Lezione 1 La Biologia è la Scienza della Vita - Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli Montepulciano 2013-2014
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Lezione 1
La Biologia è la Scienza della Vita
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-2014
Obiettivo:
Studiare quali sono le caratteristiche della vita, come variano da un organismo
all’altro, come si sono evolute e come cooperano per permettere ai viventi di
esistere.
L’evoluzione è un tema centrale per la biologia: attraverso le differenze nelle
capacità di sopravvivere e riprodursi, infatti, i sistemi viventi evolvono e si
adattano ai molti ambienti del pianeta.
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In questo modo, l’evoluzione a partire da un antenato comune ha generato
l’enorme varietà di forme di vita che osserviamo oggi sulla Terra.
3.9 miliardi di anni fa
formazione delle procellule in
condizioni anaerobiche dal
brodo primordiale ricco di
molecole organiche
3.5 miliardi di anni fa
Primi organismi monocellulari
(procarioti); grazie alla loro
fotosintesi il pianeta si
arricchisce di ossigeno e
carboidrati
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Le caratteristiche che i viventi hanno in comune:
1. Tutti gli organismi sono fatti di cellule
2. Le cellule contengono informazioni ereditarie scritte in un linguaggio
genetico universale (ovvero comune a tutte le forme di organismi viventi), che
trasmettono alla discendenza.
3. Le cellule ricavano dall’ambiente energia e nutrienti.
4. Gli organismi rispondono ai cambiamenti dell’ambiente esterno regolando il
proprio ambiente interno.
5. La vita è organizzata in livelli gerarchici.
6. Gli esseri viventi interagiscono gli uni con gli altri.
7. Tutti i viventi sono comparsi per evoluzione a partire da un antenato comune.
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Quindi:
La biologia è lo studio scientifico di tutti gli esseri viventi, cioè di tutti
quei numerosi e vari organismi che discendono da un antenato comune
unicellulare comparso quasi quattro miliardi di anni fa
E’ comunque molto difficile rendere giustizia all’incredibile complessità e
diversità dei viventi.
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1. Gli organismi sono fatti di cellule.
La scoperta della cellula risale al ‘600 ed è dovuta a Robert Hooke, uno
studioso di fisica, paleontologia, chimica ed architettura vissuto in Inghilterra
dal 1635 al 1703.
Non si limitò alla sola ricerca scientifica ma si dedicò anche alla progettazione
di strumenti scientifici. Fu lui ad apportare importanti perfezionamenti al
microscopio ottico.
E proprio queste
innovazioni tecnologiche
gli permisero di fare
osservazioni
straordinarie: in una di
queste egli osservò delle
fettine di sughero e notò
che esse erano costituite
da tante piccole cellette
separate tra loro che
chiamò CELLULE.
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Trascorsero però più di 100 anni prima che gli studi sulle cellule facessero
progressi significativi e solo nell’800 gli studiosi conclusero che gli elementi
strutturali dei vegetali e degli animali sono fondamentalmente gli stessi.
Nacque così la Teoria cellulare:
La cellula è la struttura più semplice in grado di svolgere tutte le funzioni
vitali. Alcuni organismi, detti unicellulari, sono formati da una sola cellula;
altri, i pluricellulari, sono composti da numerose cellule specializzate in
funzioni diverse
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La Teoria Cellulare afferma che:
Le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi;
Tutte le cellule provengono da cellule preesistenti
Le cellule sono simili per composizione chimica ed ospitano molte delle
reazioni del mondo vivente.
Tutte le cellule sono avvolte dalla membrana plasmatica, un involucro che
delimita la cellula e seleziona le sostanze che entrano ed escono.
L’ambiente interno alla membrana è costituito da una miscela di acqua e di
altre sostanze chiamata citoplasma in cui avvengono moltissime reazioni
chimiche.
Tutte le cellule posseggono un proprio patrimonio genetico che contiene le
informazioni ereditarie necessarie alla cellula per svilupparsi, accrescersi e
riprodursi.
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2. Le cellule contengono informazioni ereditarie scritte in un linguaggio
genetico universale.
Tutte le cellule del nostro corpo sono costituite da molecole a loro volta
formate da due o più atomi (le particelle di cui è formata la materia). Atomi
e molecole appartengono al mondo inanimato.
Le cellule tuttavia posseggono due caratteristiche peculiari che le
distinguono dai sistemi inanimati:
Si riproducono e si sviluppano secondo un progetto interno
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Ciò è reso possibile dalla presenza in tutte le cellule di due tipi di
biomolecole complesse, costituite da piccole subunità:
Il DNA (acido
desossiribonucleico): è
una lunga sequenza di
subunità chiamate
nucleotidi.
Le Proteine: sono
sequenze di amminoacidi
(molecole organiche)
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-2014I Nucleotidi e gli amminoacidi sono uguali in tutte le cellule di tutti gli
organismi. Essi sono però organizzati in sequenze diverse per produrre
molecole con funzioni differenti.
Le molecole di DNA presenti all’interno di una cellula costituiscono il
suo patrimonio ereditario e genoma
Il compito del DNA è duplice:
1. Contiene le informazioni necessarie per costruire e far funzionare
correttamente la cellula;
2. Permette all’organismo di trasmettere le proprie caratteristiche alla
discendenza.
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-2014Tratti specifici del DNA, chiamati geni, contengono l’informazione
utilizzata dalla cellula per fabbricare le proteine. Queste, oltre a
costituire gran parte della struttura dell’organismo, sono le molecole che
guidano le attività cellulari. Ogni organismo possiede geni specifici e quindi
produce proteine specifiche.
Il genoma di un organismo è composto da
migliaia di geni. Se si altera la sequenza
nucleotidica di un gene, molto
probabilmente cambia anche la proteina
che esso codifica. Le alterazioni dei geni
si chiamano mutazioni.
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-2014Le mutazioni si verificano spontaneamente ma possono anche essere indotte
da vari fattori esterni come le radiazioni e certe sostanze chimiche. Per lo
più le mutazioni sono dannose, ma ogni tanto il cambiamento delle proprietà
di una proteina ne altera la funzione in modo da migliorare l’efficienza
dell’organismo nelle condizioni ambientali in cui si viene a trovare. Come
vedremo queste mutazioni vantaggiose sono alla base dell’evoluzione.
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-20143. Le cellule ricavano dall’ambiente energia e nutrienti
Tutti i viventi hanno bisogno di energia e materie prime per costruire le
loro cellule e per mantenere la loro complessa organizzazione interna.
Alcuni organismi utilizzano la luce del sole o altre fonti di energia per
produrre biomolecole, altri ricavano dall’ambiente sostanze dette nutrienti
che li riforniscono di energia.
Parte del lavoro cellulare consiste nel trasformare certi tipi di biomolecole
in altri tipi (tramite reazioni chimiche: ad esempio gli zuccheri vengono
trasformati in grasso).
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-2014L’energia che proviene dai nutrienti può essere immagazzinata.
Ad esempio le cellule di questo scoiattolo convertono le molecole complesse
delle piante in grassi che.. ..vengono immagazzinate nel corpo
dell’animale come riserva energetica!!!
Oppure l’energia che proviene dai nutrienti può essere utilizzata
immediatamente.
Le cellule dei muscoli di questo
canguro hanno demolito le
molecole di cibo ed utilizzano
l’energia così ricavata per
produrre movimento
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Montepulciano 2013-20144. I viventi rispondono ai cambiamenti dell’ambiente esterno regolando il
proprio ambiente interno
La vita dipende da migliaia di reazioni chimiche che si svolgono nelle cellule;
durante queste reazioni le molecole di partenza (reagenti) vengono
demolite per costruire nuove molecole (prodotti)
Il complesso di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno di
un essere vivente unicellulare o pluricellulare costituiscono il suo
metabolismo
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Montepulciano 2013-2014Le reazioni metaboliche richiedono che lo scambio di materiali tra l’interno
e l’esterno della cellule avvenga in modo controllato e sono tra loro
interconnesse: i prodotti dell’una costituiscono le materie prime della
reazione successiva.
Per consentire ciò, gran parte dell’attività della cellula è finalizzata a
regolare le molteplici reazioni chimiche in continuo svolgimento al loro
interno. E’ infatti fondamentale un preciso controllo della velocità delle
reazioni e quindi della concentrazione chimica di ioni e molecole.
L’attività di regolazione prende il nome di omeostasi:
È la capacità dei viventi di mantenere relativamente costanti le
caratteristiche del proprio ambiente interno, anche al variare dell’ambiente
esterno.
Esempi di Omeostasi possono essere:
la temperatura centrale del nostro organismo, che viene mantenuta a valori prossimi ai 37°C
nonostante le variazioni ambientali (entro certi limiti ovviamente).
il pH del sangue, lievemente alcalino (7.4), non può subire oscillazioni troppo ampie, poichè
quando superano i 0.4 punti determinano patologie gravissime.
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Montepulciano 2013-20145. Il mondo dei viventi è organizzato in livelli gerarchici
Una delle proprietà che caratterizzano gli esseri viventi è che essi
mantengono una precisa organizzazione strutturale; questa organizzazione
strutturale è di tipo gerarchico e alla sua base vi è la cellula.
Il corpo umano, come quello di tutti gli altri animali complessi, è costituito
da una grande varietà di differenti cellule specializzate. In molti casi, per
svolgere i loro compiti specifici, gruppi di cellule simili (con la medesima
funzione) si organizzano in tessuti.
Per esempio una sola cellula muscolare non può sviluppare molta forza ma
quando più cellule muscolari si uniscono per formare l tessuto muscolare si
può generare una forza considerevole, tale da produrre il movimento.
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-2014Differenti tipi di tessuti, uniti strutturalmente e coordinati nelle loro
attività, formano gli organi, preposti a svolgere una precisa funzione.
Esempi di organi sono il cuore, il cervello, lo stomaco..
Gli organi che svolgono funzioni interconnesse sono raggruppati in sistemi
di organi o apparati come l'apparato digerente e quello circolatorio. Per
esempio, l'apparato circolatorio è costituito dal cuore, dai vasi sanguigni e
dal sangue che scorre all'interno dei vasi; l'apparato digerente è costituito
dallo stomaco, dall'intestino, dal fegato, dal pancreas e da numerosi altri
organi, ognuno dei quali compie attività specifiche che contribuiscono al
funzionamento globale; il sistema scheletrico invece è costituito da 206
organi distinti, le ossa, che insieme costituiscono lo scheletro umano
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-20145. Gli esseri viventi interagiscono gli uni con gli altri
Oltre che con il proprio ambiente interno, gli organismi interagiscono
continuamente anche con l’ambiente esterno nel quale vivono.
Gli organismi che appartengono ad una certa specie e che vivono nella
stessa regione geografica costituiscono una popolazione.
Tra i membri di una popolazione possono esistere interazioni di vario tipo
Gli elefanti marini sono molto territoriali e
spesso i maschi combattono per difendere il
territorio.
I suricati spesso collaborano per esempio per
fare la guardia e difendersi dai predatori.
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-2014Le interazioni tra le popolazioni danno origine ad una comunità
Un esempio di comunità è costituito dagli organismi che vivono in un prato
(erbe, farfalle, cespugli, lombrichi..)
In ciascuna località geografica, l’interazione tra le comunità viventi e
l’ambiente in cui esse vivono forma un ecosistema. (concetto catena
alimentare)
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Montepulciano 2013-2014In sintesi…
Giorgio Sacchi - Classe IIAB - Ist. Caselli
Montepulciano 2013-20146. Tutti i viventi sono frutto dell’evoluzione a partire da un antenato comune
La teoria dell’evoluzione di Charles Darwin è uno dei principi più importanti
della biologia.
La teoria dell’evoluzione suggerisce che gli organismi viventi discendano da
antenati comuni e quindi siano imparentati tra loro; per questo Darwin si
riferiva al processo evolutivo come ad una «discendenza con modificazioni»
Darwin sospettò l’esistenza dell’ereditarietà genetica osservando che la
prole assomigliava ai genitori sotto tanti aspetti. Questa osservazione è
alla base del concetto biologico di specie: un gruppo di organismi che si
somigliano (morfologicamente simili) e che possono accoppiarsi tra loro
generando prole feconda.
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Montepulciano 2013-2014D’altra parte i figli non sono
del tutto identici ai genitori
e qualsiasi popolazione di
una specie vegetale o
animale mostra una certa
variabilità.
Come funziona la selezione in natura?
Darwin ipotizzò che ad agire fosse una diversa probabilità di sopravvivere e
riprodursi con successo. Le popolazioni in natura non crescono in modo
illimitato e solo una piccola percentuale della progenie riesce a sopravvivere
e riprodursi. Perciò qualsiasi carattere che conferisca a chi lo possiede un
aumento, anche modesto, della probabilità di riprodursi, sarà favorito e si
diffonderà nella popolazione.
Darwin chiamò questo fenomeno selezione naturale
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Montepulciano 2013-20147. La varietà degli esseri viventi è frutto dell’evoluzione.
I biologi raggruppano le specie attualmente viventi in tre gruppi chiamati
domini: achei, batteri, eucarioti
Achei e batteri presentano processi metabolici differenti, ma condividono
una caratteristica fondamentale: l’unità costitutiva di entrambi è la cellula
procariotica, una cellula piccola, molto semplice, che non presenta
scomparti interni.
Il dominio degli eucarioti comprende quattro regni: animali, piante, funghi e
protisti. Gli organismi che appartengono a questi regni sono formati da
cellule eucariotiche.
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Montepulciano 2013-2014La cellula eucariotica differisce da quella procariotica per varie ragioni:
Il DNA è contenuto in uno scomparto chiamato nucleo, delimitato da una
membrana.
Nel citoplasma sono presenti diversi organuli, sempre delimitati da
membrane, che svolgono specifiche funzioni.
La cellula eucariotica è molto più grande di quella procariotica.
Cellula Procariota. Schema di un Cellula Eucariota
batterio flagellato. Si osserva la
monocompartimentazione ed il DNA
che occupa una zona non ben definita.
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Montepulciano 2013-2014I quattro regni degli organismi eucariotici si distinguono in base a quattro
criteri:
Il regno delle Piante. Sono organismi pluricellulari fotosintetici ed
autotrofi. Grazie alla fotosintesi sono in grado di produrre autonomamente
il cibo a partire da molecole semplici.
Il regno dei Funghi. Sono organismi decompositori che si nutrono per
assorbimento (eterotrofi). Possono essere sia unicellulari che pluricellulari.
Il regno degli Animali. Sono organismi pluricellulari che si nutrono
ingerendo e digerendo il cibo. (eterotrofi).
Il regno dei Protisti. Raccoglie tutti gli organismi che non rientrano negli
altri regni. Si tratta quasi sempre di forme di vita unicellulari sia autotrofi
che eterotrofi.
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Montepulciano 2013-2014Teoria dell’evoluzione Teoria cellulare
Si basa sulle
La Biologia
Studia
Gli esseri viventi
sono fatti di cellule che nascono,
crescono, si riproducono, muoiono
Contengono
Regolano Hanno bisogno di
informazioni
l’ambiente interno energia
ereditarie
METABOLISMO -
OMEOSTASI
DNA -Genoma Autotrofi - eterotrofi
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Montepulciano 2013-2014Gli esseri
viventi
Appartengono a tre
domini
Batteri Archei Eucarioti
Procarioti unicellulari Procarioti unicellulari Uni e pluricellulari
Protisti Funghi Piante Animali
Autotrofi ed Eterotrofi - Uni Autotrofi - pluricellulari
Eterotrofi - pluricellulari
eterotrofi, unicellulari e pluricellulari
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