Capitolo 1Capitolo 1Introduzione alla biologia: esplorare la vitaIntroduzione alla biologia: esplorare la vita

Canopy craneCanopy crane

Le volpi volanti dalla testa grigia ( Pteropus poliocephalus) vivono nelle foreste di eucalipto, nel sud-est dell’Australia; diversamente dagli altri pipistrelli, hanno un’ottima vista e sono vegetariane (mangiano i boccioli di eucalipto e fichi selvatici)

Le interazioni tra la Le interazioni tra la volpe volante dalla testa volpe volante dalla testa grigia e l’eucalipto grigia e l’eucalipto incidono sulla vita di incidono sulla vita di entrambientrambi

Le volpi v. favoriscono l’impollinazione e la dispersione dei semi in luoghi anche molto lontani.

L’eucalipto fornisce nutrimento

Il disboscamento ha costretto le v. v. a migrare verso le piantagioni e i giardini delle città. Questo ha creato problemi ai quali l’uomo ha risposto con l’uccisione di numerose unità di v.v.

Il campo Il campo d’azione della d’azione della

biologiabiologia1.1 La vita ha 1.1 La vita ha un’organizzazione gerarchica un’organizzazione gerarchica in cui ogni livello strutturale ha in cui ogni livello strutturale ha come base quello sottostantecome base quello sottostante

La gerarchia strutturale della La gerarchia strutturale della vita vita delimita il campo d’azione della delimita il campo d’azione della

biologia, lo studio scientifico biologia, lo studio scientifico della vita.della vita.

La gerarchia parte dalle La gerarchia parte dalle molecole per arrivare agli molecole per arrivare agli ecosistemi.ecosistemi.

Figura 1.1

Livello di ecosistemaforesta pluviale

Livello di comunità tutti gli organismi

della foresta pluviale

Livello di organismovolpe volante

Livello di sistemasistema nervoso

Livello di organocervello

Cervello

Midollo spinale

Nervi

Livello di tessutotessuto nervoso

Livello di cellulacellula nervosa

Livello di molecolamolecola di DNA

Livello di popolazionegruppo di volpi volanti

ECOSISTEMAECOSISTEMA

è costituito dall’insieme di tutti è costituito dall’insieme di tutti gli organismi che vivono in una gli organismi che vivono in una particolare area e dalle particolare area e dalle componenti fisiche non viventi componenti fisiche non viventi dell’ambiente (come aria, suolo, dell’ambiente (come aria, suolo, luce solare). E’un’unità luce solare). E’un’unità funzionale entro la quale le funzionale entro la quale le comunità di organismi sono in comunità di organismi sono in relazione tra loro e con il loro relazione tra loro e con il loro ambiente fisico. ambiente fisico.

COMUNITA’ COMUNITA’

è costituita dall’insieme di tutti gli è costituita dall’insieme di tutti gli organismi che vivono in un organismi che vivono in un ecosistema.ecosistema.

POPOLAZIONEPOPOLAZIONE

insieme di organismi appartenenti insieme di organismi appartenenti alla stessa specie che convivono alla stessa specie che convivono nella stessa area. nella stessa area.

ORGANISMOORGANISMO

il singolo essere viventeil singolo essere vivente

Foresta pluviale

Al di sotto del livello di organismo, Al di sotto del livello di organismo, l’organizzazione gerarchica della vita l’organizzazione gerarchica della vita prosegue con:prosegue con: sistemisistemi (o apparati); (o apparati); organiorgani;; tessutitessuti;; cellulecellule (contenenti organuli); (contenenti organuli); molecolemolecole..

SISTEMA/ SISTEMA/ APPARATOAPPARATO

ORGANO TESSUTO

CELLULA

MOLECOLA ATOMO

La cellula è l’unità strutturale La cellula è l’unità strutturale e funzionale di ogni e funzionale di ogni organismo viventeorganismo vivente

È delimitata da una È delimitata da una membrana cellularemembrana cellulare

Epidermide di guancia interna

Cellule nervose

MolecoMolecola la

atomoatomo

DNA

L’intero è più complesso L’intero è più complesso della somme delle sue partidella somme delle sue parti

Nei viventi a ogni livello gerarchico strutturale emergono nuove proprietà che derivano dalle interazioni tra le diverse componenti

Proprietà emergenti

Possiamo distinguere Possiamo distinguere due tipi di cellule:due tipi di cellule:

le le cellule cellule eucarioticheeucariotiche contengono contengono organuliorganuli racchiusi in membrane, racchiusi in membrane, tra i quali un tra i quali un nucleonucleo che contiene il DNA che contiene il DNA cellulare.cellulare.

Nucleo(al cui interno si trova il DNA)

Cellula eucariotica

Cellula procariotica

DNA

Organuli

Figura 1.2

–le cellule procariotiche sono prive di questo tipo di organuli.

1.3 Gli organismi e i loro ambienti 1.3 Gli organismi e i loro ambienti formano reti interconnesseformano reti interconnesse

Ogni organismo vivente interagisce con Ogni organismo vivente interagisce con l’ambiente in cui vive formando una rete l’ambiente in cui vive formando una rete complessa di relazioni che collegano gli complessa di relazioni che collegano gli esseri viventi al loro ambiente.esseri viventi al loro ambiente.

Gli ecosistemi cono caratterizzati dal Gli ecosistemi cono caratterizzati dal trasferimento delle sostanze nutritive trasferimento delle sostanze nutritive chimiche dall’atmosfera e dal suolo, ai chimiche dall’atmosfera e dal suolo, ai produttoriproduttori, ai , ai consumatoriconsumatori, ai , ai decompositoridecompositori e indietro all’ambiente. e indietro all’ambiente.

I produttoriI produttori producono sostanza organica producono sostanza organica usando energia solare e materia inorganica, usando energia solare e materia inorganica,

gli erbivori gli erbivori ( ( consumatori di 1° ordineconsumatori di 1° ordine) ) si nutrono dei vegetali così prodotti,si nutrono dei vegetali così prodotti,

i carnivorii carnivori (o (o consumatori di 2°ordineconsumatori di 2°ordine) ) si cibano di questi animali e, infine,si cibano di questi animali e, infine,

i decompositorii decompositori decompongono il detrito decompongono il detrito organico nei suoi costituenti inorganici organico nei suoi costituenti inorganici (carbonio, azoto, fosforo, ecc.) che i (carbonio, azoto, fosforo, ecc.) che i produttori riutilizzano per produrre nuova produttori riutilizzano per produrre nuova sostanza organica.sostanza organica.

Livelli trofici

produttori

produttori

Consumatori 1°ari

Consumatori 1°ari

La rete di relazioni tra piante, animali, microrganismi e ambiente fisico rappresenta ciò che si indica come la struttura dell’ecosisstema

Ogni livello della gerarchia Ogni livello della gerarchia naturale ha una struttura naturale ha una struttura

particolare, da cui derivano particolare, da cui derivano le proprietà funzionalile proprietà funzionali

A livello di A livello di organismo, ad organismo, ad esempio, il becco esempio, il becco del colibrì funziona del colibrì funziona come una sonda come una sonda per la ricerca del per la ricerca del nettarenettare

Piramide delle biomassePiramide delle biomasse

Sole

Atmosfera

CO2

O2 CO2

H2O

Energia chimica

Apportodi

energialuminosa

Dispersione di energia

sotto forma di calore

Produttori

Riciclaggio degli elementi

chimici nutritivi

Consumatori

Decompositori

Suolo

Ecosistema

Figura 1.3

Il flusso di Il flusso di energia energia attraverso attraverso gli gli ecosistemi ecosistemi è a senso è a senso unico.unico.

Gli Gli ecosistemi ecosistemi ricevono ricevono energia energia luminosaluminosa dal sole e la dal sole e la trasformantrasformano in o in energia energia chimicachimica; ; parte di parte di essa viene essa viene infine infine dispersa dispersa nell’ambiennell’ambiente (come te (come calore). calore).

Energia chimica

Sostanze organiche + O2

Il difficile compito di Il difficile compito di classificareclassificare tassonomiatassonomia significa " significa "metodo di classificazionemetodo di classificazione““

sistematicasistematica " "disciplina che si occupa dei disciplina che si occupa dei presupposti teorici e fondazionali della presupposti teorici e fondazionali della tassonomiatassonomia". ".

L'ecologo statunitense Robert Whittaker nel 1969 propose di classificare tutti gli organismi in cinque Regni •Monere, •Protisti, •Funghi, •Piante,• Animali

La scoperta degli Archeobatteri, negli anni '70, ha indotto alcuni studiosi ad introdurre un ulteriore e più generale livello sopra i Regni, chiamato Dominio. Pertanto tutte le forme di vita rientrerebbero in uno dei tre Dominii:- Archeobatteri, - Batteri, - Eucarioti.

Eubacteria

(Eubatteri)

Archeabacteria

(Archeobatteri)

Eukarya

(Eucarioti)

Eubacteria (eubatteri) e Archeabacteria (archebatteri o archei), sono i due domini dei procarioti;

EukaryaEukarya, , è il dominio degli è il dominio degli eucarioti.eucarioti.

Gli organismi viventi Gli organismi viventi si possono classificare si possono classificare in tre grandi in tre grandi categorie categorie tassonomiche tassonomiche denominate denominate domini:domini:

3 Domini 6 regni

Studi biochimici inducono i biologi a ritenerli formati da + regni

SE

M 2

5 00

0

Figura 1.4B

I domini I domini EubacteriaEubacteria e e ArchaebacteriaArchaebacteria (procarioti): (procarioti):

SE

M 3

250

Figura 1.4A

Gli Archeobatteri sono Gli Archeobatteri sono profondamente diversi dagli profondamente diversi dagli

Eubatteri: Eubatteri: non vengono uccisi non vengono uccisi

dall'ossigeno, dall'ossigeno, possiedono enzimi non possiedono enzimi non

presenti negli altri batteri,presenti negli altri batteri, hanno una parete hanno una parete

cellulare chimicamente cellulare chimicamente diversa, diversa,

il loro RNA, non il loro RNA, non assomiglia a quello degli assomiglia a quello degli Eubatteri, né a quello di Eubatteri, né a quello di nessun altro organismo.nessun altro organismo.

Methanococcus jannischii: un archibatterio produttore di metano;

vive a temperature comprese fra i 50 e gli 80 gradi centigradi, in un mezzo contenente H2 e CO2.

Questi bizzarri Questi bizzarri organismi:organismi:

➢ possono sopportare la disidratazione, tanto da vivere in acque satura di salepossono sopportare la disidratazione, tanto da vivere in acque satura di sale (Halobacterium)(Halobacterium);;

➢ sono stati trovati sui fondali oceanici vicino a bocche eruttive a temperature di 120° ed oltre e a pressioni elevatissime che impediscono l'ebollizione dell'acqua;

➢ la loro parete è priva di peptidoglicani, catene lineari di polisaccaridi che costituiscono le pareti cellulari degli Eubatteri;

➢ le loro membrane cellulari sono costituite da catene di isoprene e non da fosfolipidi;

➢ possiedono un pigmento sensibile alla luce rossa, la alorodopsina (molto simile alla rodopsina, presente anche nella retina dei Vertebrati) che serve loro per ottenere energia.

➢ Possiamo sapere se sono questi i nostri più lontani progenitori? Studi condotti su rocce della Groenlandia occidentale che datano 3,8 miliardi di anni, hanno mostrato tracce di isoprene, cosa che fa supporre che essi siano viventi molto antichi;

EubatterEubatterii

protistiprotisti ((protozoiprotozoi e e alghealghe, che , che secondo i secondo i biologi biologi dovrebbero dovrebbero essere essere suddivisi in suddivisi in vari regni);vari regni);

FungiFungi, , PlantaePlantae AnimaliaAnimalia..

275

Il regno delle piante

Il dominio degli Il dominio degli EukaryaEukarya comprende più regni: comprende più regni:

Regno ProtistiRegno Protisti

Regno Regno piantepiante

Regno Regno FunghiFunghi

Regno AnimaliaRegno Animalia

Quanti regni in questa Quanti regni in questa immagine?immagine?

Definizione di essere vivente

•Struttura organizzata

•dotata di metabolismo,

•che si può riprodurre

•e può evolvere per selezione naturale.

Materiale genetico Organismo vivente

Metabolismo

Membrana cellulare

Metabolismo: un organismo è sistema termodinamicamente aperto Produce molecole complesse a partire da molecole più semplici

Ereditarietà/Variabilità: Bilancio tra fedeltà di copiatura e variabilità E’ necessaria un’ illimitata possibilità di combinazioni

L’unitarietà nella diversità: tutte le L’unitarietà nella diversità: tutte le forme di vita condividono una serie forme di vita condividono una serie

di caratteristiche comunidi caratteristiche comuni

•Informazione genetica

Regolazione (dell’ambiente (dell’ambiente interno);interno);

•Crescita e sviluppo

Ordine

(esistenza (esistenza di strutture di strutture ordinate););

Le molecole di DNA contengono l’Le molecole di DNA contengono l’informazione informazione genetica genetica per costruire le molecole che per costruire le molecole che costituiscono cellule e organismi.costituiscono cellule e organismi.

Il DNA si trova in tutte le cellule e l’informazione Il DNA si trova in tutte le cellule e l’informazione genetica è codificata nello stesso modo in tutti genetica è codificata nello stesso modo in tutti gli organismi.gli organismi.

•Informazione genetica

Gli aspetti caratteristici di ogni specie (e di ogni Gli aspetti caratteristici di ogni specie (e di ogni individuo) sono codificati dalle sequenze dei individuo) sono codificati dalle sequenze dei nucleotidinucleotidi, i quattro tipi di , i quattro tipi di ««mattonimattoni»» chimici che chimici che costituiscono le due catene elicoidali di DNA.costituiscono le due catene elicoidali di DNA.

A

C

T

A

T

A

C

C

G

T

A

G

T

A

crescita e sviluppocrescita e sviluppo (ogni organismo segue un modello (ogni organismo segue un modello caratteristico della propria specie);caratteristico della propria specie);

consumo di energiaconsumo di energia (per le funzioni vitali); (per le funzioni vitali); risposta agli stimolirisposta agli stimoli (provenienti dall’ambiente); (provenienti dall’ambiente); capacità di capacità di riprodursiriprodursi ed ed evolversi.evolversi.

Che cosa distingue la vita dalla non vita?

Metabolismo energeticoRisposta agli stimoli

riproduzione

evoluzione

Il naturalista inglese Charles Darwin pubblicò uno Il naturalista inglese Charles Darwin pubblicò uno dei libri più importanti e controversi che siamo mai dei libri più importanti e controversi che siamo mai stati scritti (stati scritti (L’origine delle specie per selezione L’origine delle specie per selezione naturalenaturale) in cui propose ) in cui propose la teoria dell’evoluzione la teoria dell’evoluzione per opera della per opera della selezione naturaleselezione naturale..

Figura 1.6A

L’evoluzione spiega l’unitarietà e la diversità della vitaL’evoluzione spiega l’unitarietà e la diversità della vita

Nel 1859, dopo oltre vent'anni di elaborazione dei dati che Nel 1859, dopo oltre vent'anni di elaborazione dei dati che aveva raccolto, pubblicò aveva raccolto, pubblicò

““On the Origin of Species by Means of Natural Selection”On the Origin of Species by Means of Natural Selection”

Charles Darwin ( 1809 – 1882)

Nel 1831, all’età di 22 anni partì, come naturalista di bordo della beagle, per un viaggio intorno al mondo.

Osservò, disegnò ed annotò i particolari di moltissime specie viventi

““L’origine della specie per opera della L’origine della specie per opera della selezione naturale” selezione naturale” in sintesiin sintesi

L’L’evoluzione evoluzione è un processo è un processo lento, casuale, continuo:lento, casuale, continuo:

SuperproliferazioneSuperproliferazione Variabilità continua all’interno Variabilità continua all’interno

della speciedella specie Selezione naturaleSelezione naturale e lotta per e lotta per

l’esistenza l’esistenza

hanno come risultato hanno come risultato l’l’adattamentoadattamento

Secondo Darwin la selezione naturale è alla Secondo Darwin la selezione naturale è alla base dei meccanismi dell’evoluzionebase dei meccanismi dell’evoluzione

LA SELEZIONE NATURALELA SELEZIONE NATURALE

Si basa sui seguenti punti:Si basa sui seguenti punti: Tutte le specie producono prole in eccesso Tutte le specie producono prole in eccesso

((superproliferazionesuperproliferazione) ) Gli individui presentano differenze (variabilità)Gli individui presentano differenze (variabilità) Alcune variazioni sono trasmesse ai figliAlcune variazioni sono trasmesse ai figli Non tutti gli individui si riproduconoNon tutti gli individui si riproducono Sopravvive il “più forte” e si riproduce il “più bello” Sopravvive il “più forte” e si riproduce il “più bello”

(lotta per la sopravvivenza).(lotta per la sopravvivenza).

Alcune variazioni sono trasmesse ai figli

Gli individui presentano differenze

La selezione naturale è un meccanismo di La selezione naturale è un meccanismo di ««rielaborazionerielaborazione»» che si verifica quando le popolazioni o gli che si verifica quando le popolazioni o gli organismi, con organismi, con variazioni ereditabilivariazioni ereditabili, vengono esposti a , vengono esposti a fattori ambientali che favoriscono il processo riproduttivo di fattori ambientali che favoriscono il processo riproduttivo di alcuni individui rispetto ad altri.alcuni individui rispetto ad altri.

Figura 1.6B

1

2

3

(1) Popolazione con varie caratteristiche ereditarie

(2) Eliminazione degli individui con certe caratteristiche

(3) Riproduzione degli organismi sopravvissuti

Selezione Selezione naturalenaturale

Eliminazione di individui con certe caratteristiche

Popolazione con varie caratteristiche ereditarie

Riproduzione degli organismi sopravvissuti

Biston betularia

Batteri e resistenza agli antibiotici

Che cosa è successo alle popolazioni batteriche da quando sabbiamo iniziato a combatterle con gli antibiotici?

Tutte queste crucifere derivano dalla senape selvatica

Esempio di selezione artificiale

Tutti gli organismi possiedono Tutti gli organismi possiedono adattamentiadattamenti, ossia , ossia caratteristiche che si sono evolute mediate la caratteristiche che si sono evolute mediate la selezione naturale.selezione naturale.

Orca

Pangolino

Figura 1.6C

pangolinopangolino

Le specie nascono mediante un processo di discendenza con

variazioni

Il metodo scientificoIl metodo scientifico1.7 1.7 La scienza dal latino La scienza dal latino scire scire = = conoscreconoscre::

è un mezzo per giungere a delle «conoscenze»;

ricerca le cause dei fenomeni naturali.

Queste conoscenze possono essere acquisite principalmente in due modi:

con il metodo sperimentale e con il metodo ipotetico deduttivo.

Nel Nel metodo sperimentalemetodo sperimentale gli scienziati usano il gli scienziati usano il ragionamento induttivoragionamento induttivo (un processo logico basato su un (un processo logico basato su un gran numero di osservazioni specifiche)gran numero di osservazioni specifiche) per trarre conclusioni per trarre conclusioni generali.generali.

Le osservazioni sperimentali e le conclusioni induttive sono Le osservazioni sperimentali e le conclusioni induttive sono fondamentali per comprendere la natura.fondamentali per comprendere la natura.

In biologia questo modo di studiare la natura consente di descrivere la vita ad ogni suo livello.

Le descrizioni dell’anatomia e del comportamento della Volpe volante sono esempi del metodo sperimentale descrittivo.

L’approccio sperimentale può portare ad importanti conclusioni basate sul ragionamento induttivo. Questo tipo di ragionamento trae origine da un gran numero di osservazioni. Es. “tutti gli organismi sono fatti da cellule”

numerose osservazioni Conclusione generale

Il metodo induttivoIl metodo induttivo

Nel Nel metodo ipotetico deduttivometodo ipotetico deduttivo i ricercatori tentano di i ricercatori tentano di spiegare le osservazioni verificando delle ipotesi.spiegare le osservazioni verificando delle ipotesi.

Le osservazioni sperimentali stimolano i ricercatori a porsi Le osservazioni sperimentali stimolano i ricercatori a porsi domande e a cercare spiegazioni circa le strutture e i domande e a cercare spiegazioni circa le strutture e i fenomeni; tali indagini devono essere condotte seguendo un fenomeni; tali indagini devono essere condotte seguendo un processo investigativo chiamato processo investigativo chiamato metodo scientificometodo scientifico..

Il modo di procedere che si basa sul metodo scientifico è Il modo di procedere che si basa sul metodo scientifico è chiamato chiamato ragionamento ipotetico deduttivo, o ragionamento ipotetico deduttivo, o scienza delle scienza delle ipotesi guidateipotesi guidate..

La logica deduttiva è usata per verificare le ipotesi (cioè i La logica deduttiva è usata per verificare le ipotesi (cioè i tentativi di spiegazione).tentativi di spiegazione).

Il metodo ipotetico deduttivoIl metodo ipotetico deduttivo

Dal generale Allo specifico

Il metodo scientificoIl metodo scientifico

Osservazione Osservazione Domanda - individuazione del problema Domanda - individuazione del problema

da indagareda indagare Individuazione delle variabili in giocoIndividuazione delle variabili in gioco Formulazione dell’ipotesi interpretativa – Formulazione dell’ipotesi interpretativa –

elaborazione matematica dei datielaborazione matematica dei dati Verifica sperimentale – prova di controlloVerifica sperimentale – prova di controllo Ripetizione delle verificheRipetizione delle verifiche

1.8 1.8 Utilizzando il Utilizzando il metodo metodo scientifico si scientifico si propongono e propongono e si verificano si verificano ipotesi di ipotesi di ricercaricerca

Le tappe che Le tappe che caratterizzano il caratterizzano il metodo metodo scientifico:scientifico:

Figura 1.8A

Caso ACaso AIl metodo scientifico applicato a una situazione Il metodo scientifico applicato a una situazione pratica:pratica:

OsservazioneOsservazione: La mia torcia non funziona.: La mia torcia non funziona. DomandaDomanda: Cosa non va nella mia torcia?: Cosa non va nella mia torcia? IpotesiIpotesi: Le batterie sono scariche.: Le batterie sono scariche. PrevisionePrevisione: : SeSe l’ipotesi fosse corretta, … l’ipotesi fosse corretta, … AzioneAzione: … e sostituissi le batterie usate con pile : … e sostituissi le batterie usate con pile

nuove, …nuove, … Verifica del risultatoVerifica del risultato: … : … alloraallora la torcia dovrebbe la torcia dovrebbe

funzionare correttamente.funzionare correttamente.

Caso BCaso B Negli Negli esperimenti controllati esperimenti controllati un un gruppo sperimentalegruppo sperimentale

viene messo a confronto con un viene messo a confronto con un gruppo di controllogruppo di controllo.. Il metodo ipotetico deduttivo è indispensabile per Il metodo ipotetico deduttivo è indispensabile per

analizzare i risultati di questo genere di esperimenti.analizzare i risultati di questo genere di esperimenti.

La mosca che imita il ragno arlecchino (il suo predatore) è meno predata

È il mimetismo a salvarle la vita?