Luigi Leopardi Mariateresa Gariboldi. La varietà dei viventi

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1 Luigi Leopardi Mariateresa Gariboldi La varietà dei viventi

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3 Luigi Leopardi Mariateresa Gariboldi La varietà dei viventi B

4 internet: Si ringrazia la Fondazione Umberto Veronesi per il progresso delle scienze nelle persone di Monica Ramaioli, direttore, e Giovanna Gatti, supervisore scientifico. Proprietà letteraria riservata 2008 De Agostini Scuola SpA Novara 1ª edizione: febbraio 2008 Printed in Italy Le fotografie di questo volume sono state fornite da: Foto De Agostini Picture Library, Corbis, Marka. Foto copertina: ICP, Marka. L Editore dichiara la propria disponibilità a regolarizzare eventuali omissioni o errori di attribuzione. Nel rispetto del DL 74/92 sulla trasparenza nella pubblicità, le immagini escludono ogni e qualsiasi possibile intenzione o effetto promozionale verso i lettori. Tutti i diritti riservati. Nessuna parte del materiale protetto da questo copyright potrà essere riprodotta in alcuna forma senza l autorizzazione scritta dell Editore. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, comma 4, della legge 22 aprile 1941, n Le riproduzioni ad uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO Corso di Porta Romana, Milano segreteria@aidro.org; Eventuali segnalazioni di errori o refusi e richieste di chiarimenti sulle scelte operate dagli autori e dalla Casa Editrice possono essere inviate all indirizzo di posta elettronica della redazione. Stampa: Deaprinting Novara Edizione: I II III IV V VI Anno:

5 Indice III UNITÀ 1 L organizzazione dei viventi 2 Scienze 1.1 Le caratteristiche fondamentali dei viventi Le cellule: i mattoni fondamentali dei viventi Le particolarità della cellula vegetale Cellule eucariote e procariote Diversi tipi di divisione cellulare Dalla cellula all organismo La rigenerazione 20 Strumenti per osservare le cellule 21 La scoperta della cellula 21 Acquaporine, i canali dell acqua 22 Mappa dei concetti 23 Concetti chiave 24 Usare le parole 24 Sapere 24 Osservare, spiegare 25 UNITÀ 2 La classificazione dei viventi 26 Scienze Life 2.1 La necessità di classificare Dalla specie al regno Ogni vivente ha un nome e un cognome La classificazione attuale Stabilire la parentela evolutiva 34 Life Linneo e Darwin: due modi di intendere la classificazione 36 Mappa dei concetti 37 Concetti chiave 38 Usare le parole 38 Sapere 38 Osservare, spiegare 39 UNITÀ 3 Monere, protisti, funghi e virus Il regno delle monere Il regno dei protisti Il regno dei funghi 50

6 IV LA VARIETÀ DEI VIVENTI B Scienze 3.4 I virus 56 Microrganismi, funghi e virus: ospiti pericolosi 57 Le grandi epidemie 58 Funghi e biotecnologie 58 Mappa dei concetti 59 Concetti chiave 60 Usare le parole 60 Sapere 60 Osservare, spiegare 61 UNITÀ 4 Le piante Il regno delle piante La radice assorbe acqua e sali minerali Il fusto trasporta la linfa La foglia svolge la fotosintesi clorofilliana La riproduzione nelle piante con fiori La struttura del fiore Dal fiore al seme e al frutto Dal seme alla nuova pianta La classificazione delle piante Le spermatofite, le piante con i semi 83 Scienze Le piante medicinali 85 Un alga e un albero a confronto 85 La caduta delle foglie 86 Piante e insetti, storia di una collaborazione 86 Mappa dei concetti 87 Concetti chiave 88 Usare le parole 88 Sapere 88 Osservare, spiegare 89 UNITÀ 5 Gli animali invertebrati 90 Scienze Life Life 5.1 Gli animali: un primo sguardo I poriferi, pieni di pori I celenterati hanno il celenteron I vermi: piatti, a fili o ad anelli Gli artropodi hanno arti articolati I molluschi hanno il corpo molle Gli echinodermi: animali con la pelle spinosa 110 Life Alcuni invertebrati sono parassiti dell uomo 111 L allevamento del baco da seta 112 Strani modi per nascere: la partenogenesi 112 Mappa dei concetti 113 Concetti chiave 114 Usare le parole 114 Sapere 115 Osservare, spiegare 115

7 Indice V UNITÀ 6 Gli animali vertebrati 116 Scienze 6.1 Dagli invertebrati ai vertebrati I pesci, adatti a vivere in acqua Gli anfibi hanno una doppia vita I rettili, adatti alla terraferma Gli uccelli, macchine per volare I mammiferi: animali che allattano la prole 128 Life Attenti alle vipere! 132 La biomimetica, ovvero l imitazione della natura 132 Mappa dei concetti 133 Concetti chiave 134 Usare le parole 134 Sapere 135 Osservare, spiegare 135 UNITÀ 7 L ambiente 136 Scienze 7.1 L ecologia, una scienza recente Le comunità L ecosistema La biosfera e i biomi terrestri 148 Life I cicli della materia 156 Gli ambienti si modificano nel tempo 157 Veleni nella catena alimentare 158 Specie in pericolo 158 Mappa dei concetti 159 Concetti chiave 160 Usare le parole 160 Sapere 160 Osservare, spiegare 161 UNITÀ 8 Il comportamento degli animali 162 Scienze 8.1 Una nuova scienza: l etologia Il linguaggio degli animali La difesa del territorio La ricerca del partner Le cure parentali La vita sociale 173 Life Le trappole a feromoni 175 Perché gli animali migrano 175 Jane Goodall, la Signora delle scimmie 176 Società chiuse 176 Mappa dei concetti 177 Concetti chiave 178 Usare le parole 178 Sapere 178 Osservare, spiegare 179

8 VI LA VARIETÀ DEI VIVENTI B UNITÀ 9 L evoluzione dei viventi 180 Scienze 9.1 I fossili e la storia della vita Le teorie pre-evoluzioniste La teoria evoluzionista di Darwin 187 La ricostruzione della vita nel passato 193 Moderne teorie sull evoluzione 193 Una prova della teoria dell evoluzione 194 I funghi sono parenti degli animali 194 Mappa dei concetti 195 Concetti chiave 196 Usare le parole 196 Sapere 196 Osservare, spiegare 197 UNITÀ 10 Origine e storia della vita L inizio della vita Come nacque la prima cellula? La storia della vita L origine dell uomo 210 Scienze Life Life I fossili viventi 216 L estinzione del Cretaceo 216 Mappa dei concetti 217 Concetti chiave 218 Usare le parole 218 Sapere 218 Osservare, spiegare 219 Indice delle esperienze di laboratorio 221 Glossario 222 Indice analitico 225

9 La varietà dei viventi B

10 Unità 1 Quali caratteristiche ci permettono di definire vivente un organismo e di distinguerlo da un oggetto inanimato? Come sono fatti gli esseri viventi? Quali processi rendono possibile la loro vita e il mantenimento delle loro caratteristiche nel tempo? Iniziamo lo studio degli argomenti più appassionanti della biologia. L organizzazione dei viventi obiettivi Alla fine di questa Unità sarai in grado di: Y descrivere le caratteristiche dei viventi Y spiegare che la cellula è l unità fondamentale dei viventi Y descrivere l organizzazione della cellula e la funzione dei vari organuli cellulari Y indicare le differenze tra la cellula procariote e la cellula eucariote Y descrivere la divisione cellulare per mitosi, meiosi e scissione binaria Y spiegare il significato di organismo autotrofo ed eterotrofo Y indicare i vari livelli di organizzazione: cellula, tessuto, organo, sistema, apparato PRIMA DI COMINCIARE Per affrontare gli argomenti di questa Unità, devi dimostrare di: Y conoscere la composizione dell aria Y saper spiegare che cosa si intende per sostanze organiche e sostanze inorganiche Y saper distinguere tra viventi e non viventi e tra piante e animali 1. Indica se le seguenti affermazioni sono vere (V) o false (F). a. L aria contiene solo azoto. v f b. Per respirare usiamo l ossigeno. v f c. I funghi sono particolari piante. v f d. L anidride carbonica è una sostanza inorganica. v f e. I licheni non sono esseri viventi. v f f. L acqua è una sostanza organica. v f g. Il vetro è una sostanza organica. v f h. L olio è una sostanza organica. v f i. Lo zucchero è una sostanza organica. v f 2. Osserva la figura e rispondi alle domande. a. Che cosa c è nell aria di utile alle piantine per vivere? b. Quale gas dell aria utilizza il topolino per vivere? c. Perché le piantine e il topolino possono vivere entrambi sotto la stessa campana di vetro? 3. Prepara una tabella a tre colonne (piante, animali, non viventi) e scrivi nella colonna corretta i seguenti termini. rosa del deserto ó farfalla ó cactus ó felce ó aceto ó corallo ó medusa ó lampadina ó aceto ó menta ó muschio ó sequoia ó girasole ó formica ó gabbiano ó lettore di CD-ROM ó volpe ó aria ó acqua

11 Unità 1 L organizzazione dei viventi 3 Biologia La scienza che studia i viventi. 1.1 Le caratteristiche fondamentali dei viventi Gli esseri viventi sono straordinariamente vari per l aspetto, le dimensioni e la struttura: il piccolo campionario della FIGURA 1 ci offre solo una pallida idea di questa varietà. Talvolta è difficile distinguere tra loro forme viventi diverse, per esempio stabilire se un organismo è una pianta o un animale: è il caso dei coralli, animali molto semplici che per molto tempo sono stati considerati piante sottomarine per la loro somiglianza con un ramo fiorito (FIG. 1b). Quanto alle dimensioni, esistono creature talmente piccole (come i batteri) da essere visibili solo con l aiuto di un microscopio; altre, come le formiche, sono lunghe appena pochi millimetri; altre ancora sono enormi, come le gigantesche sequoie della California alte fino a 120 metri (FIG. 1d) e le balene. Di certo sappiamo che sono tutti esseri viventi, ben distinti dagli oggetti inanimati come i sassi o l acqua. La domanda che ci poniamo è: che cosa hanno in comune queste creature in apparenza così diverse? C è una risposta immediata che sembra semplice: hanno in comune la vita. Ma allora, che cos è la vita? A questo punto la risposta si fa così difficile che neppure la biologia, la scienza che studia gli esseri viventi, è stata finora in grado di fornirne una completa. Possiamo avvicinarci al significato della vita considerando alcuni caratteri con cui essa si manifesta.?miniverifica Quali caratteristiche distinguono gli esseri viventi dagli oggetti inanimati? Che cosa studia la biologia? a b c d FIGURA 1 3 Alcuni funghi (a), un corallo arborescente che ricorda un ramo fiorito (b), un aquila (c), degli alberi (d): quattro tipi di organismi che danno l idea della enorme varietà degli esseri viventi.

12 4 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B cresce si muove si nutre si riproduce nasce muore FIGURA 2 1 Le caratteristiche che distinguono gli esseri viventi dalla materia inanimata, illustrate con l aiuto di un pulcino. Come ogni altro organismo, il pulcino nasce, si nutre, cresce e diventa gallina, si muove, si riproduce e muore.?miniverifica Che cos è il metabolismo? Che cosa significa eterotrofo? Quali sono gli organismi eterotrofi? Che cosa significa che un organismo è autotrofo? Quali sono gli organismi autotrofi? Quali animali vengono definiti onnivori? Tutti gli esseri viventi nascono, si nutrono e respirano, crescono, si muovono, si riproducono, muoiono (FIG. 2). Nascere. L esistenza di ogni essere vivente, od organismo, ha inizio con la sua nascita e ha una durata più o meno lunga, ma comunque limitata: alcuni organismi microscopici vivono solo pochi minuti, mentre una tartaruga può superare i 100 anni e alcune specie di pini addirittura i 3000 anni. Nutrirsi, respirare e crescere. Per sopravvivere, un essere vivente deve nutrirsi per ricavare i materiali e l energia necessari al mantenimento delle sue funzioni vitali, come per esempio respirare e consentire la propria crescita corporea. Ogni individuo, infatti, è in grado di trasformare le sostanze di cui si nutre in altre sostanze che entrano a far parte del proprio corpo e di eliminare le sostanze di rifiuto (la trasformazione di una sostanza in un altra è un fenomeno chimico). La capacità di trasformare le sostanze e di ricavarne energia, eliminando i prodotti di rifiuto, viene chiamata metabolismo. Non tutti gli esseri viventi, però, si nutrono allo stesso modo: alcuni assumono il nutrimento dall esterno, cibandosi di altri esseri viventi, e sono detti eterotrofi; altri sono capaci di produrre da sé il proprio nutrimento e per questo sono detti autotrofi. Gli animali sono eterotrofi e si distinguono in: erbivori (come il cavallo), se si cibano di vegetali; carnivori (come lo sciacallo), se mangiano altri animali; onnivori (come il maiale; anche l uomo è onnivoro), se si cibano di entrambi (FIG. 3). Metabolismo La capacità degli organismi di trasformare le sostanze per ricavare energia e di eliminare i prodotti di rifiuto. Eterotrofi Parola di origine greca che significa che si nutre di altri : indica gli organismi che si nutrono di sostanze prodotte da altri esseri viventi, perché incapaci di produrre il proprio nutrimento. Autotrofi Parola di origine greca che significa che si nutre da sé : indica quegli organismi che, come i vegetali, sono capaci di trasformare sostanze inorganiche in sostanze organiche per il proprio nutrimento.

13 Unità 1 L organizzazione dei viventi 5 FIGURA 3 1 Gli animali, a seconda del tipo di alimentazione, si suddividono in erbivori (come il cavallo), carnivori (come lo sciacallo) e onnivori (come il maiale; anche l uomo è un onnivoro). Le piante sono autotrofe. Con le radici assorbono dal terreno l acqua e i sali minerali, con le foglie verdi assorbono dall aria l anidride carbonica. Il colore verde delle foglie è dovuto alla presenza di clorofilla, una sostanza particolare, che è in grado di catturare la luce solare. Grazie all energia della luce solare, le foglie riescono a fare combinare tra loro l acqua e l anidride carbonica e a fabbricare sostanze organiche, in particolare il glucosio, uno zucchero ricco di energia, che viene utilizzato come alimento ; nello stesso tempo viene prodotto ossigeno, che si libera nell aria. Questo processo di fondamentale importanza svolto dalle piante è noto come fotosintesi clorofilliana (FIG. 4a). L ossigeno permette la respirazione, un altra funzione caratteristica di tutti gli esseri viventi. Fotosintesi clorofilliana Processo attraverso il quale le foglie, in presenza di luce, trasformano l anidride carbonica e l acqua in glucosio e ossigeno.

14 6 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B a FOTOSINTESI CLOROFILLIANA b si formano sostanze organiche (glucosio) anidride carbonica luce solare energia solare fotosintesi glucosio + ossigeno si libera ossigeno FIGURA 4 4 (a) La fotosintesi clorofilliana permette alle piante di trasformare, con l aiuto dell energia solare, l acqua e l anidride carbonica in glucosio e ossigeno. (b) Nella respirazione sono consumati ossigeno e glucosio e si producono anidride carbonica e acqua. La fotosintesi e la respirazione si possono considerare come fasi di un unico ciclo che rende possibile la vita sulla Terra (si dice che sono complementari). acqua anidride carbonica + acqua respirazione Animali e piante respirano. Durante la respirazione, l ossigeno si combina con il glucosio e viene liberata energia. Come prodotti finali della respirazione si formano acqua e anidride carbonica, cioè le stesse sostanze utilizzate dalle piante per la fotosintesi. Fotosintesi e respirazione sono perciò strettamente collegate tra loro (FIG. 4b) 5. Muoversi. I viventi hanno anche la capacità di movimento (FIG. 5a) e sono sensibili agli stimoli. Per esempio un animale, appena avverte la presenza di un predatore (stimolo), cerca di mettersi in salvo con la fuga (risposta; FIG. 5b); numerosi animali, quando sentono molto caldo (stimolo), si dirigono verso zone d ombra (risposta). FIGURA 5 2 (a) Un branco di zebre al galoppo. (b) Una lince canadese colta nell attimo in cui sta afferrando una lepre artica, che tenta di salvarsi con la fuga. a b

15 Unità 1 L organizzazione dei viventi 7 La capacità di muoversi e di reagire agli stimoli non è esclusiva degli animali. Le piante volgono le foglie verso il Sole; il girasole rivolge anche il fiore verso il Sole. Le margherite si aprono alla luce del giorno e si richiudono al calare della sera. La mimosa sensitiva ripiega le foglioline appena vengono toccate (FIG. 6a) e la foglia del pigliamosche scatta e si chiude come una trappola quando viene toccata da un insetto (FIG. 6b). 5 Importanti esperimenti sull aria, sugli animali e sui vegetali Durante la fotosintesi che si compie solo nelle ore di luce (8-10 ore al giorno) le piante producono più ossigeno di quanto ne consumano per la respirazione che si svolge durante tutta la giornata di 24 ore. L eccesso di ossigeno che si forma è disponibile per la respirazione degli animali. Questo fenomeno fu studiato dallo scienziato inglese John Priestley, nella seconda metà del XVIII secolo, quando ancora non si conosceva l esatta composizione dell aria. Priestley compì una serie di esperimenti. Mise un topolino in una campana di vetro (FIG. A). Dopo un po di tempo l animale manifestò segni di intorpidimento, finché morì. Anche una candela accesa posta sotto un altra campana dopo un po si spense prima di essersi consumata del tutto (FIG. B). A questo punto, Priestley fece un esperimento incrociato. Mise un topo sotto la campana dove si era spenta la candela e il topo morì subito; mise una candela accesa sotto la campana in cui era morto il topo e la candela dopo poco si spense. a campana di vetro b il topolino muore dopo poco tempo la candela si spegne dopo poco tempo Continuando nei suoi esperimenti Priestley riunì, sotto una campana di vetro, una pianticella di menta fresca e una candela accesa (FIG. C). Come al solito la candela bruciò per un po di tempo, poi si spense. La pianticella, invece, non appassì nemmeno dopo una decina di giorni. Inoltre, accendendo di nuovo la candela sotto la campana (FIG. D), essa arse come la prima volta. Priestley ripeté più volte l esperimento arrivando a queste c conclusioni: la piantina di menta riproduceva l aria (cioè l ossigeno) consumata dalla respirazione del topo e dalla combustione della candela; sono i vegetali che rendono l aria respirata di nuovo adatta alla vita degli animali. Per confermare le sue deduzioni, mise un topolino sotto una campana con una sufficiente quantità di pianticelle: l animale continuò a vivere per un tempo indefinito, mentre in assenza di vegetali sarebbe morto per asfissia in poche ore. d pianticella di menta la candela si spegne dopo poco tempo la pianticella non appassisce, anche dopo 10 giorni la candela rimane accesa per un certo tempo prima di spegnersi

16 8 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B FIGURA 6 4 (a) Appena viene sfiorata, una mimosa sensitiva ripiega le sue foglie. (b) Il pigliamosche è una pianta carnivora; contiene sostanze che attirano le mosche e, quando la mosca la sfiora (1), le foglie si rinserrano intrappolando l insetto (2); dopo la digestione le foglie si riaprono (3). a b Riprodursi. Ogni essere vivente, animale e vegetale, si riproduce, genera cioè una prole più o meno numerosa, costituita da individui a lui simili (FIG. 7). La riproduzione può essere sessuata (sessuale) o gamica oppure asessuata (asessuale) o agamica. La riproduzione sessuata richiede due genitori di sesso diverso (come nel caso dei mammiferi). Nella riproduzione asessuata è sufficiente un solo genitore, come nel caso dei batteri. FIGURA 7 4 (a) Nelle rane, come negli altri animali, la riproduzione avviene attraverso uova prodotte dalla femmina, che vengono fecondate dal maschio. (b) Le piante si riproducono per mezzo dei semi; nella fotografia vediamo una pianticella che inizia a svilupparsi da un chicco di granoturco. a b?miniverifica Che cos è la fotosintesi clorofilliana? Dove avviene? Quale funzione è resa possibile dall ossigeno? Che differenza c è tra riproduzione gamica e riproduzione agamica? Il ciclo della vita termina con la morte. Il percorso dell esistenza di un essere vivente, cioè il suo ciclo vitale, si conclude con la morte: le sue funzioni vitali cessano e il suo corpo inizia a decomporsi. La vita ha una storia I viventi possiedono un altra caratteristica comune: sono adattati all ambiente in cui vivono. L adattamento all ambiente è uno dei caratteri fondamentali della vita. Esso non dipende solo dall alimentazione, ma anche dalla necessità di muoversi, di nascondersi, di sopportare il freddo e il caldo, di vivere sulla terraferma o nell acqua. Nel corso di molte generazioni, lentamente e gradualmente, piante e animali si sono modificati per successivi adattamenti al mutare delle condizioni ambientali, dando origine a nuove forme di vita. Questa loro evoluzione è testimoniata dal ritrovamento di scheletri, gusci, semi, foglie, conchiglie rimasti imprigionati nelle rocce e diventati fossili (FIG. 8). FIGURA 8 1 Un trilobite, artropode fossile marino appartenente a un grande gruppo animale oggi non più esistente in quanto estinto quasi 300 milioni di anni fa. I fossili rappresentano forme di vita passate e permettono di ricostruire la storia della vita sulla Terra.

17 Unità 1 L organizzazione dei viventi 9 Cellula L unità fondamentale che costituisce ogni organismo vivente. 1.2 Le cellule: i mattoni fondamentali dei viventi Grazie al microscopio, i biologi hanno scoperto un altra caratteristica che distingue gli esseri viventi dalla materia inanimata: tutti gli organismi sono formati dalle stesse unità fondamentali: le cellule (vedi anche la scheda Strumenti per osservare le cellule, a p. 21). Possiamo dire che le cellule sono i mattoni con cui è costruito il corpo di ogni essere vivente. Per quanto piccola, la cellula è dotata di vita autonoma: si nutre, respira, trasforma le sostanze, elimina i rifiuti ecc. Per questo si può affermare che essa è la più piccola unità biologica vivente (vedi anche la scheda La scoperta della cellula a p. 21) 5. Esistono esseri viventi costituiti da una sola cellula, che perciò sono chiamati unicellulari (FIG. 9); altri, costituiti da molte cellule, sono detti pluricellulari (FIG. 10). FIGURA 9 2 Esempio di organismo unicellulare: un batterio fortemente ingrandito; i lunghi filamenti (flagelli) gli servono per spostarsi in ambiente liquido. FIGURA 10 3 Esempio di organismo pluricellulare: un beluga, un grosso cetaceo. La cellula ha una struttura complessa La scoperta della cellula aveva subito fatto nascere negli scienziati l idea che essa dovesse avere una struttura assai complessa per poter svolgere, in modo così armonico, tutte le numerose funzioni che le erano affidate: far entrare il nutrimento, trasformarlo, ricavare energia dalle sostanze introdotte, utilizzare questa energia al momento opportuno o immagazzinarla come riserva, eliminare i rifiuti, riprodursi. Ma è stato solo con l invenzione del microscopio elettronico che si sono potuti vedere, fin nei minimi particolari, i minuscoli organelli responsabili di tutte queste varie funzioni.

18 10 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B Le cellule che costituiscono gli animali e le piante sono molto differenti tra loro per forma, dimensione, struttura e funzione, ma tutte possiedono tre parti fondamentali (FIG. 11): 1. un involucro esterno (membrana cellulare); 2. una piccola massa centrale (nucleo); 3. del materiale gelatinoso (citoplasma) che riempie l interno della cellula. FIGURA 11 2 (a) Così appare al microscopio una cellula animale. (b) Disegno schematico di una cellula animale in cui sono evidenziate le strutture fondamentali. a b?miniverifica Che cosa significa che un essere vivente è unicellulare o pluricellulare? Quali sono le parti fondamentali che si possono riconoscere in una cellula? nucleo citoplasma membrana cellulare 5 Di che cosa sono fatte le cellule La materia vivente, di cui sono fatte le cellule, è fabbricata utilizzando come materiali di partenza una parte degli stessi elementi chimici che costituiscono la materia inanimata, come l acqua, l aria, i minerali e le rocce. L acqua, per esempio, è un composto formato da ossigeno e idrogeno; l aria è una miscela di ossigeno, azoto, anidride carbonica (un composto formato da ossigeno e carbonio); i costituenti dei minerali e delle rocce sono ossigeno, silicio e vari elementi metallici (sodio, magnesio, calcio, alluminio, ferro ecc.). La materia vivente si distingue da quella inanimata perché è costituita in massima parte da quattro elementi base: carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Le sostanze formate da questi elementi si trovano in natura solo negli organismi viventi e sono perciò dette sostanze organiche, per distinguerle da tutte le altre, chiamate sostanze inorganiche (per esempio l acqua, il sale da cucina, o cloruro di sodio, e l anidride carbonica). Le sostanze organiche hanno strutture complesse e si distinguono in quattro categorie principali. 1. Zuccheri o carboidrati. Sono formati essenzialmente da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono sostanze ricche di energia, adatte a fungere da carburante per la cellula (come la benzina per l automobile). Ne sono esempi il glucosio (che rende dolce l uva), il saccarosio (il comune zucchero da tavola), il lattosio (lo zucchero del latte), l amido (di cui sono ricchi il pane, la pasta, il riso, le patate), la cellulosa (abbondante nei vegetali). 2. Lipidi o grassi. Sono sostanze importanti sia come costituenti delle cellule, sia come riserva di energia. Sono ricchi di grassi il burro e l olio. 3. Proteine. Sono sostanze fondamentali per qualsiasi forma di vita, essendo il più importante materiale da costruzione della cellula; assicurano anche il perfetto funzionamento di ogni attività vitale. Fra le proteine sono particolarmente importanti gli enzimi, che rendono possibili la maggior parte delle trasformazioni chimiche della cellula. 4. Acidi nucleici. Sono sostanze complesse formate da grandi molecole, costituite da lunghe catene di unità più piccole, i nucleotidi. Ci sono due tipi di acidi nucleici, il DNA e l RNA. Il DNA racchiude (in codice) le informazioni genetiche, cioè tutte le istruzioni per realizzare e fare funzionare ogni essere vivente, e che questo riceve da chi l ha generato. Le cellule contengono una certa percentuale di sostanze organiche, accanto ad acqua, che rappresenta il componente più abbondante della materia vivente. L uomo, nel suo complesso, è costituito per circa il 65% d acqua (FIG. 12). altre sostanza (sali minerali) 1% lipidi 10% acqua 65% proteine 18% carboidrati 6% FIGURA 12 1 L areogramma indica in percentuali le principali sostanze che compongono il corpo umano.

19 Unità 1 L organizzazione dei viventi 11 FIGURA 13 4 (a) La cellula contiene una grande varietà di organuli che svolgono specifiche funzioni. (b) Particolare della membrana cellulare: essa appare costituita da due strati formati da lipidi e da proteine. Osserviamo ora con maggior dettaglio come è fatta una cellula (FIG. 13). nucleolo lisosoma membrana nucleare nucleo ribosomi membrana cellulare reticolo endoplasmatico ruvido reticolo endoplasmatico liscio mitocondrio citoplasma apparato di Golgi centrioli particolare della membrana cellulare?miniverifica Perché la cellula è l unità fondamentale dei viventi? Che cosa significa organismo pluricellulare? I batteri sono organismi unicellulari o pluricellulari? Quali sono le parti fondamentali di qualsiasi cellula? La membrana cellulare racchiude la cellula La cellula è avvolta dalla membrana cellulare, che ha il compito di tenere insieme i vari costituenti cellulari; inoltre, essendo semipermeabile, regola gli scambi con l ambiente esterno scegliendo, di volta in volta, le sostanze necessarie e impedendo a quelle dannose o inutili di entrare (vedi la scheda Acquaporine, i canali dell acqua, a p. 22). Membrana cellulare Involucro che racchiude la cellula e ne regola gli scambi con l esterno.

20 12 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B?MINIVERIFICA Quale funzione svolge la membrana cellulare? Perché il nucleo è la parte più importante della cellula? Che cosa sono i cromosomi? Che cosa sono i pori nucleari? Quale funzione svolgono? FIGURA 14 2 Nel nucleo sono presenti filamenti di DNA, la sostanza costituente dei cromosomi. Nei nostri cromosomi sono programmate tutte le nostre caratteristiche, che distinguono ciascuno di noi da tutti gli altri esseri umani. Il nucleo controlla tutte le attività cellulari Il nucleo è il cervello della cellula; riceve informazioni e trasmette ordini e messaggi ; sa quando la cellula deve riprodursi, quale sostanza deve fabbricare, come regolarsi nei confronti di altre cellule. Tutte queste informazioni sono scritte nel DNA (FIG. 14), una sostanza a forma di lungo filamento avvolto a doppia elica; il DNA contiene anche tutte quelle informazioni che chiamiamo caratteri ereditari: si tratta delle caratteristiche che permettono di distinguere un determinato individuo da un altro e che sono trasmesse dai genitori ai figli. In certe circostanze, i filamenti di DNA, sparsi confusamente nel nucleo, si ammassano in piccole strutture a forma di bastoncino, i cromosomi, che si possono osservare al microscopio. All interno del nucleo è presente anche un corpuscolo più piccolo, chiamato nucleolo. Il nucleo è circondato dalla membrana nucleare, un sottile involucro con un gran numero di microscopici pori nucleari attraverso i quali passano le sostanze che entrano ed escono dal nucleo. Il citoplasma riempie l interno della cellula Il citoplasma è un materiale gelatinoso ricco d acqua, in cui sono disciolti zuccheri, proteine, sali minerali e altre sostanze. Nel citoplasma si trovano i vari comparti specializzati chiamati organuli cellulari: ognuno di essi svolge una particolare funzione, ma tutti collaborano tra loro in una sorta di divisione del lavoro della cellula. Per esempio, in un organulo vengono costruite le proteine, in un altro viene liberata l energia ecc. Gli organuli più importanti sono i mitocondri, i ribosomi, il reticolo endoplasmatico, l apparato di Golgi, i lisosomi, i centrioli. I mitocondri sono corpuscoli di forma allungata simili a salsicciotti, racchiusi da due membrane: quella esterna è liscia, quella interna è ripiegata più volte (FIG. 15). I mitocondri sono le cen- Nucleo Il cervello della cellula, di cui dirige tutte le funzioni. Citoplasma Porzione fluida di cui è costituita ogni cellula, compresa tra la membrana cellulare e il nucleo; nel citoplasma sono sospesi gli organuli cellulari. Mitocondri Organuli cellulari presenti nel citoplasma, che costituiscono le centrali energetiche delle cellule eucarioti. cromosoma la doppia elica del DNA FIGURA 15 2 Un mitocondrio è formato dalla membrana esterna liscia e da una membrana interna a creste. Mitocondrio creste membrana esterna membrana interna nucleo

21 Unità 1 L organizzazione dei viventi 13 ribosomi sulla superficie del reticolo endoplasmatico ruvido ribosoma FIGURA 16 1 Il reticolo endoplasmatico ruvido. Golgi Il nome è un tributo al medico e biologo Camillo Golgi ( ), che nel 1906 ebbe il premio Nobel per la medicina per i suoi studi sulla cellula e sul sistema nervoso. trali energetiche della cellula, perché in essi si svolge il processo della respirazione cellulare, durante la quale il glucosio viene bruciato per produrre una grande quantità di energia. I mitocondri contengono una piccola quantità di un particolare DNA, il DNA mitocondriale, simile a quello dei batteri. I ribosomi hanno l aspetto di microscopici granuli in parte sparsi nel citoplasma e presenti in gran numero sul reticolo endoplasmatico (FIG. 16). Hanno il compito di costruire, pezzo per pezzo, le proteine, cioè le sostanze fondamentali che costituiscono la materia vivente. I materiali per costruire le proteine provengono dalle sostanze nutritive penetrate nelle cellule. Il reticolo endoplasmatico è un complesso labirinto di canali che servono al trasporto di sostanze e al collegamento tra i vari organuli. Vi sono due diversi tipi di reticolo: il reticolo ruvido (o rugoso), cosiddetto per il gran numero di ribosomi che vi sono attaccati (FIG. 16), e il reticolo liscio, che non presenta ribosomi. L apparato di Golgi è un insieme di vescicole appiattite a fisarmonica, collegate sia con il reticolo endoplasmatico sia con i ribosomi; al loro interno vengono accumulati ed elaborati certi prodotti in attesa di essere spediti da qualche parte dentro la cellula o all esterno (FIG. 17). I lisosomi sono piccole vescicole contenenti enzimi digestivi, capaci di sciogliere numerose sostanze (per esempio, se un microbo penetrato nella cellula viene a contatto con un lisosoma, gli enzimi lo sciolgono in poco tempo). I centrioli sono piccole strutture che intervengono quando la cellula deve dividersi al momento della riproduzione. Infatti da essi si forma il fuso, un fascio di fibre che permette alle due cellule figlie di ricevere lo stesso numero di cromosomi. FIGURA 17 1 Il sistema di vescicole appiattite a fisarmonica che forma l apparato di Golgi.?MINIVERIFICA Da che cosa è composto il citoplasma? Che cosa sono i mitocondri? Perché sono importanti per la cellula? Quale funzione svolgono i ribosomi? A che cosa serve il reticolo endoplasmatico? Qual è la differenza tra reticolo endoplasmatico ruvido e reticolo endoplasmatico liscio? Che cos è l apparato di Golgi? Perché si chiama così? Che cosa sono i lisosomi? Che cosa sono i centrioli? Perché sono importanti?

22 14 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B 1.3 Le particolarità della cellula vegetale Le cellule vegetali possiedono alcuni organuli particolari (FIG. 18), quali la parete cellulare, i cloroplasti e i vacuoli. La parete cellulare è un ulteriore rivestimento esterno alla membrana cellulare, che dà forma e rigidità alla cellula vegetale. È costituita per lo più di cellulosa (uno zucchero complesso) e il suo spessore varia con l età della cellula: è sottile ed elastica nelle cellule giovani, spessa e robusta nelle cellule adulte. a apparato di Golgi mitocondrio FIGURA 18 6 (a) Struttura di una cellula vegetale. (b) e (c) Due fotografie al microscopio di cellule vegetali in cui sono molto evidenti le pareti cellulari e i cloroplasti. vacuolo nucleo cloroplasto reticolo endoplasmatico ruvido citoplasma membrana cellulare parete cellulare b c cloroplasto parete cellulare

23 Cloroplasti Organuli caratteristici della cellula vegetale, indispensabili per la fotosintesi clorofilliana. Unità 1 L organizzazione dei viventi I cloroplasti sono gli organuli contenenti clorofilla, presenti solo nelle cellule delle foglie e delle altre parti verdi delle piante, la cui funzione è quella di produrre carburante (il glucosio) per i mitocondri. In essi si svolge la fotosintesi resa possibile proprio dalla clorofilla, che è la sostanza in grado di catturare l energia luminosa e di utilizzarla per fare avvenire le trasformazioni di cui abbiamo parlato: cioè la combinazione tra anidride carbonica e acqua con formazione di glucosio e ossigeno (FIG. 19). I cloroplasti, come i mitocondri, contengono un proprio DNA indipendente dal DNA del nucleo. 15 FIGURA 19 4 Struttura di un cloroplasto. membrana esterna membrana interna grano: una pila di sacchetti contenenti la clorofilla I vacuoli sono vescicole contenenti acqua e varie sostanze. Quando i vacuoli sono ben rigonfi d acqua, la foglia è ben distesa, mentre se contengono poca acqua la foglia appare afflosciata. Nelle cellule vegetali giovani i vacuoli sono numerosi e piccoli, mentre nelle cellule adulte essi tendono a riunirsi in un unico grande vacuolo. Talvolta nelle cellule adulte i vacuoli vengono riempiti con sostanze nutritive di riserva: per esempio nelle cellule della patata i vacuoli si riempiono di granelli di amido.?miniverifica Ci sono cloroplasti nelle cellule delle radici? Motiva la tua risposta. Quali funzioni svolge la parete cellulare? Di che cosa è costituita la parete cellulare? Perché i cloroplasti sono importanti? Che cos è la clorofilla? Quali funzioni svolgono i vacuoli? Che cosa contengono i vacuoli del tubero della patata? Scienze/LAB Osserviamo una cellula animale tempo di esecuzione ó 30 minuti materiale occorrente ó Un microscopio ó Un vetrino portaoggetti e uno coprioggetti ó Acqua ó Un contagocce ó Una spatolina di legno ó Tintura di iodio (colorante che si fissa sul nucleo) esecuzione Gratta delicatamente con la spatolina l interno della tua guancia. Poni un po del materiale raccolto sul vetrino portaoggetti stendendolo bene e in modo uniforme. Versa una goccia d acqua e aggiungi una goccia di tintura di iodio. Copri con il vetrino coprioggetti, stando attento che non si formino bolle di aria: apparirebbero al microscopio come macchie scure circolari. Osserva il preparato al microscopio. mente rombica. Se si osservano a ingrandimenti maggiori, si può vedere al centro di ogni cellula una massa tondeggiante più scura, il nucleo della cellula. vetrino coprioggetti materiale da osservare (mucosa della bocca) vetrino portaoggetti fenomeni osservati Al microscopio si osservano le cellule che rivestono internamente la guancia. Esse hanno forma grossolanaspatolina di legno goccia d acqua e goccia di tintura di iodio

24 16 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B Scienze/LAB Osserviamo le cellule e i cloroplasti materiale occorrente ó Microscopio ó Vetrini portaoggetti e coprioggetti ó Una piantina di elodea (si acquista in un negozio d acquari) ó Acqua ó Una pinzetta da laboratorio ó Un contagocce esecuzione Colloca il microscopio in posizione stabile su un tavolo ben esposto alla luce solare. Con la pinzetta stacca una fogliolina di elodea e disponila sul vetrino portaoggetti. Versa con il contagocce un goccia d acqua sulla fogliolina e copri con un vetrino coprioggetti. Osserva al microscopio il preparato, dapprima con l ingrandimento minore e successivamente con ingrandimenti via via maggiori. fenomeni osservati La fogliolina è costituita da cellule disposte a stretto contatto tra loro, come le piastrelle di un pavimento. Le cellule hanno forma rettangolare e sono disposte regolarmente. Il colore dominante è il verde. spiegazione dei fenomeni Si vedono molto bene le pareti cellulari che delimitano le cellule. Esse sono costituite da cellulosa. Il colore verde è dovuta alla clorofilla che è contenuta nei cloroplasti della fogliolina. A maggiore ingrandimento si possono osservare ancora meglio le pareti delle cellule, ma si riesce a vedere anche i grossi cloroplasti all interno delle cellule. La visione è un po sfocata perché lo spessore della fogliolina contiene più strati di cellule e non si riesce a mettere bene a fuoco uno strato in particolare.?miniverifica Dove si trova il DNA nelle cellule eucariote? E in quelle procariote? Perché la cellula procariote è più primitiva di quella eucariote? Quali organuli cellulari, oltre alla membrana cellulare, sono presenti anche nella cellula batterica? 1.4 Cellule eucariote e procariote Nelle cellule che abbiamo finora descritto il DNA è contenuto all interno del nucleo, il quale è delimitato da una membrana che lo separa nettamente dal citoplasma. Questo tipo di cellula viene chiamata cellula eucariote. Gli animali, le piante, i funghi e l uomo stesso sono costituiti da cellule eucarioti e perciò sono detti organismi eucarioti. Esiste un altro tipo di cellula in cui manca la membrana nucleare e il DNA forma un unica lunga molecola, chiusa ad anello, sparsa nel citoplasma: non possiede cioè un nucleo ben definito. Una cellula simile viene chiamata cellula procariote (FIG. 20). La cellula procariote presenta un organizzazione molto più semplice rispetto alla cellula eucariote ed è priva della maggior parte degli organuli cellulari; sono presenti però molti piccoli ribosomi sparsi nel citoplasma. Gli organismi costituiti da questo tipo di cellula sono detti procarioti: ne sono un esempio i batteri e le alghe azzurre, i primi organismi viventi comparsi sulla Terra. FIGURA 20 4 In una cellula procariote, come quelle che formano batteri e alghe azzurre, non è presente un nucleo vero e proprio: il DNA non è racchiuso da una membrana ed è sparso nel citoplasma. Alcuni batteri possiedono flagelli che servono per il movimento. Cellula procariote citoplasma DNA parete cellulare ribosomi Cellula eucariote Cellula il cui nucleo è delimitato dalla membrana nucleare; la parola eucariote significa nucleo ben fatto, cioè ben caratterizzato. Cellula procariote Cellula priva di un nucleo ben definito; la parola procariote significa nucleo primitivo. membrana cellulare flagelli

25 Unità 1 L organizzazione dei viventi Diversi tipi di divisione cellulare Come le piante e gli animali, anche la cellula nasce, cresce e si riproduce: ogni cellula, infatti, è in grado di dividersi in due cellule figlie. Il processo di divisione cellulare è diretto dal DNA della cellula. Negli organismi unicellulari, è il meccanismo per cui l individuo si moltiplica; negli organismi pluricellulari, permette all individuo di crescere, cioè di aumentare di dimensioni. Scissione binaria Divisione cellulare che avviene nei procarioti. Mitosi Divisione della cellula eucariote in due cellule figlie con lo stesso numero di cromosomi della cellula madre. I procarioti si riproducono per scissione Nella cellula procariote la riproduzione avviene con modalità relativamente semplici ed è definita scissione binaria (FIG. 21). Nella membrana cellulare si forma una strozzatura che dall esterno verso l interno taglia la cellula in due metà identiche, che ricevono la stessa quantità di DNA. Si ottengono così due cellule figlie che si accrescono fino a raggiungere le dimensioni della cellula madre e sono quindi pronte per una nuova scissione. I batteri, che sono organismi procarioti, si riproducono con estrema velocità: in condizioni ottimali di temperatura e luce e con la giusta quantità di nutrimento si possono riprodurre ogni 20 minuti. La divisione cellulare negli eucarioti Nelle cellule eucarioti la divisione cellulare è un processo più complesso e prende il nome di mitosi (FIG. 22). FIGURA 21 1 Un batterio mentre si sta dividendo. g) h) la cellula si divide in due cellule figlie ciascuna con il suo nucleo membrana cellulare citoplasma nucleo e cellula in riposo il centriolo si sdoppia; i due centrioli si portano ai poli opposti verso ciascun polo migra una metà dei cromosomi, la cellula comincia a strozzarsi i cromosomi si separano: le fibre del fuso "tirano" i cromosomi verso i due poli a) membrana nucleare nucleolo DNA (cromatina) la quantità di DNA si è raddoppiata: si vedono quattro cromosomi doppi si evidenziano i cromosomi b) centromeri c) FIGURA 22 3 Fasi della mitosi di una ipotetica cellula eucariote con quattro cromosomi: da una cellula madre con quattro cromosomi si formano due cellule figlie, anch esse con quattro cromosomi ciascuna. f) i cromosomi si dispongono sul piano equatoriale della cellula centriolo d) ciascun cromosoma appare formato da due filamenti, i cromatidi, attaccati a un punto, il centromero e) fuso fibre del fuso centriolo

26 18 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B Meiosi Divisione cellulare che porta alla formazione di gameti. Prima della divisione, i filamenti di DNA della cellula si raggomitolano numerose volte, formando strutture a forma di bastoncino chiamate cromosomi; ogni specie possiede un tipico numero di cromosomi, che si mantiene costante da una generazione all altra. Nelle cellule del corpo (cellule somatiche) dell uomo e della donna sono contenuti 46 cromosomi, divisi in 23 coppie. A un certo punto i cromosomi si duplicano (raddoppiano) e al momento della divisione della cellula si ridividono, in modo che ognuna delle due cellule figlie abbia lo stesso numero e lo stesso tipo di cromosomi della cellula madre (FIG. 23). La meiosi precede la riproduzione sessuata nucleo cromosomi cellula "madre" 2 cromosomi La riproduzione sessuata è il tipo di riproduzione degli organismi pluricellulari che richiede due genitori differenti, un maschio e una femmina. Ognuno dei genitori matura, nei propri organi sessuali, una cellula riproduttiva chiamata rispettivamente gamete maschile, o spermatozoo, e gamete femminile, o cellula uovo. Nel caso della specie umana, sia lo spermatozoo che la cellula uovo contengono 23 cromosomi. I gameti si formano in seguito a un altro tipo di divisione cellulare, chiamata meiosi, per cui i gameti vengono ad avere la metà dei cromosomi delle altre cellule del corpo (FIG. 24). In seguito all unione dei gameti, o fecondazione, si forma lo zigote, la prima cellula di un nuovo individuo, che avrà così riuniti i cromosomi del gamete maschile e di quello femminile e avrà lo stesso numero di cromosomi dei genitori (FIG. 25). Nel caso dell uomo lo zigote possiede 46 cromosomi. La meiosi garantisce perciò che il numero di cromosomi si mantenga costante da una generazione all altra. duplicazione del DNA FIGURA 23 2 Schema della mitosi in una cellula con due cromosomi: si formano due cellule figlie identiche e con lo stesso numero di cromosomi della cellula madre. 2 cromosomi "doppi" cellula "figlia" 2 cromosomi cellula "figlia" 2 cromosomi FIGURA 25 2 La fusione, tramite fecondazione, di un gamete maschile e di uno femminile. Nello zigote si riproduce il numero di cromosomi tipico della specie, in quanto si uniscono i cromosomi dei due gameti singoli. Lo zigote rappresenta la prima cellula da cui si svilupperà un nuovo individuo. FIGURA 24 4 Schema della meiosi in una cellula con due cromosomi: si formano quattro cellule figlie con un solo cromosoma, che sono i quattro gameti, ognuno dei quali possiede la metà dei cromosomi rispetto alla cellula madre (uno anziché due). cromosoma cellula "madre" divisione cellulare gameti (cellule figlie con la metà di cromosomi della cellula madre) gamete femminile gamete maschile fecondazione?miniverifica Che cos è la scissione binaria? Che cos è la mitosi? Che cos è la meiosi? Che cosa sono i gameti? Che cos è la fecondazione? Che cos è lo zigote? Quanti cromosomi contiene rispetto ai gameti? duplicazione del DNA Cellule aploidi e cellule diploidi Come abbiamo visto, i gameti possiedono la metà dei cromosomi rispetto alle cellule del corpo. È questo il motivo per cui si dice che i gameti sono cellule aploidi (ogni cromosoma è presente in un unico esemplare), mentre le cellule del corpo (cellule somatiche) sono cellule diploidi (da diplo, doppio ), perché ogni cromosoma è presente in duplice copia. zigote

27 Unità 1 L organizzazione dei viventi Dalla cellula all organismo Negli esseri viventi unicellulari la cellula è l intero organismo. Essa è in grado di svolgere autonomamente tutte le funzioni vitali: nutrirsi, respirare, riprodursi ecc. Negli organismi pluricellulari le cellule, per così dire, si dividono i compiti e si specializzano, assumendo forme diverse in relazione al compito che sono chiamate a compiere. Così una cellula muscolare è diversa da una cellula nervosa perché le loro funzioni specifiche sono diverse: la cellula muscolare deve produrre contrazione, la cellula nervosa trasmettere l impulso nervoso. Una cellula specializzata non può sopravvivere da sola e dipende dalle altre cellule per varie esigenze, come ricevere nutrimento e ossigeno ed eliminare i rifiuti. Tessuto Insieme di cellule con le stesse caratteristiche in grado di svolgere le stesse funzioni. Organo Insieme di tessuti diversi che compiono una determinata funzione. Apparato Insieme di organi che collaborano per svolgere la stessa funzione. Sistema Insieme di organi o strutture dello stesso tessuto che collaborano a una stessa funzione. Organismo Ogni essere vivente, in quanto insieme degli apparati e dei sistemi che ne formano la struttura corporea. I diversi livelli di organizzazione In un organismo pluricellulare le cellule dello stesso tipo si uniscono a formare un tessuto. Il tessuto muscolare, per esempio, è formato da cellule lunghe e strette, dette fibre muscolari, capaci di contrarsi e distendersi permettendo i movimenti. Il tessuto epiteliale è formato da cellule appiattite e disposte l una vicino all altra: la loro funzione è quella di rivestire e proteggere. Più tessuti diversi possono formare un organo, cioè una parte del corpo avente un compito preciso. Lo stomaco è un organo in cui sono presenti un tessuto epiteliale che lo riveste internamente, un tessuto muscolare che lo fa contrarre, un tessuto ghiandolare che produce i succhi digestivi. Organi diversi che collaborano nello svolgimento di una stessa funzione formano un apparato. Per esempio stomaco, intestino, pancreas e fegato fanno parte dell apparato digerente. Si chiama sistema un insieme di organi formati dallo stesso tessuto e le cui funzioni sono strettamente interdipendenti. Il sistema nervoso indica tutti gli organi formati da tessuto nervoso. L insieme degli apparati e dei sistemi forma l organismo, che rappresenta il livello di organizzazione più elevato (FIG. 26).?MINIVERIFICA Perché una cellula specializzata di un organismo pluricellulare non può sopravvivere da sola? Che cos è un tessuto? Che cos è un organo? Da che cosa è formato un apparato? Che differenza c è tra apparato e sistema? FIGURA 26 4 Dalla cellula all organismo. cellula animale Animale cellula Piante cellula vegetale tessuto animale tessuto tessuto vegetale stomaco organo foglia apparato digerente apparati apparato fogliare coniglio organismo pluricellulare piante

28 20 LA VARIETÀ DEI VIVENTI B 1.7 La rigenerazione FIGURA 27 2 Molte piante, come per esempio i gerani o le ortensie, possono generare nuove piante semplicemente piantando un ramo nel terreno umido e in condizioni ambientali adatte. Molti esseri viventi sono in grado di ricostituire le parti del corpo andate distrutte attraverso un processo definito rigenerazione: la rigenerazione è la capacità delle cellule rimaste integre di riprodursi, formando altre cellule che si differenzieranno assumendo proprie strutture e funzioni. La rigenerazione nelle piante Nelle piante la capacità di rigenerazione è sorprendentemente sviluppata. Da un ramo di geranio o di ortensia (FIG. 27) si può generare una nuova pianta, se esso viene posto nel terreno umido e in condizioni di luce e calore adatte. Una pianta potata produce nuovi germogli. Le patate vengono coltivate ponendone un pezzo che contenga almeno una gemma (il cosiddetto occhio ) nel terreno: essa germoglierà formando dapprima le radici, poi l intera pianta con rami, foglie e fiori, mentre nel terreno si sviluppano i tuberi, che sono le vere e proprie patate che noi mangiamo. La rigenerazione negli animali Anche molti animali possono ricostruire parti più o meno grandi del loro corpo che siano state danneggiate o distrutte. La planaria, piccolo verme piatto d acqua dolce, può rigenerare più di metà del suo corpo, tanto che da un individuo diviso in due se ne formano due interi per rigenerazione della parte mancante (FIG. 28). La lucertola può rigenerare la coda e la stella marina può ricostruire uno o più braccia. Anzi, se una parte del corpo è rimasta attaccata al braccio, è possibile che da esso si riformi l intera stella. La rigenerazione nell uomo Nell uomo le capacità rigenerative sono piuttosto limitate. Possiedono buone capacità rigenerative la lingua e il fegato. In caso di asportazione chirurgica di parte del fegato, infatti, il tessuto rimasto può rigenerare gran parte della massa asportata. Non va dimenticato, inoltre, che ogni secondo il corpo umano costruisce circa nuovi globuli rossi in sostituzione di quelli non più funzionanti, in modo da mantenere costante il numero totale di globuli rossi circolanti. Rigenerazione Capacità delle cellule integre di riprodursi, formando altre cellule che si differenzieranno assumendo proprie strutture e funzioni.?miniverifica Che cosa si intende per rigenerazione? Quali organismi viventi possiedono elevatissime capacità di rigenerazione? Quali sono gli organi nell uomo che possiedono buone capacità rigenerative? a b a a b b a b a a a a FIGURA 28 3 La rigenerazione della planaria. (a) La planaria è stata tagliata in senso trasversale: la parte anteriore rigenera la parte posteriore e la parte posteriore rigenera la parte anteriore. (b) La planaria è stata tagliata in senso longitudinale: la parte sinistra rigenera la parte destra e la parte destra quella sinistra.

29 Dentro LE SCIENZE Unità 1 oculare L organizzazione dei viventi obiettivo tavolino portaoggetti specchio FIGURA 1 1 Il microscopio ottico (in alto). Qui sopra, cellule vegetali viste al microscopio a un ingrandimento di circa 400 volte: si possono osservare i cloroplasti, che hanno la forma di piccoli granuli. Il microscopio è lo strumento che permette la visione ingrandita degli oggetti ed è utilizzato per osservare corpi molto piccoli, come le cellule (FIG. 1). Il più tradizionale e comune è quello ottico, ma nei laboratori di ricerca sono largamente usati vari tipi di microscopi elettronici. Microscopio ottico Come dice l aggettivo ottico, si tratta di un microscopio che per essere utile ha bisogno della luce, naturale o artificiale. Esso è costituito da un tubo, chiuso alle estremità da due sistemi di lenti. Il sistema a cui si accosta l occhio si chiama oculare, mentre quello vicino all oggetto da osservare (preparato) si chiama obiettivo. Il tubo è montato su un supporto a cui sono fissati sia il tavolino su cui viene fissato il vetrino portaoggetti, sia lo specchio, al di sotto del tavolino, destinato a raccogliere la luce per indirizzarla verso il preparato steso sul vetrino. Preparato è il nome che si dà all oggetto da osservare, il quale viene appunto preparato tagliandolo a fettine sottili e a volte colorandolo. La luce raccolta dallo specchio viene prima inviata al preparato, poi attraversa l obiettivo e successivamente l oculare. In questo modo il preparato viene ingrandito due volte: una volta dall obiettivo e un altra dall oculare. L ingrandimento com- Scienze Strumenti per osservare le cellule Life plessivo è dato dal prodotto dei due ingrandimenti. Per esempio, se l obiettivo ingrandisce 10 volte e l oculare 15 volte, l ingrandimento totale è = 150. Per avere immagini nitide ogni buon microscopio possiede un preciso dispositivo di messa a fuoco. I microscopi ottici possono ingrandire fino a 2000 volte. A ingrandimenti maggiori le immagini risultano sfocate e difficili da interpretare. Il microscopio ottico permette di osservare cellule e tessuti freschi. Microscopio elettronico Come suggerisce l aggettivo elettronico, questo tipo di microscopio impiega un fascio di elettroni. È uno strumento molto complesso che può ingrandire fino a volte. Fornisce immagini di particolari delle cellule ma esse, prima dell osservazione, devono essere sottoposte a un particolare trattamento che le renda visibili. Con questo strumento si possono osservare solo cellule morte. Non è possibile osservare direttamente il campione, ma solo le immagini fotografiche. Il microscopio elettronico a scansione fornisce nitide immagini tridimensionali di insiemi di cellule e anche di piccoli organi. 21 LE SCIENZE NEL Tempo La parola cellula fu usata per la prima volta dallo scienziato inglese Robert Hooke ( ). Egli, infatti, osservando con il suo rudimentale microscopio (FIG. 2) una sottile sezione di sughero, vi riconobbe delle strutture a forma di celletta a cui diede il nome di cellula, cioè piccola cella o piccola stanza. Le cellule osservate da Hooke erano cellule vuote, perché il sughero è formato da cellule morte e internamente vuote (FIG. 3). Il primo che riuscì a osservare cellule vi- La scoperta della cellula ve fu l olandese Antoni Van Leeuwen - hoek ( ). Con il suo microscopio, in grado di ingrandire fino a 200 volte, riconobbe in una goccia d acqua stagnante un gran numero di piccolissimi organismi che si muovevano. Egli li considerò tutti animaletti e li chiamò animalucoli; non si era accorto che alcuni di quegli organismi erano in realtà alghe microscopiche capaci di spostarsi autonomamente nell acqua (FIG. 4). La teoria cellulare Dopo le osservazioni di Hooke e di Van Leeuwenhoek ci fu un fervore di studi alla ricerca di cellule. FIGURA 2 4 Il microscopio di R. Hooke.

30 22 Scienze FIGURA 3 2 Cellule di sughero viste al microscopio ottico. Life LA VARIETÀ DEI VIVENTI B Nel 1839 lo zoologo tedesco Theodor Schwann ( ), osservando fram - menti animali preparati per il microscopio, notò dei nuclei circondati da una sostanza gelatinosa, a sua volta racchiusa in una sottile pellicola. Nulla di simile alla spessa parete delle cellule vegetali. Ma Schwann cominciò a pensare che proprio il nucleo e la sostanza che lo circondava fossero gli elementi comuni che si andavano cercando. Secondo Schwann, sia le cellule vegetali sia quelle animali erano costituite da un nucleo e da una massa gelatinosa racchiusi in una membrana; solo che nei vegetali questa era tanto spessa da formare una vera e propria parete. Un botanico tedesco, Mathias Jakob Schleiden ( ), giunse, quasi contemporaneamente, alla stessa conclusione. Richiamando l attenzione sul nucleo piuttosto che sulla spessa parete, Schwann e Schleiden dettero una nuova definizione di cellula e proposero un ipotesi di fondamentale importanza: tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule. Moltiplicando gli studi e le osservazioni con microscopi sempre più perfezionati, gli scienziati hanno formulato la cosiddetta teoria cellulare. Essa afferma che: 1. la cellula è l unità base dell organizzazione della materia vivente; 2. tutti gli organismi sono formati da cellule; 3. ogni cellula deriva da un altra cellula. FIGURA 4 1 Gli animalucoli osservati da A. Van Leeuwenhoek nel XVII secolo. Dentro LE SCIENZE Acquaporine, i canali dell acqua Peter Agre, professore di chimica biologica e medicina alla Johns Hopkins University di Baltimora, nel 2003 è stato insignito del premio Nobel per la chimica per aver scoperto il modo in cui l acqua passa da una parte all altra della membrana cellulare. L acqua passa grazie a minuscoli pori o canali dell acqua. Questi pori hanno natura proteica. Le proteine che trasportano l acqua sono perciò denominate acquaporine; la prima acquaporina (denominata con la sigla AQP1) fu scoperta da Agre nel Nell uomo sono state individuate finora 11 AQP, nelle piante una quarantina; oltre che nelle piante e negli animali, le acquaporine sono state individuate anche nei batteri. Le acquaporine sono proteine specializzate nel regolare il trasporto dell acqua attraverso la membrana cellulare. Esse formano i cosiddetti canali proteici dell acqua. Una caratteristica importante di queste proteine è la loro selettività: le molecole d acqua scorrono una dietro l altra attraverso questi angusti canali scavati nelle molecole proteiche delle acquaporine. Le acquaporine sono importanti in numerosi fenomeni, tra cui: il turgore cellulare, cioè lo stato di riempimento delle cellule (se l acqua che entra nella cellula è insufficiente, la cellula si affloscia, è cioè poco turgida; pensa ad esempio alle foglie di una pianta che non è stata innaffiata a sufficienza); l assorbimento dell acqua attraverso le radici grazie ai peli radicali; la traspirazione, cioè la perdita d acqua attraverso delle foglie; l idratazione della nostra pelle; argomento di grande interesse per le industrie cosmetiche: l idratazione della pelle è uno dei più efficaci rimedi contro gli effetti dell invecchiamento della pelle; la quantità d acqua che eliminiamo attraverso i reni.

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