Cenni di biologia. Che cos è la vita? zucchero di canna. sezione di roccia. cianobatteri. fessura in metallo. particolare di ostracode

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1 Cenni di biologia Che cos è la vita? zucchero di canna sezione di roccia fessura in metallo cianobatteri particolare di ostracode cellule staminali Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 2 ] 1

2 Che cos è la vita? alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi forma e grandezza gli esseri viventi hanno generalmente una forma definita e una grandezza caratteristica è possibile distinguere l interno dell organismo dall ambiente esterno l unità strutturale elementare è la cellula riproduzione gli organismi possiedono la capacità di dare origine a altri individui simili accrescimento gli esseri viventi si accrescono sviluppando nuove parti fra oppure all interno di quelle vecchie assorbimento dall esterno gli organismi sono in grado di prendere e trasformare materia ed energia dall ambiente esterno per vivere Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 3 ] Che cos è la vita? alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi composizione chimica più del 95% dei tessuti viventi è costituito da quattro elementi chimici: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto metabolismo gli organismi svolgono costantemente una serie di processi chimici essenziali per vivere (respirazione, digestione, assimilazione, escrezione) irritabilità o eccitabilità gli esseri viventi reagiscono alle modificazioni che avvengono nell ambiente esterno omeostasi gli organismi sono in grado di mantenere condizioni interne (organizzazione e composizione) relativamente costanti anche a fronte di cambiamenti dell ambiente esterno Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 4 ] 2

3 L orologio della vita vermi policheti delle sorgenti idrotermali abissali Des Marais, D.J. (2005) Palaeobiology: Sea change in sediments. Nature 437: Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 5 ] Il mattone della vita: la cellula l unità fondamentale di tutti gli organismi la più piccola struttura classificabile come vivente procarioti (1-10 µm) eucarioti ( µm) Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 6 ] 3

4 I processi metabolici per vivere ogni organismo deve scambiare energia e materia al suo interno e con l esterno il metabolismo è l insieme delle reazioni chimiche e fisiche che consentono la vita di un organismo anabolismo:produzione di molecole complesse a partire da molecole semplici per costruire le componenti cellulari e stoccare energia catabolismo: degradazione di molecole complesse a molecole più semplici per produrre energia Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 7 ] La ricetta della vita: il DNA il DNA (acido deossiribonucleico) è una macromolecola che contiene le informazioni genetichenecessarie alla sintesidelle più importanti sostanze che compongono le cellule ha la forma di una scala a pioli ritorta, i cui montanti sono formati da molecole di zucchero e di fosfato Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 8 ] 4

5 Scienza teorica vs. scienza sperimentale Watson, J.D. & Crick, F.H.C. (1953) A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171: Franklin, R. & Gosling, R.G. (1953) Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Nature 171: Rosalind E. Franklin James D. Watson e Francis H.C. Crick Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 9 ] La codifica dell informazione quattro basi azotate(adenina, citosina, guanina e timina) rappresentano le unità basilari dell informazione nel DNA triplette di basi, dette codoni, codificano uno dei 20 amminoacidi, che sono gli elementi che costituiscono le proteine una porzione di DNA che codifica una particolare proteina o altre molecole funzionali costituisce un gene, l unità ereditaria fondamentale Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 10] 5

6 Un ricettario piccolo piccolo la totalità dell informazione portata dai geni si chiama genoma è organizzata in cromosomie è replicata in ogni cellula di un organismo contiene le istruzioni per la costruzione e il funzionamento dell intero organismo il genoma del batterio M. pneumoniae è uno dei più corti conosciuti: solo 816 kbp (migliaia di coppie di basi) Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 11] Il genoma umano International Human Genome Sequencing Consortium (2001)Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature409: (15 feb 2001) Venter, J.C. et al.(2001)the sequence of the human genome. Science291: (16 feb 2001) il DNA umano è organizzato in 23 coppie di cromosomi per un totale di circa 3.2 Gbp si stima che contenga circa geni: 100 volte meno del moscerino della frutta! i geni per la codifica delle proteine rappresentano meno del 2% del genoma la funzione della maggior parte delle sequenze è ancora ignota Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 12] 6

7 La replica dell informazione genetica: la mitosi diversi stadi della mitosi in cellule radicali di cipolla Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 13] Riproduzione asessuata fissione binaria nel batterio Escherichia coli e in un ciliato (Paramecium sp.) gemmazione nel lievito Saccaromyces cerevisiae e in un celenterato (Hydra sp.) moltiplicazione vegetativa nella crassulacea Kalanchoe daigremontiana e in un iris (Iris sp.) rigenerazione in una planaria (Planarium sp.) e in una stella marina (Lickiasp.) Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 14] 7

8 Ricombinare i geni: la meiosi durante la meiosi, una cellula diploide(due copie di ogni cromosoma) genera quattro cellule aploidi(una copia di ogni cromosoma) o gameti durante la meiosi si ha scambio di DNA tra cromosomi omologhi (crossing-over) l unione delle informazioni genetiche provenienti dai due genitori unita al crossing-over garantisce la ricombinazione genetica, che è la base dell evoluzione Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 15] Riproduzione sessuata nelle piante piante monocline: fiore di pesco (Prunus persica) in cui si vedono il pistillo (organo femminile) e gli stami (organo maschile) piante monoiche: infiorescenze femminili e maschili di betulla (Betula pendula) piante dioiche: rami di un individuo femminile e di uno maschile di agrifoglio (Ilex aquifolium) Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 16] 8

9 Riproduzione sessuata negli animali ermafroditismo simultaneo: fecondazione reciproca tra due chiocciole (Helix pomatia) ermafroditismo sequenziale: nel sarago maggiore (Diplodus sargus) si ha inversione sessuale da maschio a femmina (proterandria) in condizioni favorevoli la dafnia (Daphnia magna) si riproduce per partenogenesi, cioè tramite uova non fecondate che producono sole femmine; in condizioni sfavorevoli (es. inverno) vengono generati anche maschi e si ha riproduzione anfigonica, cioè con accoppiamento gonocorismo: accoppiamento tra individui di sesso diverso nella coccinella Coccinella septempunctata Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 17] La biodiversità specie catalogate: specie stimate: ~1,8 milioni 5-30 milioni Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 18] 9

10 Sistemi di classificazione degli organismi viventi come classificare gli esseri viventi? i 200 colori dei cavalli dei gauchosargentini e le loro 4 piante dai due regni dell antichità fino a Linneo......alle più recenti (ma in continua evoluzione) classificazioni basate sulla biologia molecolare Spermatophyta Plantae Animalia Arthropoda Vertebrata Fungi Algae Bacteria si muovono? mangiano? come crescono? no no indefinitamente piante sì sì in maniera finita animali Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 19] L albero della vita e la teoria della ricapitolazione «Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese» Haeckel E. (1866) Generelle Morphologie der Organismen Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 20] 10

11 Come raggruppare gli organismi? strutture analoghe(stessa funzione) vs. strutture omologhe(stessa origine) coccodrillo uccello balena cavallo pipistrello uomo Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 21] Gli alberi filogenetici Cavalier-Smith, T. (2010) Deep phylogeny, ancestral groups and the four ages of life. Phil. Trans. R. Soc. B365: Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 22] 11

12 Il sistema a cinque regni eucarioti procarioti Whittaker, R.H. (1969) New concepts of kingdoms of organisms. Science 163: Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 23] Caratteristiche principali dei cinque regni Regno tipo di cellula, organizzazione Monera procariotica, unicellulare e/o coloniale nutrizione riproduzione motilità autotrofi (foto- o chemiosintesi), eterotrofi (assorbimento) asessuale (per scissione) mobili (flagelli) Protista eucariotica, unicellulare e/o coloniale autotrofi (fotosintesi), eterotrofi (assorbimento o ingestione) asessuale e sessuale immobili o mobili (ciglia o flagelli) Plantae eucariotica con pareti, pluricellulare con tessuti autotrofi (fotosintesi) sessuale e asessuale immobili Fungi eucariotica con pareti, pluricellulare senza tessuti definiti eterotrofi (assorbimento) sessuale e asessuale immobili Animalia eucariotica senza pareti, pluricellulare con tessuti eterotrofi (ingestione) sessuale e asessuale mobili (fibre contrattili) classificazione secondo Whittaker (1969) Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 24] 12

13 Il (controverso) concetto di specie è l unità tassonomica fondamentale: dal punto di vista morfologico, un gruppo di organismi distinguibili per un unica combinazione di caratteri dal punto di vista biologico, un gruppo di organismi in grado di riprodursi dando origine a prole feconda dal punto di vista evolutivo, un gruppo di organismi che condivide un progenitore comune e che mantiene la sua integrità nello spazio e nel tempo dal punto di vista ecologico, un gruppo di organismi adattato a una specifica nicchia ecologica dal punto di vista genetico, un gruppo di organismi che possono essere accostati geneticamente tra loro prima che ad ogni altro organismo esterno al gruppo «[...] considero il termine specie come una definizione arbitraria che, per motivi di convenienza, serve a designare un gruppo di individui strettamente simili tra di loro, per cui la specie non differisce granché dalla varietà, intendendosi con questo termine le forme meno distinte e più fluttuanti. Inoltre, anche il termine di varietà viene applicato arbitrariamente per pura praticità nei confronti delle semplici variazioni individuali» (Darwin 1859) Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 25] Linneo e la nomenclatura binomia «Nomina si nescis, perit et cognitio rerum» Linneo è considerato il padre della moderna tassonomia è stato il primo a applicare estesamente la nomenclatura binomia Physalis annua ramosissima, ramis angulosis glabris, foliis dentatoserratisdiventa, più concisamente, Physalis angulata Carl Linnæus ( ) Linnæus, C. (1735, 1758) Systema naturæ Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 26] 13

14 La collocazione sistematica della specie umana immagine di esseri umani, dalla placca della sonda spaziale Pioneer 10 (lanciata nel 1972) Regno Animalia organismi pluricellulari che richiedono come cibo sostanze organiche complesse Phylum Chordata animali con cordone nervoso dorsale cavo, fessure branchiali faringee in qualche stadio del ciclo vitale Classe Mammalia piccoli nutriti mediante ghiandole mammarie, pelle ricoperta da pelo, temperatura del corpo elevata, cavità corporea divisa dal diaframma Ordine Primates animali arboricoli o loro discendenti, generalmente con dita e unghie appiattite, pollice opponibile, senso dell odorato mediocre. Famiglia Hominidae faccia piatta, occhi frontali, visione a colori, locomozione bipede, stazione eretta Genere Homo cervello grosso, linguaggio, infanzia lunga Specie Homo sapiens mento prominente, fronte alta, peli sparsi sul corpo Corso di Ecologia modulo 5: biologia [ 27] 14