Gli organismi viventi

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1 Appunti di biologia Contenuti Caratteristiche degli organismi viventi Livelli di organizzazione della vita Complessità strutturale e funzionale Omeostasi e informazione Relazione tra organismi viventi e ambiente Scambio di materia ed energia Giancarlo Dessì, Licenza Creative Commons BY-NC-SA BY: Attribuzione - NC: Non commerciale - SA: Condividi allo stesso modo

2 Caratteristiche degli organismi viventi È possibile dare una semplice definizione di organismo vivente? Quali caratteristiche ci permettono di distinguere un organismo vivente da un entità non vivente? Vedi pagina 3 del libro di testo: Le caratteristiche comuni a tutti i viventi 2

3 Livelli gerarchici di organizzazione della vita La più piccola parte della materia è l atomo Gli atomi si organizzano in insiemi che determinano la diversificazione della materia secondo livelli gerarchici Anche gli organismi viventi, facendo parte della materia, sono composti da atomi La Vita si organizza secondo livelli gerarchici Il livello più semplice che individua la materia vivente è rappresentato dalla cellula Il livello più complesso è rappresentato dalla biosfera Vedi pagina 4 del libro di testo: L organizzazione gerarchica della materia e della vita 3

4 degli organismi viventi

5 Gli organismi unicellulari La più piccola entità vivente, la cellula, svolge alcune funzioni vitali, fra cui: Scambio di materia ed energia con l esterno Costruzione delle macromolecole di cui ha bisogno Riproduzione Difesa dalle avversità Requisiti: per svolgere queste funzioni la cellula deve... essere di piccole dimensioni vivere in un ambiente liquido possedere tutti gli strumenti di cui ha bisogno 5 essere capace di svolgere da sola tutte le funzioni vitali

6 Gli organismi unicellulari Gli organismi unicellulari hanno una capacità di riproduzione che permette di avere una rapida crescita della popolazione e una veloce colonizzazione dell ambiente. A livello di singolo organismo presentano tuttavia dei limiti: La loro vita dipende dalla presenza dell acqua. Devono perciò vivere nell acqua o in un ambiente molto umido. Le loro difese nei confronti delle avversità sono deboli. Sono perciò sensibili anche a modeste variazioni delle condizioni ambientali (es. temperatura) e all azione dei loro nemici naturali (antagonisti). 6

7 Gli organismi pluricellulari Con l evoluzione, negli organismi viventi si è sviluppato il livello di organizzazione pluricellulare. Questo livello ha consentito: La colonizzazione di ambienti non adatti alla singola cellula L adattamento a variazioni delle condizioni ambientali Il potenziamento delle difese nei confronti di avversità e nemici naturali L evoluzione ha seguito tappe graduali, nel corso delle quali si sono sviluppati nuovi livelli di organizzazione: Tessuti Organi Sistemi e apparati 7

8 Gli organismi pluricellulari a struttura indifferenziata I primi organismi pluricellulari avevano un organizzazione strutturale semplice, in cui ogni cellula mantiene una sua autonomia. Questo tipo di organizzazione è paragonabile a quello di un tessuto: l intero organismo è come un tessuto composto da cellule tutte uguali, ciascuna capace di svolgere tutte le funzioni vitali La vita dipende ancora dalla presenza di acqua, perciò questi organismi vivono in ambiente acquatico o molto umido Queste caratteristiche ricorrono oggi negli organismi pluricellulari più primitivi, come ad esempio i funghi e le alghe 8

9 Gli organismi pluricellulari a struttura differenziata In seguito, gli organismi pluricellulari hanno acquisito un organizzazione strutturale complessa, con cellule organizzate in tessuti, organi e sistemi. Ciascuna cellula fa parte di un insieme coordinato in cui si svolgono solo determinate funzioni necessarie a tutto l organismo. Ogni cellula dipende dalle altre e contribuisce al funzionamento di tutto l organismo. In questo livello di organizzazione, le cellule hanno tre particolari proprietà: 1. Differenziazione: ogni cellula ha forma e dimensioni adatte al suo ruolo 2. Specializzazione: ogni cellula riesce a svolgere solo determinate funzioni 3. Coordinamento: ogni cellula funziona in modo coordinato seguendo uno schema comune a tutte le cellule simili Queste caratteristiche ricorrono oggi nel regno degli animali e nelle forme più evolute del regno delle piante 9

10 Un organismo con una struttura complessa necessita del potenziamento di due particolari proprietà. 1. Omeòstasi: capacità di un organismo di mantenere stabili le proprie condizioni interne in modo da compensare le variazioni che possono pregiudicarne il funzionamento (es. termoregolazione) 2. Informazione: capacità di un organismo di trasmettere informazioni al suo interno in modo che la variazione di una condizione attivi la risposta necessaria all adattamento Negli organismi unicellulari queste proprietà, pur presenti, sono limitate dalla loro semplicità. Negli organismi pluricellulari sono invece acquisite e potenziate grazie allo sviluppo di sistemi complessi che agiscono in modo coordinato nel loro insieme. 10

11 Esempio di omeostasi: la nostra reazione al freddo. Il meccanismo è un feedback negativo: la risposta contrasta l azione della variabile Omeostasi Abbassamento della temperatura esterna VARIABILE Recettori sensoriali SENSORE Sistema nervoso centrale (ipotalamo) ELABORATORE Produzione di calore e aumento della temperatura interna EFFETTO EFFETTORE Muscolatura RISPOSTA Contrazione ritmica (brividi) 11

12 Comunicazione La comunicazione interna permette al sistema integrato della regolazione omeostatica di ricevere lo stimolo, compararlo e elaborare ed effettuare la risposta SENSORE I recettori nervosi ricevono il segnale (temperatura esterna) Messaggio di informazione ELABORATORE L ipotalamo misura il segnale (comparazione) ed elabora la risposta Messaggio di comando 12 La comunicazione si svolge attraverso messaggi trasmessi per mezzo di segnali chimici (ormoni) oppure, negli animali, per mezzo di segnali elettrici, chimici o combinati EFFETTORE La muscolatura riceve lo stimolo ed effettua la risposta

13 La struttura pluricellulare Piante e animali sono l espressione più alta della complessità di un organismo pluricellulare. Questo organismo si può paragonare ad una macchina sofisticata, così composta: 1. Un insieme di impianti (sistemi e apparati). Ciascuno svolge determinate funzioni necessarie all organismo. 2. Ciascun impianto è un insieme di dispositivi (organi). Ciascuno svolge operazioni necessarie a completare la funzione dell impianto nel suo insieme. 3. Ciascun dispositivo è un insieme assemblato di componenti (tessuti). Ciascun componente contribuisce con le sue proprietà a realizzare il funzionamento del dispositivo. 4. Ciascun componente è un insieme di materiali (cellule). Ciascuno è un modulo autonomo che svolge in modo coordinato le stesse operazioni che si sommano realizzando il funzionamento del componente. Esercizio: confronta un automobile con il corpo umano Automobile Corpo umano Impianto Trasmissione Sistema muscolare Dispositivo Ruota Muscolo Componente Pneumatico Tessuto muscolare 13 Materiale Fibra della tela Fibra muscolare (cellula)

14 La struttura pluricellulare Il modo in cui si sono differenziati gli organismi pluricellulari dipende dalla loro storia evolutiva e dal loro grado di parentela. Piante e animali si sono differenziati miliardi di anni fa, quando il loro progenitore comune era ancora un organismo unicellulare. La loro evoluzione ha seguito percorsi separati, ma sia nelle piante sia negli animali si è sviluppata una struttura pluricellulare complessa. Piante e animali funzionano in modo differente e hanno perciò sistemi e apparati completamente diversi. Questa differenza si osserva già nella cellula: cellula animale e vegetale hanno storie evolutive separate. Alcuni sistemi svolgono funzioni analoghe (es. rivestimento e protezione, trasporto di sostanze) ma sono nati da progetti separati e quindi sono completamente differenti. Altri sistemi svolgono invece funzioni esclusive dei due regni: es. l apparato fogliare è proprio delle piante, il sistema nervoso è proprio degli animali. 14

15 La struttura pluricellulare Il modo in cui si sono differenziati gli organismi pluricellulari dipende dalla loro storia evolutiva e dal loro grado di parentela. Mammiferi e insetti derivano da progenitori che si sono differenziati oltre mezzo miliardo di anni fa, da un progenitore comune acquatico che aveva già sviluppato una struttura pluricellulare differenziata ma piuttosto semplice. Mammiferi e insetti hanno colonizzato l ambiente aereo e funzionano in modo analogo, ma hanno storie evolutive distinte. Pur avendo tessuti simili, questi si sono organizzati a formare organi, sistemi e apparati differenti che presentano tuttavia analogie nelle loro funzioni (convergenza evolutiva). Ad esempio, entrambi hanno ereditato dal progenitore comune lo stesso sistema nervoso. Il tessuto nervoso e le sue cellule sono simili nei due organismi, ma con l evoluzione il sistema nervoso si è organizzato in modo completamente diverso. Altri sistemi si sono sviluppati separatamente e sono quindi esclusivi dei due gruppi: lo scheletro esterno degli insetti è composto da tessuti e organi diversi dallo scheletro interno dei mammiferi. 15

16 La struttura pluricellulare Il modo in cui si sono differenziati gli organismi pluricellulari dipende dalla loro storia evolutiva e dal loro grado di parentela. Il cane e l uomo derivano da progenitori che si sono differenziati alcune decine di milioni di anni fa, da un progenitore comune terrestre che aveva già una struttura complessa. Cane e uomo si sono evoluti separatamente nello stesso ambiente occupando ruoli diversi. Pur mostrando profonde differenze nella loro conformazione e nel loro comportamento, hanno la stessa struttura e lo stesso funzionamento, naturalmente adattati separatamente derminando la loro apparente diversità. Entrambi hanno ereditato dal progenitore comune gli stessi sistemi e apparati, i quali svolgono, sia pure in modo differente, le stesse funzioni. QUERCIA MOSCA CANE 16 UOMO

17 La struttura pluricellulare: sistemi e apparati Fermo restando che organismi pluricellulari distanti hanno sviluppato sistemi e apparati diversi alcuni sistemi sono comuni a molti organismi pluricellulari altri sono esclusivi solo di certi organismi limitiamoci a considerare solo quelli del corpo umano e degli animali simili (mammiferi) 17 Sistemi che svolgono funzioni vitali comuni a tutti gli organismi, anche unicellulari: Apparato digerente Apparato respiratorio Apparato escretore Apparato riproduttore Sistema immunitario Sistemi sviluppati per supportare la struttura pluricellulare: Apparato tegumentario Sistema scheletrico Sistema muscolare Apparato cardio-circolatorio Sistema nervoso Sistema endocrino

18 La struttura pluricellulare: sistemi e apparati Lo scambio di materia è una funzione comune a tutti gli organismi viventi. Nel corpo umano è svolta da tre sistemi Apparato digerente Acquisizione delle sostanze nutritive dall esterno Apparato respiratorio Scambio di gas con l esterno (acquisizione dell ossigeno, eliminazione dell anidride carbonica) 18 Apparato escretore Eliminazione dei prodotti di scarto del metabolismo e regolazione dell equilibrio idrico e salino

19 La struttura pluricellulare: sistemi e apparati La difesa è una funzione comune a tutti gli organismi viventi. Nel corpo umano è svolta in gran parte da un sistema Sistema immunitario Difesa dell organismo dagli agenti chimici o biologici estranei 19

20 La struttura pluricellulare: sistemi e apparati Altre funzioni, non presenti negli organismi unicellulari, sono diventate indispensabili per il funzionamento di una struttura complessa. Funzioni meccaniche Apparato tegumentario Sistema scheletrico Sistema muscolare Isolamento dell organismo dall esterno e protezione passiva dagli agenti fisici, chimici e biologici esterni Sostegno, protezione degli organi interni, funzione passiva nel movimento Funzione attiva nel movimento 20

21 La struttura pluricellulare: sistemi e apparati Altre funzioni, non presenti negli organismi unicellulari, sono diventate indispensabili per il funzionamento di una struttura complessa. Funzioni di trasporto Apparato cardio-circolatorio Trasporto interno delle sostanze. Integra le funzioni dell apparato digerente, dell apparato respiratorio, dell apparato escretore, del sistema immunitario e del sistema endocrino 21

22 La struttura pluricellulare: sistemi e apparati Altre funzioni, non presenti negli organismi unicellulari, sono diventate indispensabili per il funzionamento di una struttura complessa. Funzioni di controllo e coordinamento Sistema endocrino Coordinamento delle funzioni dell organismo e regolazione degli equilibri attraverso il flusso di informazione chimica come risposta a stimoli provenienti dall ambiente interno Sistema nervoso Ricezione ed elaborazione degli stimoli esterni ed interni e coordinamento delle funzioni dei vari sistemi attraverso il flusso di informazione elettrico e chimico. 22 Integra e coordina alcune funzioni del sistema endocrino

23 Relazione tra organismi viventi e ambiente

24 Relazione tra organismi viventi e ambiente Ogni organismo interagisce con l ambiente che lo circonda, inteso sia come ambiente fisico (suolo, aria, acqua, ecc.) sia come ambiente vivente (gli altri organismi). Questa interazione si esprime in due fondamentali tipi di relazione Risposta agli stimoli esterni (azione-reazione) AMBIENTE STIMOLO ORGANISMO RISPOSTA Scambio di materia ed energia ENERGIA AMBIENTE ORGANISMO TRASFORMAZIONE MATERIA MATERIA 24

25 Relazione tra organismi viventi e ambiente Azione e reazione L interazione stimolo risposta si svolge per mezzo di fenomeni che alla base sono di natura fisica e/o chimica, ma che nel loro insieme rendono complessa l interazione. L organismo è in grado di recepire delle informazioni dall ambiente (stimoli). La ricezione dello stimolo avviene da parte delle cellule, dotate sulla loro superficie di strutture in grado di trasformare lo stimolo in un segnale. Il segnale attiva all interno della cellula fenomeni fisici o chimici che, a catena, determinano la risposta. La risposta può esaurirsi nella singola cellula oppure, negli organismi pluricellulari, può avviare un flusso di informazione che si esaurisce in una risposta coordinata dell intero organismo. La risposta può essere passiva o attiva. 25

26 Relazione tra organismi viventi e ambiente Azione e reazione Risposta passiva: l organismo adatta il proprio stato (struttura e funzionamento) al variare delle condizioni ambientali in modo automatico senza determinare un azione sull ambiente. Esempio di risposta passiva. Le foglie delle piante hanno piccole aperture, chiamate stomi, per mezzo delle quali scambiano i gas con l atmosfera. Tra questi scambi rientra anche l uscita dell acqua, proveniente dalle radici, sotto forma di vapore (traspirazione). Ciascuna apertura è delimitata da due cellule di guardia, che hanno approssimativamente la forma di un fagiolo. In molte piante, le cellule di guardia degli stomi rispondono alla diminuzione dell umidità modificando la loro forma. Rigonfiandosi chiudono l apertura impedendo la perdita di vapore acqueo e, quindi, l appassimento. AMBIENTE UMIDO AMBIENTE SECCO 26

27 Relazione tra organismi viventi e ambiente Azione e reazione Risposta attiva: l organismo adatta il proprio stato (struttura e funzionamento) al variare delle condizioni ambientali e, con o senza una vera e propria elaborazione, determina un azione che si manifesta attivamente nell ambiente. In questo caso, si parla di eccitabilità dell organismo Esempio di risposta attiva. La generalità degli animali è provvista di organi di senso in grado di ricevere stimoli dall esterno e trasmettere un segnale ad un centro di elaborazione (sistema nervoso) da cui viene elaborata la risposta con la trasmissione di segnali di comando verso determinati organi. Tra questi organi rientrano ad esempio i muscoli, la cui funzione principale è quella di generare il movimento. Il movimento è spesso una risposta dell animale ad uno stimolo ambientale: con il movimento l animale agisce nell ambiente adattandosi ad una specifica variazione delle condizioni. Es. un animale che percepisce la presenza nell ambiente di una situazione di pericolo reagisce con il movimento attuando la fuga o un altra forma di difesa. 27

28 Relazione tra organismi viventi e ambiente Scambio di materia ed energia Tutti gli organismi sono fatti di materia. La materia con cui viene costruito e rigenerato il loro corpo è prelevata dall ambiente e trasformata nel loro interno. Tutti gli organismi hanno bisogno di energia: questa è necessaria per costruire le sostanze che formano il loro corpo o che servono al suo funzionamento. È inoltre necessaria per alimentare tutti i fenomeni fisici e chimici che assorbono energia. L insieme dei fenomeni chimici che trasformano l energia e la materia all interno degli organismi è detto metabolismo. Il metabolismo produce sostanze di scarto che vengono rilasciate nell ambiente. In base al tipo di metabolismo energetico, gli organismi viventi si distinguono in due grandi gruppi Autotrofi (produttori) Eterotrofi (consumatori) 28

29 Relazione tra organismi viventi e ambiente Scambio di materia ed energia Organismi autotrofi Prendono dall ambiente materia costituita da sostanze inorganiche prive di energia utile: acqua, anidride carbonica, sali minerali. Queste sostanze sono trasformate in sostanza organica (carboidrati, lipidi, proteine, ecc.) in cui è incorporata energia chimica utile. L energia necessaria per convertire la materia da inorganica a organica è prelevata dall ambiente. La principale fonte di energia è rappresentata dalla luce. In ecologia, gli autotrofi sono detti produttori perché rappresentano la fonte primaria di energia chimica incorporata nella sostanza organica. Esempi di autotrofi: alghe piante 29

30 Relazione tra organismi viventi e ambiente Scambio di materia ed energia Organismi eterotrofi Prendono dall ambiente materia costituita da sostanza organica in ci è incorporata energia utile: carboidrati, proteine, lipidi, ecc. Queste sostanze sono riciclate nella costruzione e nel funzionamento del loro corpo oppure trasformate in sostanza inorganica (acqua, anidride carbonica, sali minerali) per ricavare l energia. In ecologia, gli eterotrofi sono detti consumatori perché utilizzano l energia chimica incorporata nella sostanza organica prodotta dai produttori. Esempi di eterotrofi: funghi animali 30