Biologia: il mondo dei viventi e Il corpo umano

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1 Scienze integrate Biologia: il mondo dei viventi e Il corpo umano SANDRO BARBONE FRANCO LUCISANO EDITORE

2 Scienze integrate Biologia: il mondo dei viventi e Il corpo umano SANDRO BARBONE

3 Copyright 2010 FRANCO LUCISANO EDITORE Via Padova, MILANO Tel. 02/ Fax 02/ Prima edizione: marzo 2010 Tutti i diritti riservati. Nessuna parte di questo libro può essere riprodotta, con tenuta in un sistema di recupero o trasmessa in ogni forma o con ogni mezzo elettronico, meccanico di fotocopie, incisione o altrimenti, senza permesso scritto dell Editore. Associazione Italiana per i Diritti di Riproduzione delle Opere dell ingegno (AIDRO) Corso di Porta Romana, n Milano e sito web L Editore, per quanto di propria spettanza, considera rare le opere fuori dal proprio catalogo editoriale. La ristampa degli esemplari esistenti nelle biblioteche di tali opere è consentita, non essendo concorrenziale all opera. Non possono considerarsi rare le opere di cui esiste, nel catalogo dell Editore, una successiva edizione, le opere presenti in cataloghi di altri editori o le opere antologiche. Copertina: Francesca Tomasello Progetto e realizzazione grafica: Francesca Tomasello Redazione: Lucisano Editore Fonti iconografiche principali: Dreamstime Disegni: Dmitrij Leoni, Sandro Giordano, Modi Artistici L Editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non sia stato possibile comunicare, nonché per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti, dei brani o delle illustrazioni riprodotte. Per illustrare il libro sono state utilizzate alcune immagini di prodotti in commercio. In nessun caso tali immagini vanno interpretate come una scelta di merito da parte dell Editore né, tanto meno, come un invito all acquisto dei prodotti raffigurati. Realizzare un libro è un operazione complessa, che richiede numerosi controlli: sul testo, sulle immagini e sulle relazioni che si stabiliscono tra essi. L esperienza suggerisce che è praticamente impossibile pubblicare un libro privo di errori. Saremo quindi grati ai lettori che vorranno segnalarceli.

4 INDICE BIOLOGIA: IL MONDO DEI VIVENTI LA MATERIA VIVENTE E LA SUA COMPOSIZIONE 10 I composti della vita 11 I composti organici 11 Gli zuccheri o glucidi 11 I lipidi o grassi 13 Le proteine 14 Gli acidi nucleici 15 I nucleotidi 15 Struttura degli acidi nucleici 16 Struttura del DNA 16 Struttura degli RNA 16 Reazioni chimiche ed enzimi 17 Test di autoverifica 19 LA VITA E LA CELLULA 20 Gli esseri viventi e la vita 21 La cellula 21 Struttura della cellula 23 La membrana cellulare 23 Gli organuli citoplasmatici 24 Il metabolismo cellulare 25 Il nucleo 26 La riproduzione cellulare 27 La mitosi 28 La meiosi 29 Eucarioti e procarioti 30 La cellula vegetale 30 Cellule, tessuti, organi e apparati 31 Test di autoverifica 33 LA CLASSIFICAZIONE DEGLI ESSERI VIVENTI 34 Dalla specie al regno 35 I cinque regni 40 Test di autoverifica 41 4 GLI ORGANISMI MICROSCOPICI 42 I microrganismi 43 Il regno delle Monère 43 Le alghe azzurre 43 I batteri 43 Il regno dei Protisti 45 I protozoi 46 Le alghe unicellulari 46 Test di autoverifica 47 3

5 5 6 7 LE PIANTE E I FUNGHI 48 Il regno verde del fai da te 49 Gli organi della pianta 49 Le radici 50 Il fusto 52 Le foglie 54 Classificazione delle piante 56 Le briofite 56 Le tracheofite o piante vascolari 57 Piante vascolari senza semi 58 Piante vascolari con semi o spermatofite 59 Il fiore 59 La riproduzione nelle piante con fiore 60 Le gimnosperme 65 Il regno dei funghi 66 Struttura dei funghi 66 I licheni 67 Test di autoverifica 69 IL REGNO ANIMALE: GLI INVERTEBRATI 70 Gli animali: esseri eterotrofi mobili 71 Gli invertebrati 73 I poriferi (o spugne) 73 I celenterati 74 I vermi 76 Gli artropodi 77 I molluschi 83 Gli echinodermi 86 Test di autoverifica 87 IL REGNO ANIMALE: I VERTEBRATI 88 Caratteristiche generali dei vertebrati 89 I pesci 92 Gli anfibi 96 I rettili 97 Gli uccelli 99 I mammiferi 102 Test di autoverifica L AMBIENTE E LA VITA 106 L ecologia 107 Labiosferaeibiomi 108 La vita nelle acque: i biomi acquatici 109 Biomi di acqua dolce 109 Bioma marino 111 L ecosistema 113 4

6 Individui, popolazioni, comunità 113 Produttori, consumatori, decompositori 114 Catene e reti alimentari 115 Le piramidi ecologiche 117 I cicli della materia 118 Il ciclo del carbonio 119 Il ciclo dell azoto 120 Il ciclo dell acqua 120 La lotta per la sopravvivenza 121 Competizione e nicchia ecologica 122 Predazione e parassitismo 123 Il mimetismo 124 Rapporti di alleanza 124 Test di autoverifica L ORIGINE E L EVOLUZIONE DELLA VITA SULLA TERRA 126 Il mistero della vita 127 Il brodo primordiale 127 L evoluzione dei viventi 129 I primi autotrofi 129 Dai procarioti agli eucarioti 129 L unione fa la forza: i primi pluricellulari 130 La conquista della terraferma 131 I fossili e la storia della vita sulla Terra 132 I fossili: una preziosa fonte di informazioni 133 Le ere geologiche 133 L era Archeozoica 134 L era Paleozoica o primaria 134 L era Mesozoica o secondaria 135 L era Cenozoica o terziaria 136 L era Neozoica o quaternaria 137 Test di autoverifica 141 LE TEORIE DELL EVOLUZIONE 142 L evoluzione biologica 143 Il fissismo 143 I fossili e la teoria delle catastrofi 143 La teoria di Lamarck 144 La teoria di Darwin 145 Il principio di selezione e il principio di variabilità 146 Come agisce la selezione naturale 148 Test di autoverifica 149 È possibile trovare diverse risorse aggiuntive on-line, relative a questo libro, sul sito: 5

7 INDICE IL CORPO UMANO IL CORPO UMANO E LA PELLE 152 Dalla testa ai piedi 153 Livelli di organizzazione del corpo umano 153 L uomo è un organismo pluricellulare 153 I tessuti 154 Gli organi 155 Gli apparati e i sistemi 156 La pelle 158 Funzioni della pelle 160 Test di autoverifica 163 L APPARATO LOCOMOTORE: SOSTEGNO E MOVIMENTO 164 Sostegno e movimento 165 Le ossa 165 Composizione dello scheletro 166 Le articolazioni 170 Il Sistema muscolare 171 Muscoli striati e lisci 172 La contrazione muscolare 173 L affaticamento muscolare 174 Test di autoverifica 175 NUTRIZIONE, DIGESTIONE E ASSORBIMENTO 176 Fabbisogno energetico e materiale 177 Gli alimenti 177 I principi nutritivi 177 Calorie per vivere 178 Alimentazione equilibrata 179 Glucidi, carboidrati o zuccheri 179 Monosaccaridi 179 Oligosaccaridi 180 Polisaccaridi 180 Lipidi o grassi 181 Classificazione dei lipidi 181 Grassi saturi e grassi insaturi 182 Proteine 183 Sali minerali 184 Vitamine 184 Acqua 185 L apparato digerente 186 Le tappe della digestione 186 Prima tappa della digestione: la bocca 187 Seconda tappa della digestione: lo stomaco 189 Terza tappa della digestione: l intestino tenue 190 L ultima tappa della digestione: l intestino crasso 193 Il fegato 194 Test di autoverifica 195 6

8 LA CIRCOLAZIONE 196 L apparato circolatorio 197 Il sangue 197 Il plasma 198 Le cellule del sangue 198 I gruppi sanguigni e le trasfusioni 200 Il cuore 201 Il ciclo cardiaco 203 I vasi sanguigni 204 La piccola e la grande circolazione 206 Il sistema linfatico 207 Test di autoverifica 209 LA RESPIRAZIONE E L ESCREZIONE 210 La respirazione 211 Le vie respiratorie 211 I polmoni 213 L attività respiratoria 214 La ventilazione polmonare 215 Gli scambi gassosi 216 L escrezione 217 L apparato urinario 218 Ireni 218 Le vie urinarie 219 Test di autoverifica 221 LA RIPRODUZIONE UMANA 222 Le funzioni degli apparati genitali 223 L apparato genitale maschile 223 I testicoli 223 Le vie spermatiche 225 Il pene e l atto sessuale 225 L apparato genitale femminile 226 Ciclo ovarico e ciclo mestruale 228 Le mestruazioni 228 La fecondazione e la gravidanza 229 Sviluppo embrionale e fetale 230 Test di autoverifica 231 LA TRASMISSIONE DEI CARATTERI EREDITARI 232 I caratteri ereditari e la genetica 233 Le leggi di Mendel 233 La prima legge di Mendel: legge della dominanza 233 La seconda legge di Mendel: legge della segregazione dei caratteri 235 Fattori, geni e cromosomi 235 7

9 1 La terza legge di Mendel: Legge dell indipendenza dei caratteri 237 Determinazione del sesso 238 Caratteri legati al sesso 239 I caratteri ereditari nell uomo 240 L ereditarietà dei gruppi sanguigni 240 Il DNA e il codice genetico 241 Le mutazioni 243 Test di autoverifica LE DIFESE DELL ORGANISMO 246 Le malattie infettive 247 Il sistema immunitario 249 Gli anticorpi, bombe intelligenti 250 Immunità attiva e passiva 251 I meccanismi di difesa aspecifici 252 Test di autoverifica 255 SISTEMI NERVOSO ED ENDOCRINO 256 Il sistema nervoso 257 I neuroni 257 L impulso nervoso 258 Struttura del sistema nervoso 260 Il sistema nervoso centrale 260 Il sistema nervoso periferico 263 I recettori e i riflessi 264 Il sistema nervoso autonomo 265 Recettori e organi di senso 266 L occhio e la vista 268 L orecchio e l udito 270 Percezione dei suoni e dei rumori 271 Il sistema endocrino 271 Test di autoverifica 273 È possibile trovare diverse risorse aggiuntive on-line, relative a questo libro, sul sito: 8

10 Scienze integrate Biologia: il mondo dei viventi SANDRO BARBONE

11 1 La materia vivente e la sua composizione Prerequisiti Gli allievi devono essere in grado di: Distinguere i concetti di atomo e molecola Spiegare come si forma un legame chimico Definire elemento e composto chimico Obiettivi Gli allievi devono essere in grado di: Indicare i principali composti organici presenti nelle cellule Distinguere monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi Indicare i principali carboidrati e le loro funzioni Descrivere i trigliceridi Spiegare la struttura delle proteine, indicando le loro funzioni Rappresentare graficamente, in modo schematico, la struttura dei nucleotidi e degli acidi nucleici Definire enzima e reazione chimica

12 Unità 1 La materia vivente e la sua composizione I COMPOSTI DELLA VITA Nonostante la loro grande biodiversità, tutti gli organismi sono costituiti da cellule, unità elementari della vita, e presentano una composizione chimica simile: idrogeno, ossigeno (che, insieme, si legano a formare l acqua), e carbonio che costituiscono, negli organismi viventi, un enorme numero di composti organici. I composti organici Il carbonio è in grado di legarsi ad altri atomi uguali, formando catene di atomi di carbonio più o meno lunghe, alle quali si legano di idrogeno, ossigeno e azoto. Si formano così molecole molto grandi e complesse, chiamate macromolecole (macro, in greco vuole dire grande). La maggior parte delle macromolecole sono polimeri, lunghe molecole costituite da molecole più piccole, dette monomeri. Questi composti del carbonio sono chiamati composti organici. I principali sono gli zuccheri,igrassi,leproteine e gli acidi nucleici. GLI ZUCCHERI O GLUCIDI I glucidi o zuccheri sono sostanze organiche ternarie, ossia composti formati da 3 tipi di atomi: carbonio, idrogeno e ossigeno. Monosaccaridi. I monosaccaridi, solubili in acqua, sono sostanze che gli esseri viventi utilizzano per l immediata produzione di energia per le cellule. Nel sangue dell uomo e degli altri vertebrati circola il monosaccaride glucosio che, nelle piante, viene prodotto attraversolafotosintesiclorofilliana.altriimportantimonosaccaridi sono il fruttosio, presente nella frutta e in molti vegetali e il galattosio che, con il glucosio, forma un disaccaride, il lattosio. Il ribosio e il deossiribosio sono due monosaccaridi a 5 atomi di carbonio (gli altri citati ne contengono 6), costituenti degli acidi nucleici (DNA e RNA) di cui ci dirà più avanti. Disaccaridi. I disaccaridi derivano dall unione di 2 molecole di monosaccaridi: due molecole di glucosio formano il maltosio; L enorme varietà di esseri viventi, la biodiversità, si accompagna ad una unitarietà nella composizione chimica. LAB: Le sostanze organiche monosaccaridi disaccaridi 11

13 SCIENZE INTEGRATE Biologia: il mondo dei viventi una molecola di glucosio e una di fruttosio formano il saccarosio, il comune zucchero da tavola, estratto dalla barbabietola e dalla canna da zucchero; una molecola di glucosio e una di galattosio formano il lattosio,lo zucchero contenuto nel latte. I disaccaridi, per poter essere utilizzati a scopo energetico, devono prima essere scissi, separando le due molecole di monosaccaridi che li costituiscono (idrolisi). Polisaccaridi LAB: Caccia all amido e agli zuccheri I polisaccaridi sono, costituite da molecole di monosaccaridi (glucosio) legate a formare lunghe catene. Essi rappresentano forme di riserva degli zuccheri. Negli animali il polisaccaride di riserva è il glicogeno (si trova nei muscoli e nel fegato); nelle piante è l amido. amido amido amilopectina glicogeno amilosio Amido e glicogeno sono entrambi polimeri del glucosio, a funzione di riserva energetica; differiscono nelle catene, più ramificate nel glicogeno. L amido comprende l amilosio e l amilopectina. 12

14 Unità 1 La materia vivente e la sua composizione La cellulosa è un polisaccaride che ha una funzione di sostegno della parete delle cellule vegetali. cellula vegetale parete cellulare fibrille di cellulosa che costituiscono la parete cellulare fibrilla microfibrilla molecola di cellulosa glucosio La cellulosa è un costituente fondamentale della parete delle cellule vegetali. Glicogeno, amido e cellulosa sono polisaccaridi formati da lunghe catene di molecole di glucosio. La digestione dei polisaccaridi prevede la rottura dei legami tra le molecole di glucosio che, essendo diversi, richiedono enzimi digestivi diversi. I LIPIDI O GRASSI Anche i lipidi sono costituiti da catene di atomi di carbonio ai quali sono legati atomi di idrogeno e di ossigeno. Sono, però, insolubili in acqua. Tra i grassi vanno ricordati i trigliceridi, utilizzati per produrre energia o con funzioni di riserva energetica all interno delle cellule adipose. Altri lipidi, i fosfolipidi eilcolesterolo sono importanti costituenti delle membrane cellulari. LAB: Riconoscimento dei lipidi 13

15 SCIENZE INTEGRATE Biologia: il mondo dei viventi Struttura dei trigliceridi Sono costituiti da una molecola di glicerolo, a cui si legano 3 molecole di acidi grassi. Gli acidi grassi sono formati da lunghe catene di atomi di carbonio legati tra loro e collegati ad atomi di idrogeno e, a una estremità della catena, ad atomi di ossigeno (gruppo COOH). I legami tra gli atomi di carbonio possono essere semplici o doppi. Se sono presenti solo legami semplici gli acidi grassi sono detti saturi, se sono presenti anche legami doppi sono invece detti insaturi, polinsaturi se sono presenti molti legami doppi. glicerolo legame singolo trigliceride acido grasso legame doppio Che cosa determina la struttura primaria delle proteine? Amminoacidi essenziali e non LAB: Proteine a colori LE PROTEINE Le proteine, oltre al carbonio, l idrogeno e l ossigeno, contengono atomi di azoto. Sono, perciò, composti organici quaternari (lipidi e glucidi sono, invece, composti organici ternari). Le proteine sono costituite da aminoacidi, legati tra loro a formare lunghe catene, differenti per numero e sequenza degli aminoacidi: esistono venti tipi di aminoacidi, per cui le combinazioni possibili sono moltissime. Sono proteine i costituenti principali delle strutture cellulari, gli enzimi, gli ormoni, gli anticorpi, ecc. I legami che uniscono tra loro gli aminoacidi sono detti legami peptidici, per cui le proteine vengono dette anche polipeptidi. Struttura delle proteine. La struttura primaria della proteina è data dalla sequenza degli aminoacidi. La loro disposizione nello spazio (avvolgimento a elica, oppure a foglietti ripiegati) rappresenta la Struttura delle proteine. foglietti beta polipeptide più catene polipeptidiche alfa-elica struttura primaria struttura secondaria struttura terziaria struttura quaternaria 14

16 Unità 1 La materia vivente e la sua composizione struttura secondaria, mentre la struttura terziaria indica la disposizione nelle tre dimensioni dello spazio di questa catena avvolta a elica. Infine, la struttura quaternaria è determinata dalla combinazione di più catene di aminoacidi. GLI ACIDI NUCLEICI Gli acidi nucleici sono le macromolecole più complesse e importanti degli esseri viventi, sono costituiti da unità elementari (monomeri) che si collegano tra loro a formare una lunga catena simile a una scala a chiocciola nel DNA, a trifoglio nell RNA di trasporto). Le singole unità si chiamano nucleotidi. Esistono due diversi acidi nucleici: il DNA (Acido Deossiribo Nucleico) e l RNA (Acido Ribo Nucleico). Negli acidi nucleici è contenuto il codice genetico per la trasmissione dei caratteri ereditari, con l informazione necessaria per lo svolgimento delle le reazioni chimiche alla base della vita. I nucleotidi Gli acidi nucleici sono costituiti da lunghe catene di unità elementari, i nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da 3 parti unite insieme: un gruppo fosfato (P), uno zucchero (Z) a 5 atomi di carbonio (ribosio nell RNA e deossiribosio nel DNA) e una base azotata (B), ossia una molecola complessa contenente azoto. Il fosfato (P) è legato allo zucchero (Z) e allo zucchero è legata la base azotata (B). Che cos è il DNA? Come è fatto un nucleotide? Nucleotidi del DNA e dell RNA e loro appaiamento (A-T o A-U e C-G). adenina timina guanina citosina adenina uracile guanina citosina 15

17 SCIENZE INTEGRATE Biologia: il mondo dei viventi I nucleotidi si legano tra loro per formare le lunghe catene degli acidi nucleici; il gruppo fosfato di un nucleotide si lega allo zucchero del successivo nucleotide. La base azotata è la parte variabile del nucleotide. Infatti, nel DNA possiamo distinguere 4 diverse basi azotate: Adenina (A); Guanina (G); Citosina (C); Timina (T). Nell RNA invece della Timina troviamo un altra base azotata, l Uracile (U). Le basi azotate (e quindi i nucleotidi) sono complementari: alla Guanina si collega sempre la Citosina e all Adenina la Timina (o l Uracile, nell RNA). Questa sequenza ha una importanza fondamentale perché rappresenta il codice genetico per la trasmissione dei caratteri ereditari. Struttura degli acidi nucleici Nella struttura dei singoli nucleotidi, nel DNA troviamo lo zucchero deossiribosio, negli RNA il ribosio; Nel DNA c è la Timina (T), negli RNA l Uracile (U); Infine, il DNA è costituito da due catene di nucleotidi complementari, appaiate e disposte a scala a chiocciola, mentre gli RNA sono in gran parte costituiti da una catena singola. Struttura del DNA Nel DNA le basi azotate di una catena polinucleotidica sono appaiate alle basi complementari (A con T e C con G) dell altra catena con deboli legami (a idrogeno). Il DNA è costituito da due catene complementari du nucleotidi avvolti a formare una specie di scala a chiocciola. Struttura degli RNA Gli RNA sono di 3 tipi: RNA messaggero (mrna), RNA ribosomiale (rrna) ed RNA di trasporto (trna). L RNA messaggero (mrna) è una copia di un pezzo di DNA (ossia di un gene), che ha il compito di trasferire l informazione genetica dal nucleo ai ribosomi, nel citoplasma. 16

18 Unità 1 La materia vivente e la sua composizione RNA di trasporto rrna trna tripletta codone tripletta anticodone RNA messaggero ribosoma mrna RNA ribosomiale (rrna) I tre tipi di RNA: mrna (RNA messaggero), copia di una porzione di DNA; rrna (RNA ribosomiale), costituente dei ribosomi e trna (RNA di trasporto), a cui sono legati gli amminoacidi. L RNA ribosomiale (rrna), insieme ad alcune proteine, forma i ribosomi, gli organuli in cui viene attuata la sintesi proteica. Gli RNA di trasporto (trna) sono costituiti da una singola catena di RNA, relativamente breve, che ha una caratteristica forma a trifoglio; ad una estremità della catena si attacca un aminoacido; dalla parte opposta una sequenza di 3 nucleotidi, detta anticodone, perché complementare ad una tripletta dell RNA messaggero detta codone. La corrispondenza tra codone, anticodone e aminoacido legato al trna è estremamente precisa: ad una tripletta, infatti, può corrispondere solo un aminoacido particolare; poiché, tuttavia, le triplette possibili sono 64, mentre gli aminoacidi sono solo 20, ad ogni aminoacido corrisponde in quasi tutti i casi più di una tripletta, per cui possiamo riconoscere 61 trna diversi che trasportano i 20 tipi di aminoacidi. REAZIONI CHIMICHE ED ENZIMI Una reazione chimica è un processo in cui una o più molecole (chiamate reagenti) si trasformano in altre molecole (dette prodotti della reazione). Una reazione chimica presuppone la rottura di alcuni legami e/o la formazione di nuovi legami. 17

19 SCIENZE INTEGRATE Biologia: il mondo dei viventi La presenza di un enzima (grafico B) riduce l energia di attivazione della reazione chimica aumentandone la velocità. contenuto di energia reagenti stato iniziale Energia di attivazione Energia prodotta contenuto di energia reagenti stato iniziale In presenza di enzimi Energia di attivazione Energia prodotta prodotti prodotti A stato finale B stato finale tempo B tempo Le reazioni chimiche sono alla base della vita delle cellule di tutti gli organismi viventi; e richiedono una quantità di energia, più o meno elevata (a seconda della reazione), detta energia di attivazione. Alcune sostanze, dette catalizzatori, sono in grado di ridurre l energia di attivazione e aumentarne la velocità. Nelle cellule sono rappresentati dagli enzimi, costituiti da molecole proteiche che non prendono parte alle reazioni chimiche, ma le accelerano riducendo l energia di attivazione necessaria e sempre disponibili. Ogni enzima è specifico per una sola reazione, come una chiave va bene solo per una serratura. La vita della cellula (e dell organismo intero) dipende quindi dalla sua capacità di produrre tutti gli enzimi di cui ha bisogno per le sue reazioni chimiche. Un piccolissimo errore nella costruzione di un enzima può perciò determinare anche danni irreparabili alla cellula. Un enzima (E) interviene nella trasformazione dei due substrati S nella molecola P; alla fine della reazione, Eèancoradisponibile per attivare la trasformazione di altre molecole di S. S E S P E 18

20 Unità 1 La materia vivente e la sua composizione TEST DI AUTOVERIFICA 1 1 Da cosa sono costituite le macromolecole? 2 Fai almeno un esempio di monosaccaride, disaccaride e polisaccaride. 3 Dove si trova in natura l amido? 4 Come vengono utilizzati i trigliceridi dall organismo? 5 Quali sono le basi azotate del DNA? 6 In cosa differiscono per composizione il DNA e l RNA? 7 Quanti e quali RNA esistono? 8 Che cos è una reazione chimica? Come agisce un enzima? 19

http://digilander.libero.it/glampis64 Idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto costituiscono il 99% delle cellule. I composti del carbonio sono chiamati composti organici o molecole organiche. I composti organici

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