali terrestri mai vissuti (Figura 9A). In questo periodo cominciano a diffondersi anche piccoli mammiferi e i primi uccelli (Figura 9B), compaiono le piante con fiori (angiosper-

me) e il supercontinente Pangea inizia a frammentarsi.Anche il Mesozoico termina con un’estinzione di

massa, provocata probabilmente dalla caduta di un meteorite nella penisola dello Yucatán, in Messico. Potrebbero aver giocato un ruolo anche le imponenti eruzioni vulcaniche, risalenti allo stesso periodo, che in India hanno dato origine ai Trappi del Deccan, un enorme tavolato basaltico. In ogni caso, si verificò un repentino cambiamento climatico, che spazzò via il 75% delle specie animali e vegetali. Finì anche l’era dei grandi dinosauri, che avevano dominato il pianeta per 150 milioni di anni; non tutti, però, si estinsero: gli uccelli, che discendono da un gruppo di dinosauri piumati, popolano ancora il nostro pianeta.

Nel Cenozoico si susseguono grandi glaciazioniL’era cenozoica comprende gli ultimi 65 milioni di anni e viene suddivisa non soltanto in periodi (Paleoge-

ne, Neogene e Quaternario), ma anche in epoche. Il Paleo-gene, infatti, comprende le epoche chiamate Paleocene, Eocene e Oligocene, fanno parte del Neogene le epoche Miocene, Pliocene, mentre il Quaternario comprende Pleistocene e Olocene, l’epoca attuale. Molti scienziati


Figura 9(A) I dinosauri ebbero una grande diffusione durante il periodo Giurassico, ma si estinsero al termine dell’era mesozoica per una catastrofe planetaria che modificò drasticamente il clima. (B) Il fossile di Archaeopteryx conservato al Museum für Naturkunde di Berlino.

A B

concordano nel collocare l’inizio di una nuova epoca, l’Antropocene, intorno agli anni Cinquanta del secolo scorso, quando gli esseri umani hanno cominciato ad avere un impatto sul pianeta, a partire dai test nucleari con le bombe all’idrogeno.

Il clima nel Cenozoico è mediamente più freddo ri-spetto al Mesozoico e, partire dal Miocene si susseguo-no varie glaciazioni alternate a periodi interglaciali. Le angiosperme, che continuano la coevoluzione con gli insetti, diventano le piante dominanti rimpiazzan-do in molti ambienti le gimnosperme (che compren-dono le conifere). Tra gli animali compaiono molte nuove forme di pesci, uccelli e si osserva una notevole diversificazione della classe dei mammiferi. Tra que-sti figurano giganti come il mammut, il rinoceronte lanoso, il megaterio (un bradipo gigante), il megaloce-ro (o alce irlandese) e l’orso delle caverne (Figura 10). Alla fine delle grandi glaciazioni del Pleistocene, però, questa megafauna era quasi del tutto estinta, probabil-

Figura 10Alcuni rappresentanti della megafauna che viveva nel nord della Spagna durante l’ultima glaciazione del Pleistocene; una popolazione superstite di mammut nani sopravvisse sull’isola di Wrangel, in Siberia, fino al 1700 a.C..

1. L’eone in cui stiamo vivendo, il Fanerozoico, non comprende l’era

A Paleozoica. B Mesozoica. C Proterozoica.D Cenozoica.

2. L’esplosione cambriana fuA una colossale eruzione vulcanica

che estinse i dinosauri.B la veloce comparsa di molte specie

avvenuta nell’era paleozoica.

C la caduta di un meteorite che innescò un’estinzione di massa.

D l’enorme sviluppo dei rettili con la diffusione dei dinosauri.

3. Completa le frasi scrivendo il nome della relativa era geologica.

a. Nel . . . . . . . . . . . . . . . compaiono i primi mammiferi.

b. Nel . . . . . . . . . . . . . . . gli anfibi colonizzano le terre emerse.

c. Nel . . . . . . . . . . . . . . . si estinguono i dinosauri.


l’era . . . . . . . . . . . . . .

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comprende:

in cui avviene nota comecaratterizzata

da

Il Fanerozoico

mente anche a causa dei cambiamenti climatici, ma soprattutto per la caccia accanita da parte di un nuovo temibile predatore: Homo sapiens.

10

Le cellule sono le unità fondamentali degli esseri viventi Se volessimo analizzare il grado di complessità della materia vivente, metteremmo al livello più basso di questa ipotetica scala gli atomi; al secondo posto avremmo le molecole, ossia l’aggregazione di due o più atomi, come per esempio la molecola dell’acqua (H2O = 2 atomi di idrogeno e 1 di ossigeno) o una mole-cola organica fondamentale per gli organismi viventi come il glucosio (C6H12O6 = 6 atomi di carbonio, 12 di idrogeno e 6 di ossigeno).

A un livello superiore di organizzazione, le mo-lecole possono interagire tra loro per dare origine a strutture complesse e straordinariamente organiz-zate, le cellule (che studieremo più in dettaglio nei prossimi capitoli). La cellula è l’unità di base degli esseri viventi, dal momento che tutti gli organismi sono formati da una o più cellule (Figura 11).

Le caratteristiche generali che contraddistinguo-no una cellula da altri sistemi chimici sono:• l’esistenza di una membrana (Figura 12), e, spesso,

anche di una parete cellulare che separa la cellula dall’ambiente circostante e le permette di mante-nere una propria identità chimica;

• la presenza di enzimi, complesse molecole essen-ziali per lo svolgimento delle reazioni chimiche da cui dipende la vita;

• la capacità di duplicarsi e di trasmettere le informa-zioni genetiche ereditarie alle cellule figlie;

• la possibilità di trasformarsi nel tempo, per esem-pio durante i processi di invecchiamento, ma anche per l’accumulo di mutazioni che possono portare a cambiamenti evolutivi oppure all’insor-genza di malattie.

Figura 11Tutti gli organismi sono costituiti da cellule simili, specializzate per svolgere funzioni diverse.

Figura 12Una semplice alga verde coloniale formata dall’unione di alcune cellule.

LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI3

LEZIONETutte le cellule possiedono una membrana esterna e materiale ereditarioCome abbiamo visto, i procarioti hanno preceduto gli eucarioti nella storia della vita sulla Terra. Ma quali caratteristiche li accomunano e quali li distinguono? Per cominciare, i loro nomi derivano dai due tipi prin-cipali di cellule che possiedono, le cellule procariote e quelle eucariote, che hanno in comune due carat-teristiche fondamentali (Figura 13): una membrana esterna, detta membrana cellulare, che separa la cellula dall’ambiente esterno, e il materiale genetico (l’infor-mazione ereditaria), che dirige le attività della cellula e le consente di riprodursi, trasmettendo i propri ca-ratteri ereditari ai discendenti.

Una differenza evidente fra questi due modelli di cellule è la loro dimensione: le eucariote sono più gran-di (10-100 μm; il micrometro, o micron, è la millesima parte del millimetro) delle procariote (1-10 μm) e in genere sono anche molto più complesse. Contengono infatti un nucleo che racchiude il materiale genetico e un gran numero di strutture circondate da membrana (organuli) che le cellule procariote non possiedono. La Tabella 1 riassume le principali differenze tra i due tipi cellulari.


parete

cellulare

esterna

membrana

cellulare

membrana

cellulare

vacuolo

contrattile

nucleo

Figura 13Disegno e fotografia al microscopio (A) di una cellula procariote (un batterio) che si sta dividendo, e (B) di una cellula eucariote (un’ameba).

Nelle cellule procariote il materiale genetico è presente sotto forma di una grossa molecola circolare chiamata cromosoma.

Il cromosoma non è contenuto in un nucleo, ma si trova in una particolare zona della cellula detta nucleoide.

I cromosomi sono circondati da una doppia membrana nucleare, che li separa dalle altre strutture cellulari e forma un nucleo distinto (il puntino nero dell’immagine).

Nelle cellule eucariote il patrimonio genetico è contenuto in un certo numero di cromosomi.

A

B

Cellula procariote Cellula eucariote

cromosomi presente (uno solo) presenti (più d’uno)membrana cellulare presente presentemembrana nucleare assente presenteorganuli circondati da membrana

assenti presenti

parete cellulare presente presente (solo nelle piante e nei funghi)

Tabella 1Principali differenze tra procarioti ed eucarioti.

Le cellule eucariote sono nate inglobando cellule procarioteIl passaggio dalla cellula procariote a quella eucariote è stato un evento di enorme importanza nella storia della vita sulla Terra. La teoria endosimbiontica, for-mulata alla fine degli anni Sessanta del secolo scorso dalla biologa statunitense Lynn Margulis, offre una plausibile ricostruzione del processo. Secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti, gli organuli che forniscono alla cellula l’energia necessaria a compie-re tutte le funzioni vitali, deriverebbero da antichi procarioti che furono inglobati in cellule di maggiori dimensioni (Figura 14).

I procarioti avrebbero poi dato origine a un rap-porto di simbiosi mutualmente vantaggioso: la cellu-la più grande avrebbe garantito l’apporto di molecole inorganiche e sali minerali, mentre i procarioti avreb-bero fornito energia e, in alcuni casi, anche molecole

mitocondriocloroplasto

cellula ancestrale

Figura 14La teoria endosimbiontica spiega la formazione di una cellula eucariote.

Procariote eterotrofo da cui hanno avuto origine i mitocondri.

Procariote autotrofo da cui hanno avuto origine i cloroplasti.

Mitocondri e cloroplasti all’interno di una cellula vegetale (fotosintetica).

organiche. La teoria viene detta «endosimbiontica» perché prevede una simbiosi mutualistica, ossia un rap-porto di reciproco vantaggio tra due organismi.

L’ipotesi che mitocondri e cloroplasti (questi ulti-mi esclusivi delle cellule vegetali) possano discendere da procarioti che prima conducevano una vita indi-pendente è confermata dal fatto che entrambi questi organuli sono gli unici che conservano una piccola quantità di materiale genetico al proprio interno (mentre tutto il resto è contenuto nel nucleo della cellula, come vedremo nel Capitolo 3).

I processi che hanno portato alla comparsa delle prime cellule eucariote sono stati sicuramente molto lenti; si calcola, infatti, che siano trascorsi quasi 2 miliardi di anni dalle prime cellule procariote (circa 3,9 miliardi di anni fa) alla prima cellula dotata di un nucleo delimitato da una membrana (oltre 2 miliardi di anni fa).

12

Le cellule ottengono energia in diversi modi Un’altra caratteristica fondamentale che contraddi-stingue le cellule degli esseri viventi è il modo in cui soddisfano le loro esigenze energetiche. Gli organismi che dipendono da fonti esterne di molecole organiche sono chiamati eterotrofi (dal greco etero-, che signi-fica «altro», e trophé, «nutrirsi»). Tutti gli animali e i funghi, così come molti organismi unicellulari, sono eterotrofi.

Sono detti autotrofi, invece, gli organismi «che si nutrono da soli», cioè che non hanno bisogno di molecole organiche provenienti da fonti esterne per ottenere energia e materiali da costruzione; questi organismi, infatti, sono in grado di sintetizzare, ossia produrre, le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche semplici (vedi Scheda 2). Molti

autotrofi, tra cui le piante e numerosi tipi di organismi unicellulari, sono fotosintetici poiché la loro fonte di energia per le reazioni di sintesi è la luce solare (Figu-ra 15A). Alcuni semplici organismi unicellulari sono invece chemiosintetici, cioè catturano l’energia libe-rata da particolari reazioni inorganiche per attivare i loro processi vitali, tra cui la sintesi delle molecole organiche complesse (Figura 15B).

La Figura 16 mostra un esempio di un attuale eu-cariote unicellulare fotosintetico, l’alga Chlamydo-

monas, che vive comunemente negli stagni d’acqua dolce, vicino alla superficie, dove l’intensità lumino-sa è maggiore. Questi minuscoli organismi, capaci di muoversi molto rapidamente con un caratteristico movimento a scatti, appaiono verdi per la presenza di clorofilla all’interno del loro unico cloroplasto, che occupa gran parte della cellula.

A BFigura 15(A) I cianobatteri sono organismi fotosintetici; nella fotografia si possono osservare diversi individui di Nostoc, un cianobatterio filamentoso. (B) I batteri del genere Thiothrix formano colonie filamentose e sono chemiosintetici, poiché ottengono energia dalle soluzioni sulfuree emesse dalle sorgenti idrotermali dei fondali oceanici.

parete cellulare

membrana

cellulare

cloroplasto

amido

membrana

nucleare

nucleo

mitocondrio

base del

flagello

A BFigura 16Disegno (A) e fotografia al microscopio elettronico a trasmissione (B) di Chlamydomonas, un’alga unicellulare. Questo organismo eucariote contiene un nucleo avvolto da membrana, numerosi organuli e granuli di amido che costituiscono le riserve nutritive dell’organismo.


1. A differenza delle cellule eucariote, le cellule procariote

A hanno una membrana cellulare esterna.

B possiedono numerosi cromosomi.C sono prive di una membrana

nucleare.D contengono pochi organuli

cellulari.

2. Una cellula èA l’insieme di più atomi legati tra

loro.B l’unità di base degli esseri viventi.C una membrana intorno ad atomi

di H e O.D l’unione di più molecole.

3. Gli organismi eterotrofi (2 risposte esatte)

A dipendono da fonti esterne di molecole organiche per il loro fabbisogno energetico.

B sono in grado di assemblare molecole organiche ricche di energia a partire da composti inorganici.

C sono tutti organismi fotosintetici in grado di catturare l’energia del Sole.

D comprendono solo organismi unicellulari sia fotosintetici sia chemiosintetici.

E comprendono i funghi e tutti gli animali.


nelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

si aggregano

che hanno 4 caratteristiche

che interagiscono formando

Gli atomi

Le prime cellule erano autotrofe?

Nonostante la loro relativa semplicità, le prime cellule avevano anch’esse bisogno di un riforni-mento continuo di energia per nutrirsi, crescere e riprodursi. Alcuni scienziati ipotizzano che queste cellule fossero eterotrofe: per alimen-tarsi avrebbero assimilato le molecole organiche presenti nel «brodo» primordiale, le stesse usate dalle cellule per autoassemblarsi.

Secondo questa ipotesi, a mano a mano che le cellule primitive aumentarono di numero, comin-ciarono a esaurire le molecole complesse da cui dipendeva la loro esistenza. Una volta ridotta la riserva di queste molecole, iniziò una forma di competizione: le cellule che erano in grado di uti-lizzare in maniera più efficiente le limitate fonti di energia disponibili avevano più probabilità di sopravvivere e di riprodursi rispetto alle cellule meno capaci. Col passare del tempo, comparvero cellule che erano capaci di sintetizzare molecole organiche a partire da semplici sostanze inorga-niche.

Le scoperte più recenti, tuttavia, sono più orientate verso l’ipotesi che le prime cellule potessero essere autotrofe, chemiosintetiche o fotosintetiche, piuttosto che eterotrofe. Innanzi-tutto, sono stati trovati numerosi tipi di procarioti chemiosintetici con caratteristiche che avrebbero permesso loro di prosperare nelle condizioni ambientali estreme presenti sulla giovane Terra. Alcuni di questi microrganismi, come i metanogeni (Figura A), possono vivere soltanto in assenza di ossigeno, una condizione predominante sulla Terra primordiale; altri, invece, sono stati trovati

Figura A I metanogeni di questa micrografia sono in grado di produrre metano (CH4) e acqua (H2O) a partire da diossido di carbonio (CO2) e idrogeno gassoso (H2).

negli abissi oceanici in prossimità delle sorgenti idrotermali, fenditure della crosta terrestre da cui fuoriesce acqua bollente ricca di minerali che alimenta la chemiosintesi. Si è scoperto, grazie ad analisi filogenetiche, che questi procarioti estremi sono i discendenti di gruppi antichissimi e un tempo molto più diffusi.

Inoltre, in alcuni esperimenti che simulano le condizioni ambientali della Terra di miliardi di anni fa, sono state prodotte molecole organiche che sono i precursori chimici della clorofilla delle piante; quando queste molecole vengono mescolate ad altre semplici sostanze in un

ambiente luminoso e privo di ossigeno, avvengono reazioni fotosintetiche primitive. Queste reazioni assomigliano a quelle che si svolgono in alcuni tipi di batteri fotosintetici.

Oggi i biologi non sono in grado di stabilire con certezza se i primi organismi fossero eterotrofi o autotrofi, ma è certo che, senza l’evoluzione degli autotrofi, la vita sulla Terra sarebbe durata molto meno. Con la comparsa della fotosintesi, il flusso di energia nella biosfera assunse la sua forma attuale dominante: l’energia radiante del Sole è trasmessa, attraverso gli autotrofi fotosintetici, a tutte le altre forme di vita.

PER SAPERNE DI PIÙ

2

14

La genesi della teoria cellulareNel 1665, lo scienziato inglese Robert Hooke, utiliz-zando un microscopio di sua invenzione (Figura 17A), notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano forma-ti da piccole cavità separate da pareti (Figura 17B); egli chiamò queste cavità «celle», cioè «piccole stanze». Il termine «cellula» ha assunto il significato di unità di base della materia vivente quasi due secoli dopo la scoperta di Hooke.

Nel 1838, il botanico tedesco Matthias J. Schlei-

den giunse alla conclusione che tutti i tessuti vege-tali fossero costituiti da insiemi organizzati di cel-lule. L’anno seguente, lo zoologo tedesco Theodor

Schwann estese le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli esseri viventi.

Nel 1858, l’idea che tutti gli organismi fossero formati da una o più cellule assunse un significato ancora più ampio, quando l’anatomopatologo tede-sco Rudolf Virchow affermò che le cellule possono essere originate soltanto da altre cellule preesistenti: «Quando una cellula esiste, ci deve essere stata una cellula preesistente, proprio come un animale si ori-gina solo da un animale e una pianta si origina solo da una pianta».

Secondo l’attuale formulazione, la teoria cellula-

re condivisa dal mondo scientifico stabilisce che:1. tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più

cellule che hanno una struttura simile, possiedono membrane interne ed esterne, materiale genetico formato da DNA, organuli con funzioni specifiche e un liquido gelatinoso che tiene in sospensione tutti questi materiali;

2. le reazioni chimiche di un organismo, compresi i meccanismi di liberazione dell’energia (ovvero le reazioni di respirazione cellulare che studieremo

AB C

Figura 17(A) Rappresentazione del microscopio messo a punto da Robert Hooke (1635-1703); grazie a questo strumento, Hooke riuscì a vedere delle cellule di sughero simili a quelle della figura (B). (C) Ritratto di Hooke.

I MICROSCOPI E LA TEORIA CELLULARE4

LEZIONEpiù avanti) e le reazioni di biosintesi di moleco-le organiche complesse, hanno luogo all’interno delle cellule;

3. le cellule si possono originare soltanto da altre cellule;

4. le cellule custodiscono le informazioni ereditarie degli organismi cui appartengono, e queste ven-gono trasmesse dalla cellula madre alla cellula fi-glia; negli organismi più complessi il patrimonio genetico è dato dal processo di fecondazione, che consiste nell’unione del patrimonio paterno con quello materno.

I principali tipi di microscopi Una conoscenza approfondita delle cellule procariote ed eucariote è stata raggiunta soltanto grazie ai signi-ficativi progressi compiuti nel campo della micro-scopia. Senza l’aiuto di uno strumento ottico, infatti, l’occhio umano è in grado di distinguere oggetti che sono distanti tra loro non meno di 1/10 di millimetro, o 100 micrometri (μm). Questa capacità è detta potere

di risoluzione e corrisponde alla minima distanza che deve esistere tra due oggetti affinché questi possano essere percepiti come effettivamente separati.

La maggior parte delle cellule eucariote ha un dia-metro compreso tra i 10 e i 30 μm, circa 3-10 volte al di sotto del potere di risoluzione dell’occhio umano, e le cellule procariote sono ancora più piccole. Per di-stinguere le singole cellule e la loro struttura interna, dobbiamo utilizzare strumenti che aumentino il po-tere di risoluzione. La maggior parte delle conoscenze attuali sulla struttura cellulare è basata sull’utilizzo di tre diversi tipi di microscopi.

Il microscopio ottico (Figura 18A) permette di osservare sottili strati semitrasparenti di preparati che siano attraversabili dalla luce. L’immagine viene ingrandita grazie a una serie di lenti: l’oculare, il tubo attraverso cui si effettua l’osservazione, e uno o più obiettivi intercambiabili. L’ingrandimento totale si ottiene moltiplicando l’ingrandimento dell’ocula-re (di solito 10×) per quello dell’obiettivo (di solito


campione

immagine

su schermo

lente magnetica

di proiezione rivelatore

deflettore

del fascio

fascio di

elettroni

lente magnetica

del condensatore

fonte

di elettroni

immagine su schermo

fluorescente

lente

di proiezione

lente

dell’obiettivo

campione

fascio di

elettroni

lente del

condensatore

fonte

di elettroni

fonte

di luce

immagine vista

direttamente

lente

dell’oculare

lente

dell’obiettivo

campione

fascio di luce

lente del

condensatore

20 µm 3 µm 7 µm

A B CFigura 18Confronto tra il microscopio ottico (A), il microscopio elettronico a trasmissione (B) e il microscopio elettronico a scansione (C). Sotto ogni microscopio è presente un’immagine di spermatozoi umani che evidenzia il diverso potere risolutivo e il diverso tipo di immagine prodotta dagli strumenti.

4×, 25×, 40×, 100×). I più potenti microscopi ottici raggiungono facilmente un ingrandimento massi-mo di 1000 volte e hanno un potere di risoluzione di 0,2 μm, migliorando così la visione a occhio nudo di circa 500 volte. È praticamente impossibile costruire un microscopio ottico con una risoluzione maggiore. Per questi strumenti, infatti, il fattore limitante è la lunghezza d’onda della luce che dà origine a fenomeni di diffrazione. Agli ingrandimenti più spinti, perciò, il mi-croscopio ottico tende a perdere di risoluzione. Que-sto inconveniente può essere ridotto utilizzando la luce laser (come nel microscopio confocale a raggio

laser) o di lunghezza d’onda più piccola, per esempio la luce ultravioletta, ma per riuscire a cogliere i detta-gli più fini occorre utilizzare altri tipi di microscopi.

Particolarmente adatto all’osservazione delle strutture biologiche è il microscopio a raggi X, che

sfrutta la luce di sincrotrone e ha una risoluzione in-termedia tra quella del microscopio ottico e quella dei microscopi elettronici (nei modelli più sofisticati fino a 15 nanometri; 1nm è pari a 10-6 mm); a differenza della luce visibile, i raggi X non si riflettono né si ri-frangono facilmente.

Con il microscopio elettronico a trasmissione, o TEM, (Figura 18B) il potere di risoluzione aumenta di circa 1000 volte rispetto a quello del microscopio ottico. Ciò è possibile grazie a un’illuminazione con lunghezza d’onda molto più corta, costituita da fasci di elettroni invece che di fotoni. Le aree del campione in esame che permettono la trasmissione di elettroni (cioè le regioni «trasparenti agli elettroni») appaiono chiare, mentre le aree che disperdono elettroni (cioè le regioni «opache agli elettroni») appaiono scure. Oggi i microscopi elettronici a trasmissione offrono

16

un potere di risoluzione di circa 0,2 nm (circa due volte il diametro di un atomo di idrogeno), approssimati-vamente 500 000 volte maggiore di quello dell’occhio umano.

Sebbene il potere di risoluzione del microscopio

elettronico a scansione, o SEM, sia soltanto di 10 nm, questo strumento è diventato un mezzo d’indagine in-sostituibile per i biologi (Figura 18C). In questo micro-scopio gli elettroni non attraversano il campione, ma sono riflessi dalla sua superficie, precedentemente ri-coperta da una sottilissima lamina metallica, fornen-do così un’immagine molto dettagliata, ma soltanto del suo aspetto esterno.

I microscopi elettronici producono esclusivamen-te immagini in bianco e nero, che vengono spesso colorate artificialmente per migliorarne la visione (Figura 19).

Figura 19Varroa destructor, un acaro parassita delle api, fotografato al SEM.

Il microscopio a forza atomica (AFM), (Figura 20A)infine, ha una risoluzione inferiore al nanometro. For-nisce un’immagine topografica tridimensionale del campione (per esempio macromolecole biologiche o parti di microrganismi) e rispetto al SEM ha il vantag-gio di consentire analisi non distruttive su campioni non trattati (Figura 20B).

Figura 20(A) Un microscopio a forza atomica. (B) Pori della membrana nucleare osservati all’AFM.

A

B

1. Il microscopio ottico NON è utile per osservare

A le cellule di una foglia. B la presenza della parete cellulare.C la struttura chimica della

membrana cellulare.D il nucleo delle cellule.

2. Quale di queste affermazioni NON fa parte della teoria cellulare?

A Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule.

B Tutte le cellule si originano solo da altre cellule.

C Le cellule utilizzano processi di biosintesi che avvengono nello spazio circostante.

D Le cellule trasmettono informazioni ereditarie alle cellule figlie.

3. Completa le seguenti frasi.a. Le prime cellule furono osservate

da Robert Hooke alla fine del . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Con il microscopio elettronico a scansione è possibile vedere soltanto l’. . . . . . . . . . . . . . . di una cellula, ma non il suo . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Il microscopio elettronico a trasmissione aumenta di circa . . . . . . . . . . . . . . . volte il potere di risoluzione del microscopio ottico.


la luce, come il . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

gli elettroni, come i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

micrometri

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

può sfruttare

che ha un potere di

risoluzione di

che possono essere a

Il microscopio


LESSON 1The matter in the Universe is made up of clusters of . . . . . . . . . . . . . . . . . . such as the. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , the galaxy that contains our Solar System. Our Solar System originated from gas and dust, and its centre is the Sun, a 4.6 billion-year-old star. The gas and the dust revolving around the Sun originated the . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , i.e. Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune.According to Oparin, the appearance of life was preceded by a long sequence of events, called . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . evolution. Oparin suggests that gases in the atmosphere generated huge quantities of simple organic molecules that, once in the seas, produced the first biomolecules. In his experiments, Miller obtained different kinds of amino-acids and organic molecules, and so realised that the chemical evolution may have been followed by a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . evolution.The early, simple prokaryotic cells gave origin to eukaryotic cells, which assembled into . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . where every cell

is autonomous.Presently, all life on Earth exists in a layer called . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

LESSON 2Approximately 543 million years ago, the . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Era witnessed the so-called . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . explosion, i.e. the sudden appearance of organisms that have given origin to all current living species. About 245 million years ago, a dramatic event called . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . extinction determined the loss of 85-90% of all species living at that time.The . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (245-65 million years ago), also known as the Age of Dinosaurs, is divided into three geological periods: Triassic, Jurassic, and Cretaceous. The first birds and mammals appeared during the Mesozoic. The . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . is the current geological era, and extends from 65 million years ago to the present day.

LESSON 3All living beings are formed by one or more . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . cells are small cells provided with

a simple basic structure and no nuclear membrane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . cells are more complex: they have a nucleus containing genetic material and several organelles enclosed by a membrane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . organisms (such as animals, fungi and many unicellular organisms) depend on external sources of organic molecules, whereas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . organisms do not need organic compounds from external sources because they use photosynthesis or chemosynthesis to produce them.

LESSON 4These are the principles of the current . . . . . . . . . . . . theory state: all living beings are made up of one or more cells; chemical reactions take place inside cells; cells originate from other cells; cells contain hereditary information.The . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . microscope can magnify up to 500 times what can be seen with the naked eye, while the . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . microscope can magnify up to 1000 times. The . . . . . . . . . . . . . . . . . . . microscope only magnifies external cell walls.

SUMMING UP

Fill in the gaps using the words listed below.autotroph / biosphere / Cambrian / cell / cells / Cenozoic / chemical / colonies / electron / eukaryotic / galaxies / heterotroph /Mesozoic / Milky Way / optical /Paleozoic / Permian / pre-biological / prokaryotic / scanning electron / transmission planets

C H A P T E R A T A G L A N C E

Earth

molecules

around which orbits

and then

where appeared

atoms

stars

endosimbiotic theory

eukaryotes cells

microscopesSun

created

then appeared

then according to

only visible using

appeared

like our

Big Bang

Oparinother planets

pre-biological evolution

chemical evolution

coacervates prokaryotes cells

according toand

then by

appeared

primordial soup

and the first

TRACK 1

SINTESI E MAPPA DI FINE CAPITOLO IN ITALIANO

18

Scegli il completamento esatto.1. Il concetto di «evoluzione chimica» venne

formulato per la prima volta daA Robert Hooke.B Matthias J. Schleiden.C Stanley Miller.D Aleksandr I. Oparin.

2. Con il suo esperimento Stanley Miller dimostrò che

A in particolari condizioni ambientali possono formarsi molecole organiche.

B le cellule potevano esistere anche prive di materiale genetico.

C se le condizioni ambientali sono favorevoli possono formarsi semplici cellule.

D nel brodo primordiale erano presenti semplici cellule autotrofe e non eterotrofe.

3. Non è parte della teoria cellulare il concetto che evidenzia che

A tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule.

B tutte le cellule si originano da altre cellule.C le cellule vegetali si sono affermate grazie alla

luce del Sole.D tutte le cellule contengono informazioni

ereditarie.

4. Un interessante aspetto sull’origine delle cellule è che mitocondri e cloroplasti

A contengono entrambi tracce di materiale genetico.

B sono entrambi presenti in tutte cellule eucariote.C sono presenti solo nelle cellule eterotrofe.D svolgono importanti funzioni cellulari.

5. Gli organismi procarioti A non sono organismi viventi autonomi.B hanno svariate strutture cellulari complesse.C non possiedono materiale genetico.D non possiedono un nucleo ben definito.

6. Completa le seguenti frasi.a. Gli organismi in grado di sintetizzare le molecole

organiche che li costituiscono sono detti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Gli organismi costituiti da cellule che conservano un alto grado di autonomia funzionale sono chiamati . . . . . . . . . . . . . . . .

c. La distanza minima che deve sussistere tra due oggetti affinché questi possano essere percepiti come effettivamente separati è detta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Gli organismi che dipendono da fonti esterne di molecole organiche sono detti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Scegli i DUE completamenti esatti. Durante l’era mesozoica

A si ha un’enorme diffusione delle piante con i fiori.B i primi anfibi colonizzano le terre emerse.C la vita è ancora limitata all’ambiente acquatico.D incominciano a diffondersi i primi mammiferi.E la vegetazione sulla terraferma è costituita

soprattutto da conifere.

8. Completa la tabella inserendo le lettere corrispondenti ai pianeti, in ordine di distanza crescente dal Sole.

1 2 3 4 5 6 7 8

Sole

A. UranoB. Giove C. Marte

D. Terra E. MercurioF. Nettuno

G. VenereH. Saturno

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9. Le cellule procariote ed eucariote possono entrambe avere:1. Guanina2. Ribosomi3. Flagelli

A Solo 1 e 2B Solo 1 e 3C Solo 2 e 3 D Solo 2E Tutte

(dalla prova di ammissione al corso di laurea in medicina veterinaria, anno accademico 2019/2020)

10. Match each term with its definition.A. eukaryoteB. prokaryoteC. cell

D. microscopeE. evolution

1. the smallest structural and functional unit of an organism, which is typically microscopic and consists of cytoplasm and a nucleus enclosed in a membrane

2. an optical instrument used for viewing very small objects, such as mineral samples or cells, typically magnified several hundred times

3. a single-celled organism without a membrane around its nucleus or any other organelle

4. any organism whose cells contain a nucleus and other organelles enclosed within membranes

5. as time goes by, multicellular organisms evolved from unicellular ones

A B C D E

HANDS ON GLOSSARY

VERSO L’UNIVERSITÀ


c. Per osservare l’ingrandimento dei sottili peli che rendono vellutate le pesche si possono utilizzare i microscopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Il microscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . è quello con maggiore potere di risoluzione.

17. Nel seguente brano, barra i termini ERRATI. Secondo la teoria proposta dalla genetista Margulis, ossia la teoria cellulare / endosimbiontica, le cellule procariote / eucariote si sono originate in seguito al rapporto di simbiosi instaurato tra cellule più grandi / piccole e primitive forme di vita dotate / prive di nucleo simili ai batteri. Alcune di queste forme di vita si trasformarono all’interno delle altre cellule in cloroplasti / mitocondri in grado di utilizzare l’energia solare per svolgere la fotosintesi.

18. Vero o falso? a. La vita ha potuto avere origine

dal fatto che l’atmosfera primitiva conteneva ossigeno libero. V F

b. Gli eucarioti hanno cellule nucleate, mentre i procarioti sono cellule più piccole e sprovviste di un nucleo circondato da membrana. V F

19. Quali sono le analogie e le differenze tra una cellula procariotica e una cellula eucariotica?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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20. Perché le microsfere proteinoidi formatesi negli oceani sono ritenute i precursori delle cellule?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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21. Per quale motivo la storia dell’evoluzione degli animali e delle piante è segnata in modo determinante da grandi catastrofi come le glaciazioni o la caduta di meteoriti, nonostante gli esseri viventi abbiano dimostrato di sapersi adattare alle modificazioni climatiche?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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11. Scegli il completamento esatto. Una caratteristica che non appartiene agli organismi chemiosintetici è il fatto di essere

A costituiti da una sola cellula.B autotrofi.C dipendenti dall’assunzione di sostanze organiche

esterne.D in grado di produrre sostanze complesse.

Scegli il completamento ERRATO.12. Secondo la teoria endosimbionticaA i primi procarioti sarebbero entrati in simbiosi

reciproca, uno all’interno dell’altro.B la cellula più grande avrebbe sfruttato una cellula

più piccola.C il procariote più piccolo sarebbe diventato il

nucleo cellulare.D la cellula più piccola avrebbe fornito energia e

molecole organiche a quella più grande.

13. L’aspetto essenziale ma non spiegato dalla teoria di Rudolf Virchow riguardava

A l’origine della prima cellula.B come potessero riprodursi gli organismi vegetali.C come potessero riprodursi gli organismi animali.D dove fossero realmente presenti le cellule.

14. Scegli le DUE risposte esatte.Quali aspetti caratterizzano i procarioti?

A Non possiedono materiale ereditario. B Effettuano la fotosintesi.C Non sono veri organismi viventi.D Sono privi di un nucleo ben definito.E Hanno strutture cellulari relativamente semplici.

15. Di fianco a ogni affermazione scrivi la lettera A se essa si riferisce a una cellula animale, la lettera B se si riferisce a una cellula vegetale, la lettera C se si riferisce a una cellula procariote oppure la lettera D se si riferisce a una cellula chemiosintetica.

a. Ha membrana nucleare, cloroplasti e mitocondri. (. . . . . )

b. È autotrofa, ma incapace di svolgere la fotosintesi. (. . . . . )

c. Sono batteri, ma non pericolosi per l’uomo. (. . . . . )

d. È eterotrofa e il suo materiale genetico è circondato da una membrana nucleare. (. . . . . )

16. Completa le seguenti frasi.a. Alcuni microscopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . non sono

collegati all’elettricità, ma hanno uno specchio in grado di concentrare i raggi luminosi.

b. Per osservare la membrana nucleare di una cellula è opportuno utilizzare il microscopio elettronico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

FAI IL PUNTO: ABILITÀ

20

22. CONFRONTA

Metti in evidenza le differenze tra un microscopio ottico e uno elettronico, precisando quale dei due tipi di microscopio utilizzeresti per osservare: un batterio, un nucleo, dei cloroplasti.

Microscopio ottico Microscopio elettronico

23. GIUSTIFICA

Spiega che cosa hanno in comune una cellula autotrofa e una cellula eterotrofa e che cosa, invece, le distingue.

24. RIFLETTI

Quali pensi siano le condizioni ambientali idonee all’esistenza della vita su altri pianeti?

25. RICERCA

Volvox è un organismo coloniale fotosintetico che vive in acque dolci ed è un precursore delle alghe più complesse.Cerca informazioni su cosa rappresenta una colonia e in che cosa essa differisce da un organismo pluricellulare.

26. RIFLETTI

Quale attività è in grado di svolgere un organismo chemiosintetico? Che cosa ha in comune con un organismo fotosintetico e per quale aspetto si differenzia?

FAI IL PUNTO: COMPETENZE

Analizza la notiziaa. Osserva la figura e completa il testo.

Nell’anno accademico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i due corsi di laurea scientifica più richiesti appartengono entrambi alla facoltà di . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , questi due corsi hanno raccolto in totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iscritti. L’università che ha avuto più iscrizioni è stata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . di Roma, seguita dalle università di . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Poi rispondi alle seguenti domande.• Qual è il corso di laurea che ha avuto più iscritti?• Quanti iscritti hanno avuto chimica e fisica

insieme?

Iscritti alle facoltàscientifiche nell’a.a. 2018/2019

Tra ingegneria industriale

e dell’informazione si contano

146 577 iscritti

Universitàcon più iscritti:

La Sapienza-RomaAlma Mater-BolognaFederico II - Napoli

27 711

18 678

87 217

48 965

59 360

Ingegneriaindustriale

Ingegneriadell’informazione

Matematicae informatica

Chimica Fisica

Cerca altre fontic. Collegati al sito USTAT - Portale dei dati

dell’istruzione superiore. A questo punto rispondi alle domande in 5 righe:

• quanti studenti stranieri sono iscritti e a quali nazionalità appartengono?

• quanti sono in totale gli iscritti ai corsi universitari?

• qual è la percentuale di laureati rispetto al numero di iscritti?

• cerca i dati relativi agli iscritti dell’anno accademico 2018/2019 di un ateneo e indica quali sono le prime 3 facoltà con più iscritti.

Fai un passo in piùd. Quante persone conosci che hanno conseguito

una laurea? Intervista tre laureati e confronta le risposte. Per esempio, poni loro queste domande:

• Quale tipo di scuola superiore hai frequentato?• Sei stato soddisfatto della scelta che hai fatto?• Quando hai scelto di fare l’università?• Quale facoltà hai scelto e perché?• Che cosa ti è servito delle scuole superiori

durante gli anni all’università?• Che cosa hai fatto dopo la laurea?

D A T I I N A G E N D A

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ORIGINE ED EVOLUZIONE DELLA VITA