Soluzione di solfato di rame

Transcript

1 Laboratorio di Didattica della Biologia-2018

2 Laboratorio di Didattica della Biologia-2018 Biologia Scienza che studia la vita Organismi viventi atomi Molecole prive di vita Struttura complessa e altamente organizzata

3 Gli organismi viventi nascono, crescono si riproducono e muoiono e la materia non vivente? Soluzione di solfato di rame

4 Metabolismo = insieme di reazioni e processi che consentono la trasformazione e l utilizzazione da parte degli organismi di molecole diverse Anabolismo Produzione di nuova materia vivente Catabolismo Disgregazione ed eliminazione di sostanze inutili o usurate Riproduzione = passaggio del patrimonio ereditario alle generazioni successive ossia consegna di istruzioni per operare le reazioni metaboliche

5 Gli organismi viventi Sono complessi ed estremamente diversificati (adattati all ambiente) Sono capaci di sfruttare materia ed energia dell ambiente circostante Sono capaci di riprodursi

6

7 La cellula è l unità funzionale e strutturale della vita, capace di esprimere tutte le proprietà vitali di un organismo Organismi unicellulari costituiti da un unica cellula capace di vita autonoma Organismi pluricellulari costituiti da cellule fortemente specializzate e variamente organizzate

8 Organismi pluricellulari - Livelli di organizzazione cellula cellula cellula tessuto cellula cellula cellula cellula organo cellula tessuto cellula cellula I tessuti sono formati da una o più popolazioni cellulari. Le differenze esistenti tra i vari tessuti sono il risultato di una specializzazione funzionale delle cellule. I vari organi prendono origine dall unione di più tessuti

9 Organismi pluricellulari - Livelli di organizzazione organo organo apparato apparato apparato organo apparato apparato apparato (sistema) Gli apparati hanno origine dall azione integrata di più organi. Gli organi sono in rapporto anatomico e in relazione funzionale. Organismo L integrazione funzionale di diversi apparati svolge il complesso delle funzioni di un organismo. Tra gli organismi pluricellulari esiste una grande varietà morfologica e funzionale, che si manifesta già a livello degli apparati e diventa ancora più ampia e diversa a livello di tessuti e di cellule.

10 -organismi individuali (come gli individui sono influenzati dal loro ambiente e viceversa); -popolazioni(la presenza o l assenza di specie, la loro abbondanza o rarità, eventuali fluttuazioni); -comunità (la composizione o la struttura di una comunità) ossia l insieme delle popolazioni che vivono inunacertaarea;

11 Livelli di orga anizzazione L energia e la materia fluisce tra gli elementi viventi e quelli non viventi attraverso una quarta categoria di organizzazione: gli ecosistemi Eco=ambiente Sistemi=insieme di componenti in relazione tra loro a costituire una unità

12 BIOSFERA o ECOSFERA parte della Terra dove si trovano gli organismi viventi (biota) che interagiscono tra loro e con l ambiente non vivente (abiotico) comprende la maggior parte dell idrosfera (acque superficiali, sotterranee, ghiaccio polare, vapor acqueo) e parti dell atmosfera inferiore, o troposfera, e della litosfera (crosta terrestre e mantello superiore)

13 Interazione tra vita e mondo fisico Il mondo biologico ed il mondo fisico sono interdipendenti La vita sulla terra dipende totalmente dal mondo fisico per l energia, il nutrimento, la distribuzione, la forma e la funzione Gli organismi ottengono energia dall ambiente ma devono tollerarne gli estremi di temperatura, umidità, salinità, ecc. La forma e la funzione delle piante e degli animali devono ubbidire alle leggi del mondo fisico

14 Interazione tra vita e mondo fisico A loro volta gli organismi influenzano l ambiente fisico Effetti dell attività degli organismi sul mondo fisico - Composizione chimica dell atmosfera (fotosintesi) - Formazione del suolo (pedogenesi) -Mantenimento delle caratteristiche del suolo (pedofauna e -Mantenimento delle caratteristiche del suolo (pedofauna e pedoflora)

15 Che cos è l ambiente L ambiente si definisce come una porzione di spazio con caratteristiche tali da poter contenere vita Un ambiente può essere naturale o artificiale ambienti naturali sostenuti esclusivamente dall energia solare ambienti artificiali sostenuti generalmente dall energia sussidiaria

16 Ambiente porzione di spazio con caratteristiche tali da poter contenere la vita (Terra) Mezzo (componente abiotica) Vita Tutti gli organismi vivono in un mezzo che li circonda e con il quale effettuano degli scambi Substrato è la superficie su cui gli organismi poggiano e si muovono, offre sostegno, protezione e nutrimento (rocce, suolo, una pellicola di acqua, altri organismi). Tutti gli organismi hanno un mezzo, non tutti un substrato

17 Come si definiscono i Sistemi? I sistemi sono costituiti da elementi e/o fattori tra loro interagenti: 1. i sistemi sono costituiti da unità subordinate 2. essi rappresentano un di più rispetto alla somma delle componenti (principio delle proprietà emergenti)

18 Sistema biologico Un sistema è un insieme di elementi e/o fattori che interagiscono tra loro I sistemi possono essere: Aperti :scambiano materia ed energia con l esterno; Chiusi: scambiano solo energia e non materia (il pianeta Terra); Isolati: non scambiano né energia né materia (è solo teorica). Tutti i sistemi biologici sono sistemi aperti e dinamici

19 Funzioni di controllo 1 La ridondanza 2 3 Più componenti capaci di svolgere le medesime funzioni

20 Funzioni di controllo Il feedback 1 2 Il feedback interviene quando parte delle uscite tornano indietro come entrate

21 Gli Ecosistemi Sono sempre sistemi aperti e sono caratterizzati da un flusso di materia e di energia. In un ecosistema vi è sempre un In un ecosistema vi è sempre un ambiente di entrata (o immissione) ed uno di uscita (o emissione) e delle funzioni di controllo.

22 Tutte le funzioni di controllo accrescono la stabilità di un ecosistema Esistono tre tipi di stabilità Resistenza Costanza capacità di un sistema vivente di resistere alle alterazioni ed ai fattori di disturbo, mantenendo la sua struttura e le sue funzioni capacità di un sistema vivente di mantenersi proporzionato in relazione alle risorse disponibili Resilienza capacità di un sistema vivente di recuperare rapidamente dopo un fattore di disturbo

23 Gli Ecosistemi sono dei Sistemi Ecologici L ecosistema è un sistema dinamico, che si evolve nel tempo e un sistema aperto in quanto interagisce con gli ecosistemi della ecosfera. L ecosistema è caratterizzato da una struttura, rappresentata dai suoi componenti viventi e non viventi, e da un funzionamento.

24 Ecosistemi Il funzionamento di un ecosistema, e quindi dell'intera ecosfera, è reso possibile da un flusso di energia e dalla circolazione di elementi nutritivi tra la comunità biotica e la componente abiotica. Gli organismi viventi necessitano infatti di costituenti perilorocorpi,edenergiaperleloroattività.

25 Ambiente di entrata Ambiente di uscita Vento, pioggia, flussi di acqua Input di materiali e immigrazione Sistema Energia e materiali trasformati (calore e molecole organiche), emigrazione INPUT > OUTPUT INPUT < OUTPUT INPUT = OUTPUT Il sistema si accresce Il sistema decresce Stato stazionario Le dimensioni degli ambienti di entrata e di uscita possono variare con la dimensione e l età del sistema, con il grado di equilibrio e l attività metabolica. La delimitazione degli ecosistemi è alquanto arbitraria

26 I sistemi ecologici o ecosistemi sono unità funzionali che comprendono tutti gli organismi che vivono ed interagiscono in una determinata area e le componenti ambientali abiotiche. Gli ecosistemi sono sistemi aperti in equilibrio dinamico con struttura e funzionamento caratteristici. Tale funzionamento è garantito da un flusso di energia e materia (nutrienti) tra gli organismi e la componente abiotica che si realizza attraverso le reti trofiche. Flusso di energia: è unidirezionale; parte dell energia solare viene trasformata in energia chimica, parte trasformata e dissipata come calore. L energia può essere immagazzinata o essere esportata, ma non può essere riutilizzata. Ciclo della materia: la materia può essere utilizzata più volte. L efficienza del riciclo e l entità delle esportazioni e delle importazioni varia con il tipo di ecosistema.

27 Gli ecosistemi sono regolati dai principi termodinamici L energia non si crea né si distrugge ma si trasferisce o si trasforma La luce è convertita in energia potenziale nei tessuti vegetali e questa a sua volta può essere convertita in energia potenziale nei tessuti animali Le trasformazioni sono soggette ad una progressiva perdita di energia Solo una piccola parte dell energia luminosa è trasformata in energia potenziale e solo una parte di questa è trasferita come energia potenziale nei tessuti animali

28 Processi negli ecosistemi Fotosintesi aerobia Fotosintesi anaerobia Chemiosintesi Respirazione aerobia Respirazione anaerobia Fermentazione Decomposizione

29 Fotosintesi e chemiosintesi (es: ammoniaca in nitriti) sono i processi attraverso i quali l energia viene acquisita dai sistemi biologici. Respirazione aerobia (piante ed animali superiori e molti batteri) e Respirazione anaerobia (vari batteri e lieviti) liberano energia come ATP e dissipano piccole quantità di calore; Fermentazione Fermentazione (vari batteri e lieviti) che come la respirazione ha come risultato l ossidazione di composti organici (il composto organico ossidato è anche l accettore di elettroni); Decomposizione che rappresenta la degradazione della materia organica morta e consente il riciclo dei nutrienti.

30 Il funzionamento dell ecosistema si basa sui flussi di energia e materia ENERGIA Percorso unidirezionale NUTRIENTI Percorso ciclico La radiazione solare è la prima fonte di energia nella maggior parte degli ecosistemi.

31 Il mezzo attraverso il quale la materia e l energia attraversano l ecosistema è la catena trofica Tutti gli organismi morti o vivi sono potenziali fonti di cibo per altri organismi. La sequenza di organismi ciascuno dei quali è una fonte di cibo per il successivo è chiamata catena alimentare (o trofica) Vari organismi appartengono a più di un livello trofico (es: l uomo)

32 Gli ecosistemi Fonte di materiali (nutrienti) Fonte di materia organica S nutr S mat org H Riciclo dei nutrienti Immigrazione ed emigrazione di organismi Sole A H H H Dissipazione di calore Ecosistema A: autotrofi H: eterotrofi S: deposito

33 Negli ecosistemi vi sono due componenti trofiche principali: Una componente autotrofa, che comprende gli organismi capaci di trasformare l energia luminosa in energia chimica e di sintetizzare sostanze organiche complesse a partire da composti inorganici semplici; Una componente eterotrofa che comprende gli organismi che sfruttano, decompongono e trasformano sostanze organiche complesse.

34 Autotrofi Eterotrofi Fotoautotrofi (processi fotosintetici) Chemioautotrofi (processi di ossidazione chimica) biofagi saprofagi Fotoautotrofi sono gli organismi che utilizzano l energia luminosa, l acqua, l anidride carbonica e i nutrienti minerali per la sintesi della materia organica; Chemioautotrofi sono quegli organismi che trasformano sostanze inorganiche semplici (ammoniaca in nitriti; nitriti in nitrati) per produrre biomassa anche se in misura minore rispetto ai fotoautrotrofi.

35 La materia organica prodotta dagli autotrofi fotosintetici e chemiosintetici è la fonte di energia da cui dipendono gli organismi eterotrofi biofagi erbivori carnivori saprofagi decompositori

36 Gli autotrofi sono definiti produttori primari ed occupano il primo livello trofico; Gli eterotrofi che ricavano energia direttamente dalla biomassa vegetale sono detti consumatori primari; I carnivori sono consumatori secondari. Appartenenza ad un livello trofico dipende dalle abitudini alimentari. Ci sono organismi che possono appartenere: -a più livelli trofici -a livelli trofici diversi durante diverse fasi del ciclo vitale

37 Produttori, consumatori e decompositori costituiscono i diversi livelli trofici. Lungo la catena trofica, nel passaggio da un livello ad un altro una parte di energia viene persa come calore

38 Schema del flusso di energia attraverso i livelli trofici in una catena alimentare I = entrata totale di energia; LA = luce assorbita dalle piante; PG = produzione primaria lorda; A = assimilazione totale; PN = produzione primaria netta; P = produzione secondaria (consumatori); NU = energia non utilizzata; NA = energia non assimilata dai consumatori; R = respirazione. La linea sotto lo schema indica l'ordine di grandezza della perdita di energia che ci si può aspettare ad ogni principale passaggio, partendo da un input di 3000 Kcal/m 2 /giorno.

39 Catene alimentari di pascolo e di detrito catena pascolo catena detrito La sequenza di organismi che dipendono dagli erbivori per la loro alimentazione è definita catena del pascolo La sequenza di organismi che dipendono dai decompositori per la loro alimentazione è definita catena del detrito

40 Le quantità di energia utilizzate nella catena di pascolo ed in quella del detrito variano nei diversi ecosistemi, soprattutto con le caratteristiche dei produttori primari. Il ruolo delle singole specie nel trasferimento di energia e materia dipende dalla loro biomassa, dalle caratteristiche fisiologiche, dall interazione con altre specie e dai fattori ambientali Negli ecosistemi terrestri il 10-20% della biomassa prodotta (produzione primaria) viene consumato dagli erbivori. Negli ecosistemi acquatici la % della produzione primaria del fitoplancton che viene consumato dallo zooplancton è maggiore L ambiente abiotico può condizionare la lunghezza delle reti trofiche. Un ambiente estremo, come l artico, presenta una catena alimentare e una rete trofica meno complessa di un ambiente temperato o tropicale.

41 Efficienze ecologiche La percentuale di energia trasferita da un livello trofico all altro viene definita efficienza ecologica Si distinguono: 1. Efficienza di assimilazione 2. Efficienza di produzione 3. Efficienza di consumo Per efficienza si intende il rapporto tra una quantità in uscita da un processo e la quantità in entrata

42 Efficienza ecologica o trofica (Lindeman, 1942) rappresenta la percentuale di produzione del livello trofico precedente che viene convertita in produzione del livello trofico successivo. EE = P n /P n-1 x 100 In media, l efficienza ecologica è del 10% per ciascun livello trofico.

43 La produzione primaria lorda è la quantità di materia organica prodotta per fotosintesi. La produzione primaria netta è la quantità di materia organica prodotta per fotosintesi meno quella consumata con la respirazione. Produttività primaria lorda (PPL) La velocità alla quale l energia luminosa viene convertita in energia chimica Produttività primaria netta (PPN) La velocità di accumulo nella biomassa della materia organica prodotta PPL=PPN+R La produzione è espressa come g di CO 2 assorbita o di O 2 prodotto o g di peso secco ed è riferita all unità di superficie e all unità di tempo. La produzione secondaria è riferita alla produzione di biomassa da parte degli organismi che consumano i produttori primari. La produttività della comunità è la velocità di immagazzinamento della materia organica non utilizzata dagli eterotrofi.

44 Approfondimento proposto: clima e Biomi

45

46

47 Produttori Consumatori Decompositori Radiazione luminosa: variazione quantitativa e qualitativa Profondità Alghe verdi, alghe azzurre Alghe brune Alghe rosse l

48 RUOLO DELLE PIANTE SUL NOSTRO PIANETA Produzione di O 2 Cibo Rimozione di CO 2 TUTTO IN UNA PAROLA: FOTOSINTESI La fotosintesi rappresenta un processo vitale per l intera biosfera Grazie alla fotosintesi le piante producono O 2 e cibo e sottraggono CO 2 LA FOTOSINTESI OSSIGENICA E ANOSSIGENICA AMBIENTI TERRESTRI fotosintesi ossigenica richiede energia luminosa e libera O 2 PROFONDITA MARINE fotosintesi anossigenica richiede energia luminosa ma non libera O 2

49 LE PIANTE MODIFICANO LA COMPOSIZIONE DELL ARIA Prima dell evoluzione della fotosintesi l atmosfera primordiale era molto differente da quella attuale La vita sulla terra era possibile solo agli organismi anaerobi unicellulari L incremento di O 2 ha reso possibile l evoluzione di organismi aerobi pluricellulari Protisti, piante, funghi e animali

50 LA FOTOSINTESI ANOSSIGENICA batteri verdi sulfurei batteri rossi sulfurei batteri rossi non sulfurei CO 2 + 2H 2 S (CH 2 O) + H 2 O + S 2 Questi organismi posseggono batterioclorofilla LA FOTOSINTESI OSSIGENICA piante muschi licheni alghe CO 2 + 2H 2 O (CH 2 O) + H 2 O + O 2 Questi organismi posseggono clorofilla e pigmenti accessori per catturare la luce solare

51 LUCE E FOTOSINTESI La luce utile alle piante per la fotosintesi è la luce visibile,la stessa che permette a noi di vedere oggetti e colori Le piante superiori e tutti gli organismi vegetali assorbono la luce visibile grazie ai pigmenti fotosintetici

52 LA FOTOSINTESI OSSIGENICA o CLOROFILLIANA FASE LUMINOSA FASE OSCURA

53 Le piante CAM mostrano adattamenti strutturali, anatomici e metabolici a climi aridi Stomi chiusi di giorno e aperti di notte FOTOSINTESI CAM HCO - PEP-C + PEP OAA malato Enzima malico CO 2 + piruvato mesofillo

54 QUALITA DELL ARIA La qualità dell'aria si definisce attraverso alcuni parametri: le concentrazioni degli inquinanti gli effetti sugli organismi gli effetti sugli ecosistemi Monitoraggio della qualità dell aria strumentale biologico bioindicazione bioaccumulo

55 MONITORAGGIO STRUMENTALE La misura della concentrazione degli inquinanti atmosferici viene effettuata con metodi fisico-chimici, mediante centraline site in diversi pun delle cià, che rilevano di continuo il livello di alcuni inquinanti (ozono, biossido di zolfo, monossido di carbonio, ossidi di azoto, polveri, idrocarburi, ozono...). Questi dati non danno informazioni sugli effetti che tali composti possono avere sugli organismi L inquinamento atmosferico determina una serie di risposte nell'organismo che riguardano: modificazioni al livello morfologico, biochimico e fisiologico accumulo di sostanze inquinanti variazioni della composizione faunistica e/o floristica di un dato ambiente Il biomonitoraggio, attraverso l osservazione e/o l analisi di organismi monitori per la valutazione del grado di contaminazione da inquinanti inorganici e/o organici permette di ottenere dati quantitativi e di identificare precisamente modificazioni dei tassi di inquinamento nel tempo

56 BIOINDICATORI E BIOACCUMULATORI Il grado di contaminazione dell aria può essere valutato mediante l uso di biomonitori: bioindicatori: organismi che reagiscono rapidamente ed in maniera specifica a concentrazioni anche basse di inquinanti, con danni visibili e/o effetti su processi metabolici bioaccumulatori: organismi tolleranti o parti di essi la cui analisi chimica permette di ottenere informazioni sul grado di contaminazione dell ambiente in cui vivono

57 BIOMONITORAGGIO ATTIVO E PASSIVO Gli organismi monitori possono dare indicazioni sulla qualità dell'aria a condizione che essi: siano ampiamente diffusi nell'area da monitorare siano immobili o compiano solo piccoli spostamenti abbiano un lungo ciclo vitale siano presenti nel corso di tutto l'anno Biomonitoraggiopassivo: si utilizzano organismi presenti nell'area da studiare. Biomonitoraggioattivo: i biomonitorivengono portati nell'ambiente da esaminare.

58 La funzionalità di ogni ecosistema è espressione della stretta interrelazione che si realizza entro tre distinti comparti funzionali: il sottosistema dei produttori, quello dei consumatori e quello dei decompositori.

59 Decomposizione La quantità di materia organica morta che giunge al suolo ed in particolare la lettiera vegetale, che è la frazione più abbondante, dipende dalla produttività di un ecosistema ed è quindi influenzata dal clima, dal tipo di vegetazione e dal grado di copertura vegetale mineralizza la sostanza organica restituendo in forma inorganica i nutrienti prontamente utilizzabili dalle piante; contribuisce all accumulo di materia organica nel suolo.

60 Organismi che partecipano ai processi di degradazione della lettiera Sulla lettiera si instaura una vera e propria successione, e la diversità della microflora decompositrice decresce via via che specie meno numerose, ma più specializzate, si impiantano sui residui più resistenti. L attacco microbico, avviene precocemente, spesso quando il materiale vegetale senescente è ancora attaccato alla pianta

61 Fattori che regolano la Decomposizione: qualità della lettiera

62 Organismi che partecipano ai processi di degradazione della lettiera Modalità di variazione latitudinale del contributo della macrofauna, della mesofauna e della microfauna alla decomposizione degli ecosistemi terrestri.