Invito alla natura EDIZIONE ANNUALE SENZA ACTIE BOOK olume 1 (pp. 336) + Laboratorio di Fisica e Chimica (pp. 96) codice adozione 978 88 395 0769 3 olume 2 (pp. 336) codice adozione 978 88 395 2605 2 olume 3 (pp. 360) codice adozione 978 88 395 2606 9 S. Dequino G. Bo A. Iscra EDIZIONE ANNUALE CON ACTIE BOOK olume 1 (pp. 336) + Laboratorio di Fisica e Chimica (pp. 96) + DD Active Book 1 codice adozione 978 88 395 7730 6 olume 2 (pp. 336) + DD Active Book 2 codice adozione 978 88 395 7731 3 olume 3 (pp. 360) + DD Active Book 3 codice adozione 978 88 395 7732 0 978 88 395 07723 C Invito alla natura PLUS EDIZIONE TEMATICA CON ACTIE BOOK codice adozione 978 88 395 0770 9 olume A (pp. 288) + Laboratorio di Fisica e Chimica (pp. 96) + olume B (pp. 288) + olume C (pp. 264) + olume D (pp. 216) + DD Active Book PLUS edizione con LABORATORIO di FISICA e CHIMICA edizione PLUS EDIZIONE TEMATICA codice adozione 978 88 395 0772 3 olume A (pp. 288) + Laboratorio di Fisica e Chimica (pp. 96) + olume B (pp. 288) + olume C (pp. 264) + olume D (pp. 216) I viventi È il sistema aperto di prodotti e servizi per l attività didattica, che parte dal libro di testo e ne amplifica le potenzialità formative grazie alla tecnologia digitale. DIGILIBRO Il materiale online del libro misto secondo le disposizioni di legge Quest opera, secondo le disposizioni di legge, ha forma mista cartacea e digitale, è parzialmente disponibile in internet e rimarrà immutata, nella sua parte cartacea, per il periodo di tempo indicato dalle normative. Per la durata di vita dell edizione saranno periodicamente resi disponibili materiali di aggiornamento. Le parti dell opera disponibili online sono: gli aggiornamenti disciplinari l eserciziario interattivo le sintesi delle unità in mp3 le mappe concettuali I viventi Pearson Digital System le simulazioni di esperimenti di laboratorio le attività di laboratorio le animazioni di fenomeni e processi scientifici Invito alla Per accedere ai materiali, collegarsi al sito www.pearson.it etext La versione online scaricabile da internet LIMBOOK Il libro sfogliabile e interattivo con materiali multimediali per fare lezione con la LIM o con PC e videoproiettore Quest opera è acquistabile anche nella versione online, sul sito www.scuolabook.it Tutte le informazioni sulle estensioni digitali del libro su: www.pearson.it B paravia 978 88 395 0772 3 5 volumi indivisibili A + Lab + B + C + D La versione sfogliabile del libro, arricchita con ulteriori strumenti per la lezione. marchio della Pearson Italia S.p.A 10139 Torino - Corso Trapani, 16 www.pearson.it B S. Dequino G. Bo A. Iscra natura paravia
U1 L organizzazione dei viventi contenuti obiettivi 1. La varietà dei viventi 2. Le caratteristiche dei viventi 3. La cellula 4. Dentro la cellula 5. I meccanismi di trasporto delle sostanze 6. Cellula procariote e cellula eucariote 7. La divisione cellulare 8. La specializzazione Illustrare le caratteristiche che differenziano esseri viventi e non viventi, animali e piante Conoscere il significato dei termini autotrofo, eterotrofo, eucariote, procariote Descrivere la struttura e le funzioni della cellula Spiegare come avviene la riproduzione delle cellule Conoscere i livelli di organizzazione degli organismi pluricellulari
U1 L organizzazione dei viventi 1. La varietà dei viventi Riconoscere un essere vivente può sembrare molto facile: tutti sappiamo che un gatto e un albero sono esseri viventi al contrario di un sasso o di un automobile. Tuttavia in alcuni casi la distinzione non è così chiara. Esistono infatti alcuni organismi, come i virus, di cui ci occuperemo in seguito, che hanno caratteristiche che li pongono al confine della vita. La scienza che studia gli esseri viventi si chiama biologia. Il mondo dei viventi comprende organismi molto diversi tra loro per aspetto, dimensioni e struttura tanto che talvolta è difficile capire se un essere vivente è una pianta o un animale. I coralli, animali marini molto semplici, per molto tempo sono stati considerati piante sottomarine perché somigliavano a un ramo fiorito. Alcune creature raggiungono dimensioni enormi come le balene o le sequoie della California, che arrivano a 120 metri di altezza. I funghi presentano alcune caratteristiche in comune con gli animali e altre con le piante, pertanto costituiscono un gruppo a sé. Foto al microscopio di colonia batterica. Esistono creature così piccole da essere osservabili solo con l aiuto di un microscopio, come i batteri. Che cosa accomuna creature così diverse? Il fatto di essere vive! Allora ci si chiede: che cos è la vita? La risposta completa non è ancora stata formulata neppure dalla biologia, tuttavia si possono distinguere alcuni caratteri che sono propri della vita. Tutti gli esseri viventi nascono, respirano, si nutrono, crescono, si muovono e reagiscono agli stimoli, si riproducono, muoiono. CHECKPOINT I viventi si differenziano per... Quali sono le caratteristiche dei viventi? I IENTI 3
video ON LINE 2. Le caratteristiche dei viventi Nascono L esistenza di ogni essere vivente inizia con la sua nascita e ha una durata più o meno lunga, ma comunque limitata nel tempo. Anche in questo senso la variabilità è molto ampia: alcuni organismi microscopici vivono alcuni minuti, molti animali domestici vivono alcuni anni mentre una tartaruga può superare i cento anni! Si nutrono Ogni essere vivente deve respirare e nutrirsi per ricavare la materia e l energia che gli sono necessari per mantenere in funzione il proprio corpo e crescere. Ogni organismo ricava energia trasformando il cibo di cui si nutre in sostanze semplici che vengono utilizzate per tutte le funzioni necessarie al corpo ed elimina le sostanze di rifiuto. Questa serie di trasformazioni viene detta metabolismo. Il buon funzionamento del metabolismo è molto importante subito dopo la nascita, quando un essere vivente deve svilupparsi per diventare adulto: di solito le dimensioni di un organismo in questa fase di sviluppo aumentano e si parla perciò di crescita. La nascita di una tartaruga di mare (Dermochelys coriacea). In base al modo di nutrirsi gli organismi si distinguono in eterotrofi (gli animali) e autotrofi (le piante). Gli animali, in base a ciò che mangiano, si differenziano in carnivori, se si nutrono di altri animali, erbivori, se si nutrono di piante, e onnivori, se si nutrono sia di animali sia di piante. Queste ultime, invece, producono il nutrimento sia assorbendo sostanze dal terreno attraverso le radici, sia attraverso le foglie, che contengono clorofilla. I IENTI Gli esseri viventi si distinguono in: eterotrofi (dal greco: che si nutrono di altri ), che si cibano di altri organismi, sono gli animali. Si distinguono in: autotrofi (dal greco: che si nutrono da sé ), che si costruiscono da soli il proprio nutrimento: sono le piante. carnivori se si cibano di altri animali erbivori se si cibano di vegetali onnivori se si cibano di animali e di vegetali 4
U1 L organizzazione dei viventi La clorofilla, infatti, è una sostanza in grado di catturare l energia solare, grazie alla quale le foglie producono glucosio, il nutrimento della pianta, e ossigeno. Questo processo si chiama fotosintesi clorofilliana. Si muovono Un altra caratteristica dei viventi è la capacità di muoversi e di reagire agli stimoli. La capacità di muoversi e di reagire agli stimoli è presente non solo negli animali, ma anche nelle piante, anche se si manifesta in modo meno evidente perché le risposte e i movimenti sono molto più lenti. L animale, se avverte la presenza di un predatore (stimolo), tenta la fuga per mettersi in salvo (risposta allo stimolo). Le piante sono in grado di compiere piccoli movimenti in risposta a stimoli di diversa natura: la luce solare, l umidità, il tatto. Il girasole orienta non solo le foglie, ma anche il fiore verso la sorgente di luce solare. La pratolina chiude la corolla durante la notte (o in presenza di molta umidità) e la riapre con il sorgere del Sole. La mimosa sensitiva è una pianta con foglioline che, appena toccate, si ripiegano immediatamente. Un ghepardo insegue una gazzella. Si riproducono Tutti i viventi si riproducono, cioè generano altri individui simili a se stessi. La riproduzione può essere sessuata, se avviene con l intervento di due individui di sesso diverso (nella maggior parte degli animali), oppure asessuata, se viene coinvolto un solo individuo (per esempio nei batteri). Muoiono si riproduce CHECKPOINT termini Che cosa significano i o? rof rot autotrofo ed ete ere... La riproduzione può ess oppure... ciclo vitale Quali sono le fasi del degli organismi? muore cresce nasce I IENTI Gli organismi terminano il loro ciclo vitale con la morte. La vita si presenta dunque come un susseguirsi sempre uguale degli stessi avvenimenti: nascita, crescita, riproduzione, morte, che si ripetono a ogni generazione. 5
Foto al microscopio del batterio del colera. 3. La cellula I biologi hanno scoperto un altra caratteristica fondamentale che accomuna gli esseri viventi: tutti gli organismi sono costituiti da cellule. Si può anche dire che le cellule sono i mattoni costitutivi di ogni essere vivente. La cellula svolge tutte le funzioni vitali: si nutre, respira, elimina le sostanze di rifiuto, si riproduce, muore. Per questo si può definire la più piccola unità vivente. Le dimensioni delle cellule sono molto varie. Alcuni batteri sono formati da cellule cento volte più piccole del diametro di un capello, mentre le uova di gallina o di struzzo, che sono formate da una sola cellula, raggiungono dimensioni eccezionali. La lunghezza della maggior parte delle cellule si misura in micrometri (simbolo µm), corrispondente a un millesimo di millimetro. La lunghezza della maggioranza delle cellule varia da 10 a 100 µm, pertanto generalmente non si vedono a occhio nudo. L occhio umano non distingue infatti oggetti più piccoli di un decimo di millimetro, cioè di 100 µm. Esseri unicellulari e pluricellulari Esistono esseri viventi molto semplici, formati da una sola cellula e pertanto chiamati unicellulari, come i batteri e i protozoi di cui parleremo più avanti. La vita sulla Terra probabilmente si è manifestata sotto forma di esseri unicellulari che si sono in seguito aggregati per formare organismi sempre più complessi, differenziandosi fino a dare origine ai vegetali e agli animali. Gli organismi complessi, come gli animali e le piante, sono formati da molte cellule e pertanto sono detti pluricellulari. Le dimensioni di un organismo dipendono dal numero di cellule che lo costituiscono: un elefante è molto più grande di una rana perché è formato da molte più cellule e non perché le sue cellule siano più grandi. Foto al microscopio di cellule di foglie di palma. Negli organismi pluricellulari le cellule non sono tutte uguali ma presentano struttura diversa a seconda della funzione svolta. I IENTI Nelle piante, per esempio, le cellule delle foglie sono diverse da quelle del fusto o delle radici. Negli animali le cellule del cervello sono molto diverse da quelle del sangue o dei muscoli. Negli organismi pluricellulari esistono quindi diversi tipi di cellule che si specializzano nello svolgere compiti diversi. Foto al microscopio di cellule del cervello umano (neuroni). 6
U1 L organizzazione dei viventi Com è fatta la cellula Le cellule, come abbiamo visto, hanno forma, struttura e funzioni diverse, tuttavia presentano alcuni elementi comuni. La membrana cellulare: è una membrana molto sottile ed elastica che delimita e protegge la cellula, assorbe le sostanze nutritive ed espelle quelle di rifiuto. Nelle cellule vegetali la membrana è circondata da un altro involucro, piuttosto robusto, fatto di cellulosa, detto parete cellulare; il nucleo: è un corpuscolo tondeggiante immerso nel citoplasma, avvolto da una membrana simile a quella cellulare, detta membrana nucleare, che presenta molti pori attraverso i quali passano sostanze nutritive; nel nucleo di ogni cellula è presente una particolare molecola, detta DNA (dall inglese Deoxyribo Nucleic Acid): tale sigla indica l acido desossiribonucleico; il citoplasma: è una sostanza gelatinosa che riempie l interno della cellula; è formato da acqua, sali minerali e sostanze organiche. In esso sono immersi gli organuli cellulari, responsabili di molte funzioni cellulari. Questa struttura è comune alla maggior parte degli organismi, tuttavia esistono notevoli differenze tra cellule animali e cellule vegetali. Tali differenze sono dovute al diverso modo di vivere: un animale, diversamente da una pianta, si muove per cercare il cibo e sfuggire ai predatori. Al contrario le cellule vegetali si sono evolute per vivere senza muoversi, fabbricando autonomamente il cibo e dotandosi di strutture di protezione. citoplasma membrana nucleo parete cellulare cloroplasto ZOOM Il DNA Il DNA controlla tutte le attività della cellula perché contiene le informazioni necessarie per costruire le proteine, sostanze fondamentali per la vita. Tali informazioni, contenute in tratti di DNA detti geni, sono trasmesse da una generazione all altra. È una molecola molto complessa che ha l aspetto di un doppio filamento lungo e sottile, avvolto a spirale a formare una doppia elica, paragonabile a una scala a chiocciola. Esso possiede la straordinaria capacità di autoduplicarsi. Ciò significa che è in grado di utilizzare il materiale presente nella cellula per costruire una copia esatta di se stesso. Normalmente nelle cellule il DNA è disperso nel nucleo e si colora fortemente in presenza di particolari sostanze chimiche. Per questo venne chiamato cromatina (dal greco croma, cioè colore) dai biologi che per primi lo osservarono. Quando la cellula sta per riprodursi, il DNA si condensa per formare dei corpiccioli detti cromosomi, ciascuno dei quali è formato da un filamento di DNA avvolto su se stesso come un gomitolo. A seconda degli organismi il numero totale dei cromosomi varia: per esempio l uomo possiede 46 cromosomi. L importanza del DNA come depositario dell informazione si scoprì soltanto intorno agli anni Cinquanta del Novecento. Ricostruzione grafica della struttura del DNA. Foto al microscopio di cellula animale (in alto) e di cellula vegetale (in basso). CHECKPOINT Perché la cellula è considerata l unità fondamentale dei viventi? Qual è la differenza tra organismi unicellulari e pluricellulari? Quali sono gli elementi comuni a tutte le cellule? Perché le cellule vegetali si sono evolute diversamente da quelle animali? I IENTI 7
4. Dentro la cellula animazione ON LINE 3 Il citoplasma Proviamo a immaginare un viaggio all interno di una cellula animale e di una vegetale per scoprirne somiglianze e differenze. La cellula animale 1 La membrana cellulare 2 Il nucleo 4 3 I lisosomi 3 1 4 2 6 Il reticolo endoplasmatico 5 6 5 L apparato di Golgi 7 8 7 I mitocondri 9 9 I centrioli 8 I ribosomi I IENTI 1 La membrana cellulare È un sottile rivestimento che protegge la cellula, assorbe le sostanze nutritive ed espelle quelle di rifiuto. 2 Il nucleo È un corpuscolo tondeggiante immerso nel citoplasma, avvolto da una membrana simile a quella cellulare, detta membrana nucleare, nella quale si trovano pori di grandi dimensioni che consentono il passaggio di molte sostanze. Contiene il DNA. 3 Il citoplasma È una sostanza gelatinosa che riempie l interno della cellula; è formato da acqua, sali minerali e sostanze organiche. 4 I lisosomi Sono piccole vescicole contenenti sostanze che servono per distruggere strutture cellulari inservibili e digerire parecchi materiali cellulari. 5 L apparato di Golgi È un insieme di cisterne appiattite e impilate una sull altra, formate da membrane ripiegate. Ha la funzione di immagazzinare ed elaborare le sostanze da distribuire a tutto il resto della cellula o da portare all esterno. 6 Il reticolo endoplasmatico È un insieme di canali appiattiti e vescicole. Ha la funzione di distribuire le sostanze all interno della cellula o portarle verso l esterno. 8
La cellula vegetale U1 L organizzazione dei viventi 1 3 5 2 10 Il vacuolo 6 11 7 I mitocondri Sono corpuscoli allungati con una forma simile a un fagiolo. Presentano una doppia membrana: quella esterna liscia, quella interna ripiegata in creste. La funzione dei mitocondri è quella di produrre energia attraverso la respirazione cellulare. 8 I ribosomi Sono organuli di forma tondeggiante, formati da due unità che agiscono insieme. Si trovano sparsi nel citoplasma o legati al reticolo endoplasmatico. I ribosomi sono responsabili della formazione delle proteine, sostanze indispensabili per la vita della cellula. 9 I centrioli Sono corpuscoli di forma cilindrica coinvolti nella divisione cellulare. Si trovano nelle cellule animali, raramente in quelle vegetali. 10 Il vacuolo È una vescicola piena di acqua e varie sostanze, che spinge il citoplasma contro la parete dando sostegno 7 8 I cloroplasti 10 12 11 12 La parete cellulare CHECKPOINT Che funzione ha la parete cellulare? Perché nella cellula animale non sono presenti i cloroplasti? Differenze fra cellula animale e cellula vegetale Come puoi notare dal disegno, la maggior parte degli organuli è comune sia alla cellula animale sia a quella vegetale. Le uniche differenze sostanziali sono: la presenza nella cellula vegetale dei cloroplasti, indispensabili alla fotosintesi clorofilliana, della parete cellulare, che conferisce rigidità alla struttura della cellula, e del vacuolo, che contiene sostanze di riserva; la presenza nella cellula animale dei centrioli (quasi mai presenti nella cellula vegetale), coinvolti nella divisione cellulare, e dei lisosomi. alla cellula e quindi alla pianta (turgore cellulare). Si trova nelle cellule vegetali, raramente in quelle animali. 11 I cloroplasti Sono organuli di forma ovoidale presenti nei tessuti verdi delle piante, visibili al microscopio ottico. Presentano una membrana di rivestimento a doppio strato e diversi granuli interni, formati dalla sovrapposizione di numerose vescicole appiattite dette tilacoidi. All interno dei tilacoidi è contenuta la clorofilla, utilizzata dal cloroplasto per la fotosintesi clorofilliana. 12 La parete cellulare È un rivestimento che avvolge, protegge e dà una forma ben definita alla cellula vegetale. È formata da cellulosa, sostanza che conferisce robustezza alla cellula e le permette di mantenere la sua forma anche quando è sottoposta a forti sollecitazioni esterne. I IENTI 9
5. I meccanismi di trasporto delle sostanze GLOSSARIO è la Molecola: La molecola una di ella rtic pa la più picco rva sostanza che ne conse. età pri pro tutte le I meccanismi utilizzati dalla cellula per regolare il passaggio di sostanze, attraverso la membrana cellulare, verso l interno e l esterno della cellula sono: la diffusione; il trasporto mediato da proteine; l endocitosi. alta concentrazione La diffusione è il libero movimento di piccole molecole che si muovono da zone a maggiore concentrazione a zone a minore concentrazione: l acqua, l ossigeno e l anidride carbonica passano liberamente attraverso la membrana per diffusione. Un esempio di diffusione si ha quando un profumo si distribuisce in una stanza. Le particelle di liquido evaporano e si diffondono, occupando in modo uniforme il volume della stanza. Esse si muovono dal luogo dove si trovano in maggior numero, il liquido, a zone dove sono assenti, lo spazio della stanza. Un particolare tipo di diffusione è il passaggio dell acqua attraverso le membrane semipermeabili, detto osmosi. bassa concentrazione Il trasporto mediato da proteine riguarda molecole più grandi che non riescono ad attraversare lo spessore della membrana, per esempio le sostanze nutritive. Queste vengono trasportate grazie alle proteine della membrana, che si legano alla molecola da trasportare, si spostano nello spessore della membrana e liberano il loro carico verso l interno della cellula. Riprendono poi il loro posto, pronte per un nuovo viaggio. La direzione del trasporto può essere anche inversa, cioè verso l esterno: in questo modo vengono espulse le sostanze di rifiuto. ZONA LAB L osmosi e le membrane MATERIALE OCCORRENTE acqua un sacchetto di cellophane zucchero un pezzo di spago un recipiente grande un recipiente piccolo una bacchetta più lunga del diametro del recipiente grande I IENTI ESECUZIONE 10 proteina di trasporto 1 Riempi d acqua il recipiente grande. Metti nel recipiente piccolo l acqua necessaria a riempire per metà il sacchetto, sciogli lo zucchero (1-2 cucchiaini) e versa la soluzione nel sacchetto. Chiudi il sacchetto con lo spago. Lega il sacchetto alla bacchetta, immergilo nell acqua del secchio e lascialo appeso con la bacchetta appoggiata ai bordi del recipiente grande. 2 Dopo un po di tempo togli il sacchetto e osserva: sarà quasi pieno di liquido.
U1 L organizzazione dei viventi La terza modalità di passaggio di materiali è l endocitosi : in questo caso i materiali da introdurre vengono avvolti dalla membrana cellulare, che forma una cavità attorno alle sostanze da trasportare dentro la cellula. Si costituisce così una vescicola contente le sostanze che entra nel citoplasma, dove si apre liberando il proprio contenuto. la membrana si piega verso l interno la vescicola avvolge il materiale da inglobare il materiale viene liberato dentro la cellula In conclusione, attraverso la membrana le cellule assorbono l acqua, l aria e le altre sostanze di cui hanno bisogno. Nello stesso tempo possono espellere le sostanze di rifiuto. CHECKPOINT ione? Come avviene la diffus ne? rto mediato da protei Come avviene il traspo itosi? Come avviene l endoc semipermeabili molecola d acqua 1 molecola di zucchero 2 acqua OSSERAZIONE E SPIEGAZIONE Il sacchetto di cellophane funziona come una membrana semipermeabile contenente una soluzione (l acqua zuccherata). Quando il sacchetto viene messo in un recipiente pieno d acqua si rigonfia a causa dell osmosi. L acqua, infatti, diffonde dall ambiente esterno verso l interno perché le particelle attraversano la membrana semipermeabile, muovendosi più velocemente dal luogo dove sono in concentrazione maggiore (recipiente) al luogo dove sono in concentrazione minore (sacchetto). Lo zucchero invece non attraversa la membrana. Nella realtà le cellule non sono circondate da acqua pura, ma da altre soluzioni; usare l acqua pura nell esperimento evidenzia più chiaramente il fenomeno dell osmosi. I IENTI soluzione zuccherata 11
I IENTI Foto al microscopio e schema di una cellula procariote. citoplasma membrana cellulare DNA ribosomi pili (per il contatto tra cellule) 6. Nelle cellule finora descritte il nucleo è ben delimitato da una membrana nucleare e sono presenti gli organuli descritti. Questo tipo di cellula viene detta cellula eucariote (dal greco eu, buono, e carion, nucleo cioè nucleo ben fatto ). Esistono però cellule molto più semplici nelle quali mancano la membrana nucleare e la maggior parte degli organuli cellulari e il DNA è formato da un unica molecola, disposta in un lungo filamento avvolto ad anello e sparso nel citoplasma. Tale tipo di cellula è definita cellula procariote, termine che significa dal nucleo primitivo. parete DIMENSIONI E STRUTTURE dimensioni della cellula parete membrana cellulare nucleo DNA ribosomi reticolo endoplasmatico mitocondri cloroplasti Cellula procariote e cellula eucariote Nella cellula procariote non c è il nucleo, il DNA è immerso nel citoplasma, è presente la membrana cellulare, ci sono i ribosomi ed eventualmente una parete non formata da cellulosa. Sono procarioti i batteri e le alghe azzurre, gli organismi più antichi apparsi sulla Terra ai primordi della vita, quasi quattro miliardi di anni fa! Nella tabella che segue puoi vedere le principali differenze tra cellule procarioti e cellule eucarioti. EUCARIOTI da 10 a 100 micrometri presente nelle piante e nei funghi, assente nei protozoi e negli animali presente presente una o più molecole organizzate in cromosomi presenti presente presenti presenti negli organismi che sviluppano la fotosintesi clorofilliana CHECKPOINT Che cosa significano i termini eucariote e procariote? Perché la cellula procariote è più primitiva di quella eucariote? PROCARIOTI da 1 a 10 micrometri presente presente assente una singola molecola immersa nel citoplasma presenti assente assenti presenti negli organismi che sviluppano la fotosintesi clorofilliana 12
U1 L organizzazione dei viventi 7. DNA La divisione cellulare La cellula, come unità vivente, è in grado di riprodursi da sola, dividendosi in due parti che formeranno due nuove cellule. In questo modo, a ciascuna delle cellule figlie tocca circa la metà del materiale presente nella cellula madre. In seguito, le due cellule figlie cresceranno fino a diventare identiche alla cellula madre, quindi si duplicheranno a loro volta e così via. Il DNA non può dividersi perché contiene le informazioni necessarie per dirigere la vita della cellula. Prima della divisione cellulare il DNA si duplica, cioè crea una copia di se stesso. Solo dopo che il DNA si è autoduplicato, la cellula madre può prepararsi per dividersi in due cellule figlie che ricevono, ciascuna, una copia completa di DNA. Il processo di divisione cellulare avviene per divisione diretta o indiretta. membrana cellulare parete cellulare Divisione diretta È tipica delle cellule più semplici (procarioti e alcuni organismi unicellulari eucarioti): dopo la duplicazione del DNA, il materiale cellulare si divide in due parti e attorno alle due cellule figlie si riforma la membrana cellulare. video ON LINE È il processo di divisione cellulare più complesso che avviene in quasi tutte le cellule degli organismi pluricellulari. Nella mitosi si possono distinguere quattro momenti diversi o fasi, osservabili al microscopio ottico. 1. Nella profase il DNA si avvolge su se stesso formando dei bastoncelli visibili al microscopio, detti cromosomi, a forma di X. Sono formati da due parti, i cromatidi, uniti in un punto detto centromero (ogni cromatidio è formato da un filamento di DNA duplicatosi). Scompare la membrana nucleare e compare una struttura a forma di fuso, costituita da sottili tubuli dette fibre. 2. Nella metafase i cromosomi si dispongono all equatore del fuso attaccandosi con i centromeri alle fibre del fuso. 3. Nell anafase i centromeri si dividono e i due cromatidi di ciascun cromosoma si separano, scorrono lungo le fibre del fuso portandosi alle parti opposte della cellula. Dal momento della separazione ogni cromatidio diventa un cromosoma autonomo. La divisione diretta. 4. Nella telofase il fuso scompare, i cromosomi si despiralizzano, attorno a essi si forma una membrana, la nuova membrana nucleare; si genera una strozzatura della membrana cellulare che divide in due la cellula madre. I cromosomi sono formati da una copia di un filamento di DNA che contiene tutte le informazioni necessarie per dirigere l attività della cellula. La divisione cellulare ha mantenuto costante il numero di cromosomi dalla cellula madre alle cellule figlie. CHECKPOINT Che cos è la divisione diretta? Quali sono le fasi della mitosi? I IENTI Divisione indiretta o mitosi 13
8. La specializzazione Negli organismi unicellulari la singola cellula costituisce l intero organismo: svolge quindi tutte le funzioni vitali in modo autonomo. Negli organismi pluricellulari, invece, i vari tipi di cellule si specializzano nel compiere diverse funzioni e quindi assumono forme diverse in relazione al compito che devono svolgere. Oltre alla specializzazione, occorrono anche la quantità e l organizzazione. Puoi quindi considerare un organismo pluricellulare come un associazione ben organizzata di miliardi di cellule. Ciascuna di esse collabora al funzionamento dell intero organismo dal quale riceve tutto ciò che le serve per vivere e svolgere le sue funzioni. Una sola cellula di foglia è molto abile a effettuare la fotosintesi clorofilliana. Ma produce pochissimo zucchero. Servono milioni di cellule, disposte ordinatamente, per fare una foglia e servono migliaia di foglie per nutrire un albero. Una cellula muscolare da sola esercita una piccolissima forza. Ma milioni di cellule, disposte tutte nello stesso verso, che si contraggono nello stesso istante, possono esercitare una forza sufficiente a far correre un animale. Foto al microscopio di cellula di foglia (in alto) e di cellula muscolare (in basso). I tessuti e gli organi Molte cellule simili, che si aggregano, si specializzano e si organizzano per svolgere un compito ben preciso, formano una struttura che si chiama tessuto. Nelle piante e negli animali esistono quindi diversi tipi di tessuto, per esempio: le cellule specializzate nello svolgimento della fotosintesi formano il tessuto clorofilliano; le cellule specializzate nel trasporto dell acqua dalle radici alle foglie formano il tessuto vascolare; cellula I IENTI organo (foglia) 14 tessuto sistema sistema(fogliare) fogliare organismo
U1 L organizzazione dei viventi le cellule epiteliali, specializzate nel rivestimento e nella protezione, formano il tessuto epiteliale; le cellule muscolari formano il tessuto muscolare. Più tessuti diversi si uniscono a formare un organo, che nel suo complesso compie una precisa funzione. Per esempio la foglia è un organo della pianta formato da più tessuti: l epidermide, il tessuto clorofilliano, i tessuti conduttori che trasportano la linfa; lo stomaco è un organo formato da vari tessuti: la mucosa gastrica, il tessuto muscolare, il tessuto connettivo. I sistemi e gli apparati Quando più organi diversi concorrono a svolgere una funzione si parla di sistema o di apparato. Se gli organi sono simili tra loro si usa il termine sistema: per esempio il sistema muscolare dell uomo è formato da oltre 600 muscoli, organi che presentano una struttura simile. Quando gli organi sono diversi, ma insieme concorrono alla realizzazione di una funzione complessa, si usa il termine di apparato: per esempio l apparato digerente è formato da organi molto diversi tra loro (bocca, stomaco, intestino) che svolgono singolarmente funzioni diverse ma insieme provvedono alla nutrizione dell organismo. cellula tessuto organo sistema o apparato organismo L insieme dei sistemi e degli apparati forma l organismo, che rappresenta il sistema di organizzazione più complesso. Nelle piante più cellule si aggregano per formare il tessuto di rivestimento dell organo foglia, che insieme ad altri organi uguali fa parte del sistema fogliare, che insieme ad altri sistemi (radici, tronco ecc.) costituisce l organismo albero. Nell uomo, più cellule si aggregano per formare il tessuto che forma la parete dell organo stomaco, che insieme ad altri organi (intestino, fegato ecc.) costituiscono l apparato digerente, che fa parte dell organismo umano. CHECKPOINT Che cosa mettono in atto le cellule per compiere diverse funzioni? Che cos è un tessuto? Qual è la differenza tra tessuti e organi? Che differenza c è tra sistema e apparato? cellula organo organismo tessuto apparato I IENTI 15
scienza e... TECNOLOGIA Il microscopio Gli strumenti di ingrandimento Il microscopio è lo strumento che permette la visione ingrandita degli oggetti ed è fondamentale per lo studio di corpi molto piccoli come le cellule. L occhio umano ha la possibilità di distinguere particolari fino a un decimo di millimetro (0,1 mm). Per aumentare l ingrandimento di 10-15 volte si possono usare le lenti contafili o le lenti da botanico: sono strumenti che permettono di osservare i particolari di piccoli animali (le ali o le antenne degli insetti) o organi vegetali (le nervature delle foglie, gli stami o il pistillo dei fiori). Microscopio ottico e microscopio elettronico Con il microscopio ottico si possono osservare le cellule e le loro parti (organuli, nucleo) ma non è possibile osservare i dettagli di tali strutture. L ingrandimento massimo di un microscopio ottico è 2000 volte. Per ottenere ingrandimenti superiori bisogna ricorrere al microscopio elettronico. Questo tipo di apparecchio utilizza un fascio di elettroni invece della luce per osservare i preparati. Com è fatto il microscopio È costituito da un doppio sistema di lenti (oculare e obiettivo), montate alle estremità di un tubo che per funzionare ha bisogno di luce, naturale o artificiale. ediamone nel dettaglio gli elementi fondamentali. L oculare è la lente su cui poggia l occhio. L obiettivo è la lente vicino all oggetto da osservare. La vite macrometrica serve per una prima messa a fuoco. L illuminatore fornisce la quantità di luce necessaria per illuminare il preparato. La vite micrometrica serve per una messa a fuoco più precisa. Il tubo poggia su un supporto al quale sono fissati il piano porta-vetrini, su cui viene appoggiato il vetrino portaoggetti, e l illuminatore. La luce attraversa il preparato e i due sistemi di lenti. In questo modo l oggetto viene ingrandito due volte: una volta dall oculare e una dall obiettivo. Per calcolare l ingrandimento complessivo si moltiplica l ingrandimento delle due lenti. Per esempio se l obiettivo ingrandisce 10 volte e l oculare 8 volte, l ingrandimento complessivo è 10 8 = 80 volte. 16
scienza e... STORIA La teoria cellulare La scoperta della cellula vegetale... Cellule di sughero. Il primo scienziato che usò il termine cellula, nel lontano 1665, fu Robert Hooke (1635-1723), fisico e naturalista inglese. Con uno dei primi microscopi stava osservando un sottile strato di sughero e vide una serie di cellette vuote, strettamente vicine le une alle altre, che avevano l aspetto di un favo di api. In realtà stava osservando le pareti cellulari di cellule vegetali morte e quindi vuote. Egli diede il nome di cellette (in inglese cells), cioè piccole stanze, a queste strutture. Il termine venne poi tradotto in latino cellula, che significa proprio piccola stanza, celletta. Il latino, infatti, veniva usato dagli scienziati di lingua diversa per comunicare. Il microscopio di Hooke.... e di quella animale Circa nello stesso periodo Antoni an Leeuwenhoek (1632-1723), scienziato autodidatta olandese che nella sua vita fece diversi mestieri, scopriva nell acqua stagnante la presenza di alcuni piccolissimi animali, che chiamò animalucoli. In realtà erano organismi unicellulari. Egli era abilissimo a costruire piccole ma potenti lenti d ingrandimento e a fabbricare microscopi con i quali osservava e descriveva tutto quello che gli capitava sottomano. Foto al microscopio di diatomea. Si tratta degli animalucoli osservati da an Leeuwenhoek. La formulazione della teoria cellulare I principi fondamentali della teoria cellulare Dopo le osservazioni di Hooke e an Leeuwenhoek si moltiplicarono le ricerche e gli studi. Nel 1838 il botanico tedesco Mathias Schleiden (1804-1881) affermò che tutti gli organismi vegetali erano formati da cellule. Nel 1839 lo zoologo tedesco Theodor Schwann (1810-1882), osservando frammenti animali al microscopio, notò dei nuclei circondati da una massa gelatinosa, delimitata da una sottile pellicola. Schwann pensò che questi due elementi fossero comuni alle cellule animali e vegetali, anche se nei vegetali la membrana esterna era molto più spessa. Questi due scienziati proposero un ipotesi di fondamentale importanza: tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule. Schwann per primo usò il termine di teoria cellulare per indicare l insieme delle scoperte effettuate sulle cellule animali e vegetali. In sintesi, la teoria cellulare afferma che: tutti gli organismi vegetali e animali sono formati da cellule o da materiali prodotti da cellule; le cellule derivano da altre cellule; la cellula è l unità fondamentale della vita, nel senso che possiede in sé tutti gli attributi e le capacità che caratterizzano un essere vivente. 17
U1 zona lab L organizzazione dei viventi Come si usa il microscopio ottico MATERIALE OCCORRENTE microscopio ottico vetrino con preparato 1 ESECUZIONE 1 Accendi l illuminatore. Nel caso il tuo microscopio non ne sia provvisto, ma disponga del tradizionale specchietto, devi per prima cosa assicurarti una fonte luminosa. Puoi sistemare il microscopio davanti a una finestra ben illuminata, ma otterrai risultati migliori con una lampada da tavolo e una lampadina azzurrata. Infatti, oltre i 400 ingrandimenti è necessaria una luce intensa. Accosta l occhio all oculare e regola l inclinazione dello specchietto fino a quando vedrai un disco di luce chiara e uniforme. 2 Imposta l ingrandimento più basso. Conviene iniziare sempre con un basso ingrandimento perché così si ha una visione più ampia ed è più facile individuare le zone interessanti del preparato. Devi perciò ruotare la torretta porta-obiettivi e inserire l obiettivo a ingrandimento più basso. Per calcolare l ingrandimento totale del microscopio si deve eseguire la moltiplicazione: oculare obiettivo 2 foro per il passaggio della luce 40x ingrandimento obiettivo ingrandimento oculare Quindi, usando un obiettivo da 10 e un oculare da 8 si ottengono (10 8) 80 ingrandimenti. 10x torretta porta-obiettivi 3 Posiziona il vetrino. Prima di inserire il vetrino devi abbassare il piano porta-vetrini del microscopio, ruotando la manopola per la messa a fuoco. Dopo, puoi posare il vetrino sul piano porta-vetrini. 4x 4 Inquadra il preparato. Se accosti l occhio all oculare, vedrai un immagine molto confusa o addirittura niente. Se non vedi niente, prova a spostare il vetrino cercando di posizionare il preparato esattamente sotto l obiettivo. 18 5 Metti a fuoco. Per mettere a fuoco devi avvicinare il vetrino all obiettivo fino a quando l immagine diventa nitida. Questa operazione va compiuta ruotando molto lentamente la vite macrometrica per la messa a fuoco. Spesso è necessario effettuare vari aggiustamenti ruotando la vite sia in un verso sia nell altro fino a ottenere il risultato migliore. Per la messa a fuoco più precisa usa la vite micrometrica. 6 Cambia l ingrandimento. Dopo una prima visione panoramica a circa 100 ingrandimenti, puoi decidere di osservare qualche particolare a un ingrandimento maggiore. Per cambiare l ingrandimento devi cambiare gli obiettivi. Dopo aver cambiato l obiettivo bisogna ripetere tutte le operazioni per la messa a fuoco. 3 morsetti per fermare il vetrino vetrino piano porta-vetrini vite macrometrica per la messa a fuoco vite micrometrica
Osserviamo le cellule vegetali MATERIALE OCCORRENTE cipolla coltello acqua ESECUZIONE vetrino porta-oggetti vetrino copri-oggetti pinzetta blu di metilene carta assorbente pipetta taglierino microscopio ottico 1 2 3 1 4 5 Prendi una cipolla, tagliala a metà e staccane due strati (catafilli). Noterai che fra uno strato e l altro c è una sottilissima membrana. 2 Con un taglierino, tagliane una striscia sottile e con la pinzetta stendila su un vetrino aggiungendo una goccia d acqua con una pipetta. 3 Copri il preparato con il vetrino copri-oggetti, premendo leggermente, evitando che si formino bolle d aria. Osserva quindi il preparato al microscopio. edrai molto chiaramente un tessuto di cellule di forma rettangolare, che assumono l aspetto regolare di un muro di mattoni o di un pavimento di piastrelle. Fai un disegno di quanto stai osservando. Aumenta l ingrandimento e cerca di individuare i nuclei. Se non ci riesci, prepara un altro vetrino colorando il preparato con una goccia di blu di metilene. La sostanza colorante verrà assorbita soprattutto dai nuclei che diventeranno così molto più visibili. Prima di osservare di nuovo, lascia agire il colorante per qualche minuto e asporta, con una carta assorbente, il liquido in eccesso. Attenzione! Il blu di metilene è nocivo, non inalare, non ingerire e utilizza un paio di guanti per l esperimento. OSSERAZIONE E SPIEGAZIONE Le cellule vegetali hanno una forma regolare e contorni ben visibili per la presenza della parete. Non si riesce a osservare la membrana cellulare. I nuclei si vedono meglio con la colorazione del blu di metilene perché il nucleo assorbe molto il colorante. Appaiono come corpuscoli tondeggianti in genere addossati alla parete. Osserviamo le cellule animali MATERIALE OCCORRENTE acqua vetrino porta-oggetti vetrino copri-oggetti ESECUZIONE 1 2 cucchiaino pipetta carta assorbente microscopio ottico Prepara un vetrino porta-oggetti mettendo al centro una goccia d acqua con la pipetta. Con il cucchiaino raschia delicatamente l interno della guancia. Sulla punta del cucchiaino potrai osservare una patina biancastra: è la parte superficiale della mucosa boccale. Immergi questa patina nella goccia d acqua del vetrino 3 porta-oggetti e copri la goccia con il vetrino copri-oggetti. Eventualmente prepara un altro vetrino aggiungendo il blu di metilene. Osserva al microscopio le cellule presenti e disegna quanto osservato. OSSERAZIONE E SPIEGAZIONE Le cellule che osservi presentano forma più o meno poligonale, con contorni irregolari e meno evidenti rispetto a quelle dei preparati precedenti. Infatti queste sono cellule animali, prive della parete che conferisce alla cellule vegetali una certa rigidità. Le cellule sono isolate o in piccoli gruppi, presentano al centro una sferetta di colore più scuro: il nucleo. 19
sintesi attiva audio ON LINE U1 L organizzazione dei viventi Inserisci nel testo che segue le parole chiave mancanti elencate al fondo. 1. La varietà dei viventi. La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi, che presentano una grande variabilità per aspetto,... dimensioni, struttura. 2. Le caratteristiche dei viventi. Tutti gli esseri viventi nascono, respirano,... si nutrono, crescono, si muovono e reagiscono agli stimoli, si riproducono, muoiono. Gli... si costruiscono il proprio nutrimento con la fotosintesi mentre gli... si nutrono di altri organismi. 3. La cellula. La cellula svolge tutte le funzioni vitali: si nutre, respira, elimina le sostanze di rifiuto, si riproduce, muore. Gli esseri viventi possono essere... e pluricellulari. 4. Dentro la cellula. Gli elementi fondamentali della cellula sono: la membrana cellulare che delimita e protegge la cellula, assorbe le sostanze nutritive ed espelle quelle di rifiuto; il... che è un corpuscolo tondeggiante immerso nel..., avvolto da una membrana simile a quella cellulare detta... (nel nucleo di ogni cellula è presente il..., cioè l acido desossiribonucleico). 5. I meccanismi di trasporto delle sostanze. Il passaggio di sostanze verso l interno e l esterno della cellula avviene per..., trasporto mediato da proteine,.... 6. Cellula procariote e cellula eucariote. Si chiamano... le cellule nelle quali il nucleo è ben delimitato dalla membrana nucleare. Si chiamano... le cellule nelle quali il nucleo non è delimitato dalla membrana nucleare e il DNA è immerso nel citoplasma. 7. La divisione cellulare. La cellula, come unità vivente, è in grado di riprodursi da sola, dividendosi in due parti che formeranno due nuove cellule. La divisione può essere... o... (mitosi). 8. La specializzazione. Negli organismi unicellulari la singola cellula costituisce l intero organismo. Negli organismi pluricellulari, invece, molte cellule simili si aggregano e si specializzano formando un.... Più tessuti diversi formano un.... Quando più organi diversi concorrono a svolgere una funzione si parla di sistema o di.... L insieme dei sistemi e degli apparati forma l..., che rappresenta il sistema di organizzazione più elevato. autotrofi unicellulari nucleo organismo endocitosi si nutrono indiretta procarioti membrana eucarioti dimensioni eterotrofi citoplasma nucleare DNA diretta diffusione tessuto apparato organo 20
verifica test ON LINE U1 L organizzazione dei viventi Che cosa so 1 Collega ciascuna frase dell elenco a sinistra al termine corrispondente dell elenco a destra. 1.1 È l unità fondamentale dei viventi. a cloroplasti 1.2 Controlla i movimenti di sostanze verso l esterno e l interno della cellula. b mitosi 1.3 È considerato il cervello della cellula. c parete cellulare 1.4 Sono presenti nel citoplasma. d cellula 1.5 Sono la centrale energetica della cellula. e ribosomi 1.6 È presente solo nelle cellule vegetali. f nucleo 1.7 Contengono la clorofilla. g mitocondri 1.8 Processo di divisione cellulare. h organuli cellulari 1.9 Costruiscono le proteine. i membrana cellulare 2 ero o falso? 2.1 La scienza che studia gli esseri viventi si chiama geologia. 2.2 In base al modo di respirare gli organismi si distinguono in eterotrofi e autotrofi. 2.3 La riproduzione può anche coinvolgere un solo individuo. 2.4 La cellula respira, si nutre, elimina le sostanze di rifiuto, si riproduce e muore. 2.5 Le cellule non sono mai visibili a occhio nudo. F F F F F 2.6 Negli organismi pluricellulari le cellule sono tutte uguali. 2.7 I tre elementi fondamentali della cellula sono: la membrana cellulare, il nucleo, il citoplasma. 2.8 Nella cellula eucariote il DNA è contenuto nel citoplasma. 2.9 L unica parte della cellula che non è possibile dividere è il DNA. 2.10 La divisione diretta è possibile anche in organismi pluricellulari. F F F F F 3 Scegli la risposta corretta. 3.1 Qual è l idea fondamentale della teoria cellulare? a b c d Solo gli organismi cellulari sono costituiti da cellule. Tutti gli animali sono costituiti da cellule. Tutta la materia è costituita da cellule. Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule. 3.2 Che cosa rende di colore verde le foglie? a La luce. c La cromatina. b La clorofilla. d Il Sole. 3.4 Nel disegno sotto indica dove avviene la fotosintesi, scegliendo tra le opzioni elencate. a Nel nucleo. c Nei cloroplasti. b Nei vacuoli. d Nei ribosomi. 3.3 Qual è la funzione dei lisosomi? a b c d Produrre energia. Distruggere strutture cellulari inservibili e digerire materiali cellulari. Immagazzinare sostanze di riserva. Immagazzinare sostanze digestive. 21
Che cosa so fare 4 Completa. 4.3 Inserisci nella figura i termini corretti scegliendoli tra i seguenti: mitocondrio, ribosoma, nucleo, membrana cellulare, apparato di Golgi, reticolo endoplasmatico. 4.1 Inserisci al posto dei puntini i termini corretti scegliendo tra quelli indicati tra parentesi. La parte di cellula che dirige tutte le attività cellulari è il.... (ribosoma, nucleo, cloroplasto). Nel nucleo è presente una sostanza detta.... (citoplasma, clorofilla, DNA). Dopo la mitosi il numero di cromosomi delle cellule figlie è. (maggiore, minore, uguale) a quello della madre. Un tessuto è un insieme di.... (cellule, organi, sistemi) che svolgono la stessa funzione. 4.2 Inserisci in una delle due colonne il nome degli organuli dell elenco a sinistra, a seconda che siano presenti nella cellula animale o vegetale (anche se raramente). ANIMALE 4.4 Inserisci nella figura i termini corretti scegliendoli tra i seguenti: membrana cellulare, citoplasma, DNA, ribosomi, pili. EGETALE a ribosomi b cloroplasti c membrana cellulare d reticolo endoplasmatico e mitocondri f centrioli g vacuoli h nucleo 4.5 Riordina le seguenti figure inserendo un numero vicino a ciascuna e denomina le fasi della mitosi. 22............ 5 Elenca i seguenti elementi in ordine di complessità crescente. apparato organismo tessuto cellula organo L ordine corretto è:...
6 Spiega il significato dei seguenti termini e scrivi il termine opposto. Eucariote =... Il termine opposto è... Eterotrofo =... Il termine opposto è... Unicellulare =... Il termine opposto è... 7 Riordina i disegni secondo questa sequenza: 8 Descrivi. 1. cellula, 2. tessuto, 3. organo, 4. apparato, 5. organismo organismo cellula Per ciascuno di questi termini indica se si riferisce alla cellula animale (A), vegetale (), o a entrambe. Descrivi poi con parole tue le differenze tra l una e l altra. apparato o mappa unicellulari Mappa dei concetti ON LINE Completa la mappa. A A A A A A A A A A A A 1. citoplasma 2. nucleo 3. lisosomi 4. parete cellulare 5. apparato di Golgi 6. mitocondri 7. vacuolo 8. membrana cellulare 9. cloroplasti 10. reticolo endoplasmatico 11. ribosomi 12. tilacoidi... formati da una sola cellula possono essere I IENTI animali organi formati da più cellule che si specializzano in... sistemi o...... nascono distinte in... crescono... sono costituiti da cellule distinte in... muoiono... eucariote formate da nucleo membrana cellulare 23
U2 La classificazione dei viventi contenuti obiettivi 1. Perché si classifica 2. I principali gruppi tassonomici 3. I cinque regni dei viventi 4. La nomenclatura binomia 5. Classificazione ed evoluzione Spiegare il significato del termine classificare Definire le categorie sistematiche, in particolare la specie Sapere come sono stati suddivisi gli esseri viventi Spiegare come si danno i nomi secondo la nomenclatura latina Sapere quali criteri e metodi gli scienziati utilizzano per classificare correttamente