Indice. 3 Fra i viventi più semplici 43 Il regno Monere 44

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1 Indice 1 Il fenomeno vita 1 Che cos è la vita? 2 Il ciclo vitale 3 Le funzioni vitali 4 L organizzazione cellulare: la cellula 6 La cellula animale 8 La cellula vegetale 10 Cellula eucariote e cellula procariote 11 Qualcosa di più La cellula: un villaggio autosufficiente 12 Il microscopio 13 Osserviamo alcune cellule 14 La riproduzione cellulare 16 Le cellule si differenziano e... si organizzano 18 La riproduzione dei viventi 20 Qualcosa di più La riproduzione asessuata 21 Notizie e curiosità I tropismi delle piante 22 Storia delle scienze L invenzione del microscopio 23 DA RICORDARE 24 Parole chiave 25 Verifica 25 2 La varietà dei viventi 27 Le categorie sistematiche 28 Il concetto di specie 29 I cinque regni dei viventi 30 Dalla specie al regno 32 La nomenclatura binomia 34 Classificazione ed evoluzione 35 Notizie e curiosità Relazioni di parentela 36 Storia delle scienze Da Aristotele a Linneo 38 DA RICORDARE 40 Parole chiave 41 Verifica 41 3 Fra i viventi più semplici 43 Il regno Monere 44 Qualcosa di più Fra i batteri 46 Il regno Protisti 48 Qualcosa di più I virus 50 Il regno Funghi 52 Vari tipi di funghi 54 Qualcosa di più Funghi parassiti, saprofiti e simbionti 56 Salute e sicurezza Microrganismi pericolosi per la salute 58 Attenzione ai funghi 60 Storia delle scienze Robert Koch 62 Alexander Fleming: la scoperta del primo antibiotico 63 DA RICORDARE 64 Parole chiave Verifica Nel regno Piante 69 Classifichiamo le piante 70 Alghe e briofite 72 La radice: struttura e funzioni 74 Il fusto: struttura e funzioni 76 Qualcosa di più Dalla radice alle foglie 78 La foglia 80 Le funzioni della foglia 82 La fotosintesi clorofilliana 84 Notizie e curiosità Radici e fusti... di vari tipi 86 DA RICORDARE 88 Parole chiave 89 Verifica 89 5 Fra le piante superiori 93 Le tracheofite: pteridofite e spermatofite 94 Le angiosperme: il fiore 96 Qualcosa di più Fiori e infiorescenze 97 Il ciclo riproduttivo delle angiosperme: l impollinazione 98 La fecondazione: semi e frutti 100 Disseminazione e germinazione 102 IV

2 Le gimnosperme 104 La classificazione delle piante 106 Notizie e curiosità Le gimnosperme 107 Monocotiledoni e dicotiledoni 108 Non sempre il seme... è necessario 110 Veri frutti e falsi frutti 112 Salute e sicurezza Le piante possono curarci 114 Polline e allergie 116 DA RICORDARE 117 Parole chiave Verifica Il regno Animali 121 Caratteristiche fondamentali 122 Le funzioni della vita vegetativa 124 Le funzioni della vita di relazione 126 La classificazione degli animali 128 Notizie e curiosità Diversi modi di... respirare 130 Ovipari, ovovivipari e vivipari 132 DA RICORDARE 133 Parole chiave 134 Verifica Gli invertebrati 137 I poriferi o spugne 138 I celenterati 139 Platelminti, nematelminti e anellidi 140 I molluschi 142 Gli echinodermi 144 Gli artropodi 145 Aracnidi, crostacei e miriapodi 146 Gli insetti 148 Notizie e curiosità Apparati boccali... per ogni esigenza 150 Insetti e metamorfosi 152 La simmetria, una conquista evolutiva 153 Salute e sicurezza Artropodi e uomo, una difficile convivenza 154 Attenzione anche a questi animali 156 DA RICORDARE 158 Parole chiave 160 Verifica I vertebrati 163 Dagli invertebrati ai cordati 164 I vertebrati: caratteristiche generali 166 Apparati a confronto 168 I pesci 170 Pesci ossei e pesci cartilaginei 172 Gli anfibi 173 Anuri, apodi e urodeli 174 I rettili 175 Qualcosa di più Sono tutti rettili 176 Gli uccelli 178 I mammiferi 180 Le tre sottoclassi dei mammiferi 182 Notizie e curiosità Gli uccelli, tante specie diversissime 184 Becco e artigli negli uccelli 186 I denti dei mammiferi 187 Salute e sicurezza La vipera, un serpente pericoloso 188 Per l ambiente Molte specie rischiano di sparire 190 DA RICORDARE 192 Parole chiave 193 Verifica Viventi e ambiente 197 Ciascuno nel proprio habitat 198 Popolazione, comunità e biotopo 199 Gli ecosistemi 200 Interazioni fra viventi e ambiente 202 Interazioni fra viventi 204 La catena alimentare, una precisa successione 206 Qualcosa di più Altre catene alimentari 208 Reti alimentari 210 Notizie e curiosità Strani casi di simbiosi 211 Per l ambiente Salviamo il nostro habitat 212 DA RICORDARE 213 Parole chiave 214 Verifica 214 V

3 10 Fra gli ecosistemi 217 Catene e cicli della materia 218 Le piramidi ecologiche 220 La materia circola, l energia fluisce 222 Relazioni di competizione 223 Qualcosa di più La nicchia ecologica 224 L equilibrio biologico 225 Dinamica degli ecosistemi 226 Il prato 227 Il bosco 228 Lo stagno 230 Notizie e curiosità Come nasce un bosco? 232 Salute e sicurezza Nelle catene alimentari anche veleni 233 Per l ambiente L importanza dei boschi 234 Recuperiamo i nostri ambienti 235 DA RICORDARE 236 Parole chiave 237 Verifica I grandi ambienti della Terra 239 La varietà degli ecosistemi 240 Zone climatiche e biomi 242 I biomi terrestri 244 Bioma polare e tundra 246 Taiga e foresta decidua 247 La foresta equatoriale 248 Savana e prateria 249 La macchia 250 Il deserto 251 Il bioma marino 252 Il bioma di acqua dolce 254 Notizie e curiosità I pesci abissali 256 Per l ambiente Per uno sviluppo sostenibile 257 Aree protette e zonazione 258 DA RICORDARE 259 Parole chiave 260 Verifica Il comportamento degli animali 263 Etologia, scienza del comportamento 264 Istinto e apprendimento 265 Vari tipi di apprendimento 266 L imprinting 268 Il linguaggio degli animali 270 La ricerca del partner 272 Le cure parentali 273 La difesa del territorio 274 Le società temporanee 275 Una perfetta vita sociale 276 Salute e sicurezza Rispettiamo i nostri animali 278 Storia delle scienze L etologia, una storia recente 279 DA RICORDARE 280 Parole chiave 281 Verifica Origine ed evoluzione della vita 283 Nasce la vita 284 Dalle origini a oggi 286 Qualcosa di più L ipotesi più attendibile 287 Le ere geologiche 288 Darwin: evoluzione per selezione 290 Speciazione e isolamento geografico 292 Qualcosa di più I fossili, tracce della vita 293 L albero della vita 294 L evoluzione dei vertebrati 296 Notizie e curiosità Lamarck, l evoluzione prima di Darwin 298 Perché i dinosauri sono scomparsi? 300 Storia delle scienze Da Aristotele a Redi e a Pasteur 302 Dalla teoria fissista all evoluzione 304 Il cavallo, una storia di 60 milioni di anni 305 DA RICORDARE 306 Parole chiave 307 Verifica 307 VI

4 BIOLOGIA: I VIVENTI PREREQUISITI Conoscere la struttura della materia Il fenomeno vita Il nostro pianeta è l unico nel Sistema Solare ad essere popolato da esseri viventi. Ma che cos è la vita? La materia di cui sono fatti i viventi è costituita da molecole analoghe a quelle dei corpi non viventi. Ma allora, in che cosa siamo differenti? 1 Percorso di studio Che cos è la vita? L organizzazione cellulare: la cellula OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO Ciò che saprai Le caratteristiche dei viventi: il ciclo vitale e l organizzazione cellulare La struttura e i componenti di una cellula La riproduzione cellulare La specializzazione e l organizzazione delle cellule La riproduzione dei viventi Ciò che saprai fare Riconoscere le caratteristiche della vita Riconoscere la struttura e i componenti di una cellula individuandone le funzioni Distinguere cellula animale e cellula vegetale, cellula procariote e cellula eucariote Distinguere riproduzione asessuata e sessuata Il ciclo vitale Le funzioni vitali E fra un animale e una pianta qual è la differenza? La cellula: un villaggio autosufficiente Il microscopio Osserviamo alcune cellule La riproduzione asessuata I tropismi delle piante La cellula animale La riproduzione cellulare Le cellule si differenziano e... si organizzano La cellula vegetale Cellula eucariote e cellula procariote La riproduzione dei viventi L invenzione del microscopio 1

5 BIOLOGIA: I VIVENTI Che cos è la vita? Lo studio della Terra ci ha portato ad accennare al meraviglioso fenomeno della vita come ciò che rende il nostro pianeta un ambiente speciale. Guardati intorno: nel nostro pianeta non ci sono solo aria, acqua e terra, cose non viventi, ma ci siamo noi, le piante e gli animali, un vastissimo e variegato campionario di tutto ciò che chiamiamo esseri viventi o organismi. Sono esseri viventi, come sicuramente sai, una grande quercia, i piccoli funghi, un orso polare e una piccola farfalla. Esseri, come vedi, fra loro diversissimi, che chiamiamo viventi in quanto hanno tutti in comune il meraviglioso fenomeno della vita. Ma che cos è la vita? Non è semplice dare una risposta, proprio per l immensa varietà di forme, di strutture e di manifestazioni che la vita racchiude; la biologia, cioè la scienza che studia gli esseri viventi, ha dovuto impegnarsi tantissimo per rispondere in modo completo. Noi adesso proveremo a darci una risposta partendo dall esame dei caratteri con cui la vita stessa si manifesta, provando quindi a stabilire in modo inequivocabile che cosa permette di distinguere un vivente da un non vivente, ovvero a stabilire quali sono le caratteristiche dei viventi. Tutti gli esseri viventi sono caratterizzati: dal ciclo vitale; dall organizzazione cellulare. Adesso prenderemo in esame queste due fondamentali caratteristiche. 2

6 Il ciclo vitale Il fenomeno vita 1 Caratteristica esclusiva dei viventi, che li distingue dai non viventi, è, come abbiamo modo di osservare quotidianamente, che ogni essere vivente nasce, cresce, si riproduce, muore. Diciamo quindi che: Tutti gli esseri viventi sono caratterizzati dal ciclo vitale, cioè nascono, crescono, si riproducono e muoiono. La nascita e la morte segnano l inizio e la fine del ciclo vitale, la cui durata varia da vivente a vivente. Per alcuni batteri è solo di alcuni minuti, per un moscerino di qualche giorno, per molti animali di anni, per alcune piante di centinaia e anche di migliaia di anni. 3

7 BIOLOGIA: I VIVENTI Le funzioni vitali Nel loro ciclo vitale gli esseri viventi si caratterizzano per una serie di funzioni, le funzioni vitali, che ne permettono la sopravvivenza: essi infatti si nutrono, eliminano le sostanze di rifiuto, reagiscono agli stimoli, si muovono e si adattano all ambiente. Gli esseri viventi si nutrono ed eliminano le sostanze di rifiuto Ogni essere vivente per crescere ha bisogno di assumere dall esterno le sostanze da cui ricavare materiale ed energia per la sua sopravvivenza, quindi deve nutrirsi. Ricava poi dalle sostanze di cui si nutre ciò di cui ha bisogno ed elimina, cedendoli all ambiente esterno, i rifiuti che si formano. Ogni essere vivente quindi scambia continuamente sostanze con l ambiente che lo circonda. Questa capacità prende il nome di metabolismo e si realizza mediante precise funzioni, quali la nutrizione, la digestione, la respirazione e l escrezione. Per quanto riguarda la nutrizione, esiste una differenza fondamentale fra animali e piante. Una pianta si nutre sfruttando solo l energia del Sole e sostanze inorganiche (acqua, sali minerali e anidride carbonica) che Gli animali si nutrono di sostanze organiche già pronte che si trovano in altri organismi animali o vegetali. attraverso un processo detto fotosintesi clorofilliana, riesce a trasformare nelle sostanze organiche di cui ha bisogno. Le piante, capaci di produrre da sé il proprio nutrimento, si dicono organismi autotrofi (dal greco autós, stesso, e trofé, nutrimento ); gli animali, che si nutrono di altri esseri viventi, si dicono organismi eterotrofi (dal greco éteros, altro, e trofé, nutrimento ). 4

8 Il fenomeno vita 1 Gli esseri viventi reagiscono agli stimoli Altra funzione tipica degli esseri viventi è la reazione agli stimoli che provengono dall ambiente esterno. Gli esseri viventi si muovono spontaneamente Tutti gli esseri viventi hanno la capacità di movimento spontaneo. Questa capacità è facilmente osservabile in un qualsiasi animale, ma anche le piante ne sono dotate. Un ghepardo scatta (risposta) alla vista della preda (stimolo). La mimosa accartoccia le sue foglie (risposta) se toccata (stimolo). Il girasole orienta costantemente (risposta) la sua corolla verso il Sole (stimolo). Un pesce guizza nell acqua. Una pianta carnivora chiude le sue foglie imprigionando gli insetti che vi si posano. L edera si abbarbica sui muri. Gli esseri viventi si adattano all ambiente Gli ambienti che ospitano la vita sono diversi nell aspetto (montagna, fitte foreste, deserti ecc.), nel clima (freddo polare, caldo equatoriale), nella presenza in quantità diversa di acqua (umidi, aridi ecc.). In questi ambienti gli esseri viventi vivono adattandosi alle varie condizioni ambientali con strategie che permettono loro di sopravvivere. La lepre artica ha il mantello rossiccio in estate e bianco in inverno, per mimetizzarsi con l ambiente innevato. 5

9 BIOLOGIA: I VIVENTI L organizzazione cellulare: la cellula Il ciclo vitale caratterizza in modo visibile gli esseri viventi, ma ciò che differenzia sostanzialmente la materia vivente è la sua organizzazione cellulare. La materia di cui sono fatti i viventi è costituita, come sappiamo, dagli stessi atomi che formano i corpi non viventi. Le sostanze che compongono gli esseri viventi, infatti, sono formate dagli stessi elementi chimici presenti nei corpi non viventi, quali l idrogeno, l ossigeno, l azoto, il carbonio, il fosforo e lo zolfo. In particolare, quattro di queste sostanze, il carbonio, l idrogeno, l ossigeno e l azoto, formano particolari molecole, le molecole organiche, presenti solo nei viventi. Queste molecole, combinandosi fra loro, formano l unità fondamentale degli esseri viventi: la cellula. La scoperta della cellula è legata all invenzione del microscopio, avvenuta nel Grazie a questo strumento, infatti, alcuni biologi cominciarono a osservare la struttura interna della materia vivente e a scoprire queste unità fondamentali invisibili a occhio nudo che lo scienziato inglese Robert Hooke ( ) individuò per primo in una sottile sezione di sughero e chiamò cellule. Successivamente, i biologi tedeschi Theodor Schwann ( ) e Matthias Schleiden ( ) e il medico tedesco Rudolf Virchow ( ) enunciarono la teoria cellulare degli esseri viventi, secondo la quale: L unità fondamentale di ogni essere vivente è la cellula, la più piccola unità biologica vivente. Ogni cellula si origina da un altra cellula, nasce, cresce, si riproduce e muore. Le cellule osservate da Hooke nel sughero. Nella maggior parte dei casi le dimensioni di una cellula, questa unità fondamentale invisibile a occhio nudo, sono così piccole che per esprimerle sono necessarie particolari unità di misura inferiori al millimetro: il micrometro (o micron, il cui simbolo è µm), equivalente a un millesimo di millimetro, il nanometro (nm) e l angstrom (Å). Unità di misura sottomultiple del millimetro Micrometro (µm) Nanometro (nm) Angstrom (Å) 1/1000 di millimetro 0,001 mm 1/ di millimetro 0, mm 1/ di millimetro 0, mm Una cellula animale misura dai 10 ai 20 micron e una vegetale non supera i 100 micron. Per avere un idea delle dimensioni cellulari, pensa che il diametro della capocchia di uno spillo è circa 1-1,5 mm, una misura gigantesca rispetto a quella di una cellula! 6

10 Il fenomeno vita 1 Ogni cellula, anche se così piccola, funziona in modo autonomo ed è in grado di svolgere tutte le funzioni che consentono all organismo di sopravvivere (nutrirsi, riprodursi, eliminare i rifiuti ecc.). Alcuni esseri viventi, come i batteri o i protozoi, sono formati da una sola cellula e perciò sono detti organismi unicellulari; altri più complessi, come le piante, gli animali e molti funghi, sono formati da molte cellule e perciò sono detti organismi pluricellulari. Un batterio fortemente ingrandito, organismo unicellulare. Un granchio, organismo pluricellulare. La struttura della cellula Pur presentando una serie di differenze fra loro e per dimensioni e per forma e in quanto cellule animali e vegetali, tutte le cellule nella struttura e nel funzionamento presentano caratteri comuni. In una qualsiasi cellula possiamo individuare infatti tre costituenti fondamentali: la membrana plasmatica o cellulare, il citoplasma e il nucleo. La membrana cellulare è il rivestimento che avvolge la cellula; essa regola gli scambi fra la cellula e l ambiente esterno, in quanto è in grado di selezionare le sostanze in entrata e in uscita. Il citoplasma è la massa cellulare racchiusa dalla membrana; ha consistenza gelatinosa ed è composto prevalentemente di acqua, sali minerali e sostanze organiche. In esso si trovano gli organuli, adibiti alle varie funzioni cellulari. Il nucleo è la parte centrale e più importante della cellula. Esso dirige infatti tutte le attività della cellula e provvede alla sua riproduzione grazie a una particolare sostanza, il DNA, che contiene, in codice, il piano di organizzazione e di funzionamento della cellula. Nel nucleo distinguiamo tre parti: la membrana nucleare, cioè il rivestimento che circonda il nucleo; presenta numerose aperture, i pori nucleari, attraverso le quali avvengono gli scambi di sostanze tra il nucleo e il citoplasma; i nucleoli, uno o più corpi sferici in cui avvengono alcune importanti reazioni chimiche; la cromatina, un piccolo ammasso di granuli e filamenti, che si forma dal DNA. Al momento della riproduzione cellulare, essa si addensa in piccoli bastoncini, i cromosomi, che hanno il compito di trasmettere i caratteri ereditari. pori nucleari membrana nucleare nucleolo cromatina 7

11 BIOLOGIA: I VIVENTI La cellula animale Immaginiamo di osservare una cellula animale al microscopio, osserviamone attentamente le parti e prendiamo in esame, in particolare, gli organuli presenti nel citoplasma. Nucleo Membrana nucleare Pori nucleari Membrana cellulare L APPARATO DEL GOLGI è un insieme di membrane, vesciche e vacuoli che permette di trasportare all esterno della cellula le sostanze necessarie al resto dell organismo. 8 I LISOSOMI sono vescichette sferiche il cui compito è quello di distruggere gli eventuali corpi estranei penetrati nella cellula o gli organuli deteriorati della cellula stessa. Alla loro morte, le cellule vengono smontate dai lisosomi per essere riutilizzate in altra maniera. I MITOCONDRI sono organuli a forma di salsicciotti al cui interno avvengono le reazioni chimiche della respirazione cellulare.

12 Il fenomeno vita 1 Nucleolo Cromatina I RIBOSOMI sono organuli a forma di due mezze sfere che hanno il compito di costruire le proteine, sostanze fondamentali per la sopravvivenza della cellula. Il RETICOLO ENDOPLASMATICO è una rete di canali e vescichette attraverso la quale le sostanze vengono trasportate da un punto all altro della cellula. I VACUOLI sono organuli simili a piccole vescichette rotonde al cui interno si trovano acqua, sostanze nutritive di riserva e sostanze di rifiuto destinate a essere espulse dalla cellula. Citoplasma I CENTRIOLI sono piccoli organuli di forma cilindrica che intervengono nella riproduzione della cellula. 9

13 BIOLOGIA: I VIVENTI La cellula vegetale La cellula vegetale si differenzia da quella animale per alcune caratteristiche. Osserviamole. Attorno alla membrana plasmatica la cellula vegetale presenta la parete cellulare, un ulteriore rivestimento rigido, formato soprattutto da cellulosa, che serve come protezione e sostegno. Il suo spessore varia con l età della cellula: è sottile ed elastica nelle cellule giovani, spessa e robusta nelle cellule adulte. Nel citoplasma della cellula vegetale, oltre agli organuli elencati per la cellula animale: sono presenti i cloroplasti, corpiccioli di forma e numero variabile, contenenti una sostanza verde, la clorofilla, in grado di assorbire la luce del Sole e di trattenerne l energia che viene poi utilizzata per consentire la fotosintesi clorofilliana; non sono presenti i centrioli; i vacuoli, numerosi e piccoli nelle cellule giovani, nelle cellule adulte sono particolarmente grandi e tendono a formare un unico grande vacuolo che occupa quasi tutto il citoplasma. reticolo endoplasmatico pori nucleari nucleolo cromatina vacuolo apparato del Golgi mitocondrio membrana cellulare parete cellulare 10 ribosomi membrana nucleare cloroplasto lisosoma

14 Cellula eucariote e cellula procariote Il fenomeno vita 1 Il nucleo delle cellule che abbiamo descritto è racchiuso dalla membrana nucleare e in esso, al momento della riproduzione, sono presenti più cromosomi; in alcuni organismi unicellulari, quali i batteri, la membrana nucleare è invece assente e il nucleo contiene un solo cromosoma costituito da un unica lunga molecola sparsa nel citoplasma. In base a ciò, le cellule vengono suddivise in due tipi fondamentali: cellula eucariote, il cui nucleo è provvisto di membrana nucleare e possiede più cromosomi, come quelle delle piante, degli animali e dell uomo stesso; cellula procariote, il cui nucleo è privo di membrana nucleare e possiede un solo cromosoma immerso direttamente nel citoplasma, come quelle dei batteri. Cellula eucariote Cellula procariote SE HAI IMPARATO Completa le seguenti affermazioni. Si dicono organismi eterotrofi quelli Caratteristica esclusiva dei viventi è il, secondo cui tutti gli esseri viventi L unità fondamentale di ogni essere vivente è la, la più piccola ; essa infatti si Si dicono organismi autotrofi quelli origina 11

15 Qualcosa di più La cellula: un villaggio autosufficiente O gni parte della cellula, come abbiamo visto, svolge una funzione ben precisa e permette alla cellula di condurre una vita autonoma. Possiamo immaginare la cellula come un piccolo villaggio autosufficiente, in cui troviamo le fabbriche che producono le materie prime, il personale che si occupa di assemblare, imballare e distribuire i prodotti necessari, magazzini dove stipare le provviste, una centrale elettrica che fornisce energia e così via. MEMBRANA CELLULARE Costituisce le mura della città con porte che regolano l ingresso e l uscita delle sostanze. NUCLEO È la centrale di controllo che dirige tutte le funzioni cellulari. RETICOLO ENDOPLASMATICO È una rete di trasporto. APPARATO DEL GOLGI È il magazzino in cui le materie prime vengono assemblate, imballate e distribuite. VACUOLI Sono i magazzini in cui vengono stipate le provviste. LISOSOMI Sono l impianto di smaltimento rifiuti: infatti collaborano alla demolizione delle sostanze di rifiuto. RIBOSOMI Rappresentano la fabbrica che produce le materie prime. MITOCONDRI Sono le centrali che producono energia. 12

16 Qualcosa di più Il microscopio N el campo scientifico, molte importanti scoperte si devono all uso di uno strumento indispensabile per guardare nel mondo invisibile. La scoperta dell organizzazione cellulare dei viventi, come abbiamo visto, è legata proprio all uso del microscopio. Dal rudimentale microscopio di Hooke, la tecnologia ha messo a punto strumenti sempre più perfezionati, dai moderni microscopi ottici, così chiamati perché sfruttano la luce visibile, capaci di ingrandire gli oggetti fino a 1500 volte circa, ai potenti microscopi elettronici, capaci di ingrandire gli oggetti sino a volte circa. Il microscopio ottico O sserviamo le parti principali di un microscopio ottico: la base, che serve da appoggio al microscopio; lo specchietto mobile, che riflette la luce dall apparato di illuminazione e la converge sul preparato da osservare; il diaframma, che regola la quantità di luce e la concentra sul preparato; il tavolino portaoggetti, che serve per sostenere il vetrino con il preparato; il portaobiettivi, che permette di scegliere l obiettivo adatto con un semplice movimento di rotazione; gli obiettivi, fissati al portaobiettivi, che sono un sistema di lenti a diversi ingrandimenti; il tubo, che determina la distanza fra obiettivo e oculare; l oculare, un secondo sistema di lenti che ingrandisce ulteriormente l immagine; la vite macrometrica e la vite micrometrica, che servono a regolare la messa a fuoco del preparato; il braccio, che serve per afferrare e spostare il microscopio. vite macrometrica vite micrometrica braccio base oculare tubo portaobiettivi obiettivi tavolino portaoggetti diaframma specchietto mobile 13

17 Qualcosa di più Osserviamo alcune cellule S ai usare un microscopio? Per poter osservare le cellule, è necessario che tu impari a utilizzare questo prezioso strumento. Vediamo come. Appoggia il microscopio sul piano di lavoro; scegli l obiettivo a minor ingrandimento e controlla che sia allineato con il tubo del microscopio; alza l obiettivo ruotando la vite macrometrica verso di te e appoggia il vetrino sul tavolino portaoggetti, in modo che il preparato si trovi al centro dell apertura del tavolino; abbassa il tubo del microscopio in modo che l obiettivo venga a trovarsi a 1 cm circa dal vetrino; apri quindi il diaframma e guarda attraverso l oculare; metti a fuoco l immagine ruotando lentamente la vite micrometrica verso di te finché l immagine appare nitida; quindi regola di nuovo il diaframma fino a ottenere un immagine chiara. Ricorda che il sistema di lenti inverte l immagine dell oggetto che stai osservando e che l ingrandimento totale che ottieni è dato dal prodotto dell ingrandimento dell obiettivo per l ingrandimento dell oculare, valori che sono riportati su oculare e obiettivi del microscopio che usi. P er preparare il campione ricorda infine che: il campione va tagliato in modo da ottenere una sezione molto sottile che possa essere attraversata dalla luce; tale sezione va posta sul vetrino portaoggetti (una lastrina di vetro spessa circa 1 mm) e va bagnata con una goccia d acqua o di altro liquido; il preparato va coperto con un secondo vetrino, il vetrino coprioggetti, più piccolo e sottile di quello portaoggetti. P assiamo adesso all osservazione di alcune cellule. Con una spatolina raschia delicatamente la parte interna della tua bocca, in corrispondenza delle guance. Disponi la sostanza prelevata su un vetrino portaoggetti, aggiungi una goccia d acqua e copri con il vetrino coprioggetti. Osserva al microscopio: vedrai le cellule che costituiscono la mucosa boccale. Esse sono caratterizzate da una forma piuttosto irregolare con un corpicciolo sferico al centro, il nucleo. 14

18 Il fenomeno vita 1 Spella una foglia di insalata, ad esempio una foglia di lattuga, e metti un pezzettino del tessuto che hai asportato su un vetrino portaoggetti. Aggiungi una goccia d acqua e poi copri con il vetrino coprioggetti. Ora osserva attentamente al microscopio: vedrai delle cellule vegetali e noterai dei corpiccioli verdi, i cloroplasti, che sono preposti a svolgere la funzione della fotosintesi clorofilliana; inoltre potrai vedere una parete ispessita, la parete cellulare. Taglia una cipolla e preleva il sottile velo trasparente (catafillo) che ne separa ogni strato. Distendine una piccola parte su un vetrino portaoggetti, metti una goccia d acqua e copri con il vetrino coprioggetti. Osserva al microscopio: vedrai un altro tipo di cellula vegetale, di forma allungata e a pareti più sottili, con un corpicciolo quasi al centro, il nucleo; non vedrai invece i cloroplasti. La cipolla, infatti, non è una parte verde e non svolge la fotosintesi clorofilliana. Procedi nello stesso modo con una fettina di patata, una di sedano e una di ciliegia. Confronta ciò che osservi con le immagini seguenti e descrivile. 15

19 BIOLOGIA: I VIVENTI La riproduzione cellulare Ogni cellula, come abbiamo detto, si origina da un altra cellula, nasce, cresce, si riproduce e muore. La riproduzione cellulare avviene in quanto la cellula è in grado di dividersi in due cellule figlie con un processo chiamato divisione cellulare. Negli organismi unicellulari, come vedremo, tale processo coincide con la riproduzione dell organismo stesso. Divisione cellulare. Negli organismi pluricellulari la divisione cellulare rappresenta invece il processo mediante cui l organismo si accresce moltiplicando il numero delle sue cellule o ripara i propri tessuti danneggiati o usurati. La riproduzione cellulare, detta più esattamente divisione cellulare, è il processo mediante il quale da una cellula se ne formano due, identiche alla cellula madre e fra loro. cromosoma parete cellulare membrana cellulare Come avviene la divisione cellulare? La divisione cellulare avviene in due modi diversi secondo che la cellula interessata sia una cellula procariote o eucariote. Nella cellula procariote la riproduzione cellulare avviene con una modalità detta scissione binaria. La scissione binaria inizia con la duplicazione dell unico cromosoma: il cromosoma fa cioè una copia identica a se stesso. I due cromosomi che si ottengono restano attaccati alla membrana cellulare. Quando la membrana si accresce e si allunga, i cromosomi vengono allontanati fino a separarsi completamente. A questo punto la membrana forma una strozzatura dall esterno verso l interno dividendo la cellula madre in due cellule figlie, contenenti ciascuna un cromosoma e la sua parte di citoplasma. Batterio in divisione cellulare. Queste due cellule si accrescono fino a raggiungere le dimensioni della cellula madre e, a questo punto, sono pronte per una nuova scissione. 16

20 Il fenomeno vita 1 Nella cellula eucariote la riproduzione cellulare avviene attraverso un complicato processo, detto mitosi, che si realizza in quattro fasi precedute da una fase di preparazione e seguite da un ultima fase, la fase di divisione vera e propria. Fase di preparazione Nella cellula ogni cromosoma si duplica facendo una copia identica a se stesso. 1 a fase I centrioli iniziano a migrare ai poli opposti della cellula per formare un fuso filamentoso. 2 a fase I cromosomi duplicati si dispongono al centro della cellula, rivolti verso i poli opposti di questa, attraverso il fuso filamentoso da centriolo a centriolo. 3 a fase I cromosomi si separano e si portano agli estremi della cellula, dove iniziano a formarsi i due nuclei che conterranno lo stesso numero di cromosomi iniziali; la cellula inizia a strozzarsi al centro. 4 a fase Intorno a ogni nucleo si riforma la membrana nucleare, i cromosomi riprendono l aspetto filamentoso di cromatina, la cellula si strozza sempre più e il citoplasma inizia la divisione attorno ai due nuclei. Fase di divisione Il citoplasma si suddivide attorno ai due nuclei e la cellula madre si strozza sempre più, fino a formare un solco vero e proprio di separazione. Quindi si divide completamente in due cellule figlie, attorno alle quali si riforma la membrana cellulare. 17

21 BIOLOGIA: I VIVENTI Le cellule si differenziano e Un organismo pluricellulare, come sappiamo, è formato da tante cellule: il funzionamento dell organismo stesso dipende quindi dalla cooperazione di tutte le sue cellule che, per rendere più efficiente la loro azione, si differenziano e si organizzano. Le cellule si differenziano specializzandosi nella funzione che svolgono e assumendo la forma più adatta a questa funzione. Una cellula nervosa ha ramificazioni lunghe e sottili per ricevere e trasmettere messaggi in tutto il corpo. Una cellula del sangue, ad esempio un globulo rosso, ha la forma di disco schiacciato al centro per aumentare la superficie di scambio ossigeno-anidride carbonica. Una cellula della pelle ha la forma appiattita per creare una barriera verso l esterno. Le cellule si organizzano in strutture via via più complesse per arrivare a dar vita a un organismo dalle molteplici attività. Cellule specializzate in una specifica funzione, e quindi simili tra loro per forma e dimensioni, formano un tessuto. Ad esempio, le cellule adibite al movimento, dalla forma allungata, che costituiscono i muscoli, si organizzano e creano il tessuto muscolare. Tessuti fra loro diversi ma che collaborano a una stessa funzione si organizzano e formano un organo. Ad esempio, lo stomaco è un organo formato da vari tessuti (il tessuto epiteliale, quello muscolare, quello connettivo, quello nervoso ecc.) che insieme permettono le varie funzioni dello stomaco. Organi diversi, adibiti allo svolgimento di una medesima funzione fondamentale per l essere vivente, si organizzano e formano un sistema o apparato. Ad esempio, tutti gli organi adibiti alla digestione (lo stomaco, il fegato, l intestino ecc.) formano l apparato digerente. L insieme dei vari apparati e sistemi in grado di svolgere tutte le funzioni necessarie alla vita formano l organismo. Sono organismi una pianta, un animale, l uomo stesso. A U M EN T O D I C O M PL E S S IT À CELLULA SPECIALIZZATA TESSUTO ORGANO SISTEMA O APPARATO ORGANISMO 18

22 si organizzano Il fenomeno vita 1 Osserva. cellula cellula cellula tessuto tessuto tessuto organo organo organo apparato apparato apparato organismo organismo organismo 19

23 BIOLOGIA: I VIVENTI La riproduzione dei viventi Ogni essere vivente durante il proprio ciclo vitale, come abbiamo detto, si riproduce, cioè dà vita ad altri individui a lui simili. Tale importante funzione, la riproduzione, può avvenire in due modi. Negli organismi unicellulari si parla di riproduzione asessuata, che coincide, come sai, con il processo di divisione cellulare; essa avviene quindi per divisione della cellula madre in due cellule figlie identiche alla madre e fra loro. Negli organismi pluricellulari (come approfondiremo più avanti) si parla di riproduzione sessuata in quanto avviene attraverso l incrocio di individui di sesso diverso. I due sessi, maschile e femminile, producono cellule specializzate, dette rispettivamente gameti maschili o spermatozoi e gameti femminili o cellule uovo. L unione di queste cellule specializzate è detta fecondazione e dà origine alla prima cellula del nuovo individuo, lo zigote. Da questo, per divisioni successive, si originano tutte le cellule che formeranno il nuovo individuo. 20

24 Qualcosa di più La riproduzione asessuata L a riproduzione asessuata, detta anche vegetativa in quanto più diffusa fra i vegetali, come hai visto, avviene per divisione della cellula madre. Tale suddivisione può avvenire in tre modi diversi. La scissione o divisione binaria L a cellula madre si divide in due cellule figlie mediante il processo di divisione cellulare, che può essere longitudinale o trasversale. Scissione longitudinale. Scissione trasversale. La gemmazione S ulla superficie della cellula madre si forma una protuberanza. Il nucleo si divide in due parti e una di esse si trasferisce in questa protuberanza, che contemporaneamente ingloba anche parte del citoplasma. Si genera così un nuovo individuo che può separarsi o restare attaccato alla cellula madre. Gemmazione con distacco della cellula figlia. Gemmazione senza distacco della cellula figlia. La sporulazione o divisione multipla N ella cellula madre si attuano ripetute divisioni del nucleo accompagnate da altrettante ripartizioni del citoplasma. Si originano così tante cellule figlie che, a completa formazione, fuoriescono dalla cellula madre. nucleo 21

25 Notizie e curiosità LA VITA E I VIVENTI I tropismi delle piante A bbiamo visto che una caratteristica di tutti gli esseri viventi è la capacità di reagire agli stimoli esterni con un adeguata risposta. Questa caratteristica è molto evidente negli animali ma, come abbiamo visto, anche una pianta è capace di rispondere a degli stimoli, quali luce, forza di gravità, contatto, sostanze chimiche ecc., con movimenti veri e propri detti tropismi (dal greco tropos, movimento ). Osserviamo il fototropismo, reazione alla luce, e il geotropismo, reazione alla forza di gravità. O sserva con attenzione una delle tante piante che sicuramente hai in casa. Il suo fusto e le sue foglie sono sempre rivolti verso la finestra da cui proviene la luce. Se sposti la pianta, fusto e foglie a poco a poco cambieranno orientamento... seguendo proprio la luce. Metti una pianta in una scatola chiusa, dopo aver praticato un foro su un lato. Vedrai che, crescendo, la pianta si orienterà verso la luce. M etti una piantina in posizione orizzontale, e lasciala crescere un po. A poco a poco potrai vedere il suo fusto che, per effetto della forza di gravità, si porterà in posizione verticale sviluppandosi verso l alto. 22

26 Storia delle scienze L invenzione del microscopio Siamo nella seconda metà del Cinquecento: gli scienziati del tempo, e soprattutto i biologi impegnati nello studio degli esseri viventi, trovano insormontabili ostacoli nelle loro indagini perché non riescono a vedere oggetti di dimensioni inferiori a un decimo di millimetro. F ino agli ultimi anni del XVI secolo, infatti, la lente (un cerchio di vetro biconvesso in grado di fornire solo modesti ingrandimenti) era l unico strumento che aiutava lo scienziato a scrutare il mondo del piccolissimo, ma, comprensibilmente, con modesti risultati. A gli inizi del Seicento, l olandese Antoni van Leeuwenhoek costruì il primo strumento ottico di ingrandimento: il microscopio semplice. Leeuwenhoek era un fabbricante di tessuti che si era dedicato alla costruzione di lenti contafili. Dall osservazione della stoffa egli passò ben presto all osservazione degli organismi microscopici, studiando e costruendo lenti sempre più potenti. Il suo primo microscopio era costituito da una piccola lente montata su un supporto; questo era corredato da un semplice sistema R obert Hooke è considerato l inventore del moderno microscopio composto, perfezionato da lui nel Questo microscopio era costituito da due lenti: una, chiamata obiettivo, forniva una prima immagine ingrandita; l altra, detta oculare, ingrandiva a sua volta la prima immagine. Hooke pubblicò un libro nel quale riportava i risultati delle osservazioni effettuate con il suo microscopio; grazie a questo strumento, egli riuscì a vedere per primo, in sottilissime fettine di sughero, delle cellule, da lui stesso definite prima caselle o pori e successivamente proprio cellule. di viti che permetteva di spostare opportunamente l oggetto da osservare. Leeuwenhoek è considerato, assieme a Jan Swammerdam, a Marcello Malpighi e a Galileo Galilei, uno dei grandi pionieri della microscopia. Visse a lungo e trascorse la maggior parte del suo tempo a costruire strumenti ottici e a esaminare migliaia di preparati microscopici; inoltre, disegnava con estremo rigore scientifico ciò che vedeva con il suo microscopio, inviando poi alla Royal Society di Londra i suoi disegni per metterli a disposizione degli scienziati del tempo. Il microscopio composto di Hooke. I Antoni van Leeuwenhoek. l moderno microscopio ottico presenta, al posto delle due lenti, due sistemi di lenti montati rispettivamente all inizio e alla fine di un tubo. Il potere di ingrandimento di un comune microscopio ottico è di circa 400 volte, ma i più potenti arrivano a ingrandire fino a 1500 volte. Recentemente è stato inventato il microscopio elettronico, grazie al quale si ottengono ingrandimenti fino a volte. (libero adattamento da Storia delle scienze, UTET) 23

27 BIOLOGIA: I VIVENTI Tutti gli esseri viventi sono caratterizzati dal ciclo vitale: nascono, crescono, si riproducono e muoiono. Nel loro ciclo vitale gli esseri viventi si caratterizzano per una serie di funzioni, le funzioni vitali, che ne permettono la sopravvivenza: si nutrono, eliminano le sostanze di rifiuto, reagiscono agli stimoli, si muovono e si adattano all ambiente. Le piante, capaci di produrre da sé il proprio nutrimento, si dicono organismi autotrofi; gli animali, che si nutrono di altri esseri viventi, si dicono organismi eterotrofi. Si dicono cellule eucariote quelle il cui nucleo è provvisto di membrana nucleare e possiede più cromosomi. Si dicono cellule procariote quelle il cui nucleo è privo di membrana nucleare e possiede un solo cromosoma immerso direttamente nel citoplasma. L unità fondamentale di ogni essere vivente è la cellula, la più piccola unità biologica vivente. Ogni cellula si origina da un altra cellula, nasce, cresce, si riproduce e muore. Gli esseri viventi formati da una sola cellula sono detti organismi unicellulari, quelli formati da molte cellule sono detti organismi pluricellulari. In una qualsiasi cellula possiamo individuare tre costituenti fondamentali: la membrana plasmatica o cellulare, il rivestimento che avvolge la cellula e regola gli scambi fra la cellula e l ambiente esterno; il citoplasma, la massa cellulare racchiusa dalla membrana, di consistenza gelatinosa, è composto prevalentemente di acqua, sali minerali e sostanze organiche. In esso si trovano gli organuli adibiti alle varie funzioni cellulari, quali i lisosomi, i mitocondri, i ribosomi, i vacuoli, i centrioli (assenti nella cellula vegetale), l apparato del Golgi, il reticolo endoplasmatico e i cloroplasti (solo nella cellula vegetale); il nucleo, la parte centrale e più importante della cellula. Esso dirige tutte le attività della cellula e provvede alla sua riproduzione in quanto in esso si trova il DNA, che contiene, in codice, il piano di organizzazione e di funzionamento della cellula. Nel nucleo distinguiamo la membrana nucleare, i nucleoli e la cromatina. La riproduzione cellulare, detta più esattamente divisione cellulare, è il processo mediante il quale da una cellula se ne formano due identiche alla cellula madre e fra loro. Nella cellula procariote la riproduzione cellulare avviene per scissione binaria. Nelle cellule eucariote la riproduzione cellulare avviene per mitosi, che si realizza in quattro fasi precedute da una fase di preparazione e seguite da un ultima fase, la fase di divisione vera e propria. Negli organismi pluricellulari le cellule si differenziano specializzandosi nella funzione che svolgono e assumendo la forma più adatta a questa funzione. Esse si organizzano in strutture via via più complesse: tessuto, organo, apparato o sistema, organismo. L importante funzione della riproduzione degli esseri viventi può avvenire in due modi: negli organismi unicellulari si parla di riproduzione asessuata che coincide con il processo di divisione cellulare; negli organismi pluricellulari si parla di riproduzione sessuata in quanto avviene attraverso l incrocio di individui di sesso diverso. 24

28 Il fenomeno vita 1 Parole chiave Ricopiale su un quaderno con il loro significato. Essere vivente Ciclo vitale Organismo autotrofo Organismo eterotrofo Cellula Organizzazione cellulare Cellula procariote Cellula eucariote Tessuto Organo Apparato Organismo Scissione binaria Mitosi Verifica Cio Ciò che sai 1. Quali sono le caratteristiche fondamentali degli esseri viventi? 2. Completa. a) Il ciclo vitale caratterizza gli esseri viventi in quanto loro e solo loro 7. Indica quale funzione svolgono: a) la membrana plasmatica b) i mitocondri c) i ribosomi d) il reticolo endoplasmatico b) Per metabolismo si intende la capacità che un essere vivente ha di e) il nucleo f) i vacuoli c) Rappresentano funzioni vitali per un organismo: 3. Quando un organismo si dice autotrofo? E quando eterotrofo? 4. Che cosa si intende per organizzazione cellulare dei viventi? 5. Che cos è la cellula? 6. Quali sono i tre costituenti fondamentali di una qualsiasi cellula? 8. Esponi che cosa differenzia una cellula vegetale da una animale. 9. Quando una cellula si dice eucariote? E quando procariote? 10. Che cosa si intende per riproduzione cellulare? 11. Come si chiama la riproduzione di una cellula eucariote? Descrivine le varie fasi. 12. Che cosa si intende per scissione binaria? 13. Spiega il significato della frase: le cellule si differenziano e si organizzano. 14. Come si riproducono i viventi? 25

29 BIOLOGIA: I VIVENTI Cio Ciò che sai fare 15. Indica, scrivendolo nella figura, quale delle due cellule è quella animale e quale quella vegetale. Spiega la tua scelta. 19. Al microscopio stai osservando una cellula in fase di riproduzione. Quali fasi si stanno verificando esattamente, se vedi gli schemi sotto rappresentati? a) a) b) 16. Quale importante funzione non può avvenire in una cellula priva di ribosomi? a la riproduzione b la respirazione c la costruzione delle proteine Perché? 17. Può esistere una cellula senza membrana cellulare? E senza membrana nucleare? Giustifica le risposte. 18. Osserva le figure, scrivi che cosa ciascuna di esse rappresenta (cellula, tessuto, organo, apparato e organismo) e numerale secondo l ordine di organizzazione. b) c) d) e) a) b) c) d) e) 26