Materiale didattico Biologia www.giorgioventurini.net/lezioni2019
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
18-apr
15-17 BIOLOGIA
17-19 CHIMICA
Materiale didattico Biologia
www.giorgioventurini.net/lezioni2019
02-mag
15-17: CHIMICA
17-19: GEOLOGIA
09-mag
15-17: GEOLOGIA Mail venturin@uniroma3.it
17-19: GEOLOGIA
16-mag
15-17: BIOLOGIA
17-19: CHIMICA
23-mag
15-17: CHIMICA
17-19: BIOLOGIA
30-mag
15-17: BIOLOGIA
17-19: CHIMICA
06-giu
15-17: GEOLOGIA
17-19: GEOLOGIA
13-giu
15-17: CHIMICA
17-19: BIOLOGIA
20-giu
15-17: BIOLOGIA
17-19: GEOLOGIA
Supporre che l’occhio, con tutti i suoi inimitabili congegni per regolare il fuoco a distanze differenti, per far entrare diverse quantità di luce, per correggere l'aberrazione sferica e cromatica, si possa essere formato per mezzo della selezione naturale, sembra, lo confesso liberamente, assurdo al massimo grado. (C. DARWIN 1859) Infatti, un occhio non ancora completamente evoluto non è vantaggioso per il suo possessore: se l’animale non riesce ad adattare l’apertura a condizioni di luce variabile, risulta cieco a tutti gli effetti quando, per esempio, l’illuminazione diventa scarsa… (UN IGNORANTE PRESUNTUOSO nel 2017, che poi continua parlando della visione cromatica, della stereoscopia, dell’accomodamento etc., in cui assenza l’occhio sarebbe secondo lui inutile) Pensate che tutto questo sia vero, o che ci sia qualche errore logico? Possiamo fare un esperimento.
Tuttavia la ragione mi dice che, essendo possibile dimostrare che esistono numerose gradazioni da un occhio perfetto e complesso ad un altro molto imperfetto e semplice (ogni gradazione essendo utile al suo possessore); e che, inoltre l'occhio varia molto leggermente e che le variazioni sono ereditarie (e questo è certamente vero); e che una qualsiasi variazione o modificazione dell'organo può essere utile ad un animale le cui condizioni di vita stanno mutando; allora la difficoltà di credere che, grazie alla selezione naturale, si possa formare un occhio perfetto e complesso, cessa di essere consistente.” (C. DARWIN) Come dunque Darwin comprende bene le esigenze visive dei diversi organismi possono essere molto diverse e anche occhi molto semplici possono fornire ai loro possessori degli importanti vantaggi evolutivi. Una medusa non ha bisogno dell’occhio sofisticato di un’aquila.
Tuti i sistemi visivi che conosciamo sono basati sulla presenza di proteine fotorecettrici, o pigmenti visivi, che contengono un gruppo prostetico (in rosa nella figura), capace di cambiare conformazione quando viene eccitato da un fotone. Il cambiamento del gruppo prostetico induce nella proteina un cambiamento della sua conformazione e quindi della funzione. Qui è raffigurata la molecola della RODOPSINA, la più comune proteina fotorecettrice, propria anche dell’uomo. Il gruppo prostetico è il RETINALE. Quando la rodopsina viene eccitata dalla luce provoca la attivazione di un enzima, la fosfodiesterasi, che a sua volta plorta ad una variazione nel potenziale di membrana della cellula retinica
Luce
Tutto - trans
11-cis
Il RETINALE, l gruppo prostetico della rodopsina.La luce determina l’isomerizzazione
del retinale contenuto nella rodopsina. Questo provoca un cambiamento di
conformazione nella opsina e l’avviamento della cascata enzimatica responsabile della
risposta
Pompa foto-alimentata:
La batterio-rodopsina
La rodopsina ha una lunga storia evolutiva: nei procarioti è presente una
batteriorodopsina che, eccitata dalla luce, pompa protoni dall’interno all’esterno della
cellula.
Il gradiente protonico generato serve ad attivare una ATP sintasi simile a quella dei nostri
mitocondri
La costruzione dell’immagine nell’occhio umano, che contiene una lente biconvessa: il cristallino
C La costruzione dell’immagine con una lente biconvessa. Consideriamo i raggi che provengono dalla punta della freccia: i raggi (Raggio P) che arrivano alla lente paralleli all’asse ottico emergono passando per il fuoco, quelli (Raggio F) che arrivano passando per il fuoco emergono paralleli all’asse ottico. I raggi (Raggio M) che passano per i centro ottico ( C ) proseguono non deviati. Nel punto di intersezione dei raggi si forma l’immagine della punta
C
In realtà dalla punta della freccia emergono infiniti raggi. Tutti quelli che giungono alla
lente convergono nello stesso punto e contribuiscono a formare l’immagine della punta. I
raggi che non attraversano la lente non vengono deviati e quindi non contribuiscono a
formare l’immagine. Per questo motivo una lente di diametro grande sarà molto luminosa.
La nostra pupilla, dilatandosi o restringendosi, regola la quantità di luce che giunge alla
lente e quindi regola la luminosità dell’immagine
Potrebbe funzionare un occhio senza lente?In assenza di lente tutti i raggi provenienti da ogni punto dell’oggetto
raggiungeranno non deviati la retina e formeranno quindi infinite
Immagini pochissimo luminose in posizioni diverse: il risultato è in pratica
Quello di nessuna immagine percettibile
retinaE’ possibile ottenere una immagine usando un diaframma, cioè uno schermo con un foro: soltanto i raggi che passano per il foro, incrociandosi, raggiungono la retina, dove formeranno una immagine rovesciata. Se il foro è sottile passeranno pochi raggi, formando una immagine nitida ma poco luminosa. retina
Se il diaframma è più ampio
passeranno raggi più numerosi,
formando numerose immagini
parzialmente sovrapposte: il risultato
sarà una immagine più luminosa ma
poco nitida
retinaCompiti: 1 - Spiegare in che modo il cambiamento di conformazione del retinale può modificare la funzione della proteina rodopsina 2 – descrivere occhi presenti in animali diversi, dai più semplici ai più complessi, cercando di capire che cosa vedono e perché 3 – costruire modelli semplici e funzionanti dei diversi tipi di occhio
Euglena
L’Euglena viridis, un protista fotosintetico dispone di un fotorecettore e di una macchia pigmentata (sigma) che a seconda della posizione dell’organismo e della direzione di provenienza della luce potrà schermare o meno i raggi luminosi. Un questo modo l’euglena può essere informata sulla posizione della fonte di luce. Quando il fotorecettore viene eccitato regola il movimento del flagello.
Due tipi di fotorecettori: Rabdomedici, e Ciliari. I ripiegamenti della membrana hanno la funzione di aumentare la superficie disponibile per la rodopsina e quindi aumentare la sensibilità alla luce. I due tipi utilizzano meccanismi di trasduzione diversi
Epitelio fotosensibile
oggetto
E’ possibile che i raggi luminosi
che emergono da un oggetto
illuminato, in assenza di una
lente, costruiscano una
immagine nitida su uno schermo
(o su un epitelio fotosensibile) ?Che cosa vede un “occhio” formato da un semplice epitelio fotosensibile
approssimativamente piano? Percepisce soltanto la presenza o assenza di luce
Epitelio fotosensibile
Carta da lucido
oggetto
Da ogni punto dell’oggetto
partono infiniti raggi che
giungono all’”occhio” creando
Possiamo simulare un “occhio” di questo tipo
infinite immagini. Quindi si
con un cilindro di cartoncino nero coperto a
percepisce soltanto una
una estremità con carta da lucidi. Rivolgendo
luminosità diffusa
la parte con la carta da lucido verso la fonte di
luce vediamo soltanto una luminosità
omogeneaOcchi di Planaria, a forma di coppa
Che cosa vede un “occhio” a forma di coppa? Le pareti della coppa creano un’ombra
sulla retina, in posizione opposta alla direzione di provenienza della luce. Questo tipo di
occhio fornisce una informazione sulla direzione di provenienza della luce
Carta da lucido
Zona in ombra
Possiamo simulare un occhio a coppa utilizzando
lo stesso cilindro dell’esperienza precedente, ma
rivolgendo la carta da lucido verso la fonte di
Zona illuminata illuminazione. Vedremo distintamente l’ombra
delle paretiOcchio di Nautilus: coppa molto chiusa, che forma una “pupilla” (diaframma)
Che cosa vede un occhio con diaframma?
Carta da lucido
Il diaframma permette il passaggio soltanto
di alcuni degli infiniti raggi: si genera una
immagine rovesciata più o meno nitida a Possiamo simulare un “occhio” di questo tipo
seconda del diametro della pupilla. Un con il solito cilindro di cartoncino nero coperto
pupilla grande produce una immagine poco a una estremità con carta da lucidi e
nitida ma luminosa, una pupilla piccola chiudendo l’altra estremità, che rivolgiamo
produce una immagine più nitida ma meno verso la lampadina, con un cartoncino nero
luminosa forato.Carta da lucido Il solito cilindro di carta e una lente ci permettono di simulare un occhio con lente
Nell’occhio miope l’immagine non si focalizza sulla retina ma anteriormente ad essa L’uso di una lente divergente permette di correggere la miopia
L’occhio composto degli insetti è formato da numerosissimi ommatidi. Nella sua forma più semplice (occhio composto per apposizione) ogni ommatidio può essere considerato come un sottilissimo prisma che porta alla base un fotorecettore. La forma lunga e sottile dell’ommatidio permette di selezionare i soli raggi che siano paralleli al suo asse verticale. Si genera una immagine non rovesciata. Possiamo simulare un occhio composto riempiendo in solito cilindro con cannucce da bibita. Rivolgendo l’estremità aperta verso un lampadina con filamento potremo intravedere l’immagine del filamento incandescente. La cattiva qualità dell’immagine è dovuta al grande diametro delle cannucce; in pratica abbiamo una immagine formata da un mosaico di tessere grandi come il diametro delle cannucce.
Formazione degli occhi
Uomo: 28-38 giorni http://www.med.unc.edu/embryo_images/unit- welcome/welcome_htms/contents.htm
Retina pigmentata Retina Nervosa (tappeto nero)
L’OCCHIO Rimandando ai libri di testo per la descrizione della anatomia dell’occhio esaminiamo soltanto alcuni aspetti della visione Il sistema ottico dell’occhio si può considerare come una lente convessa, che proietta sulla retina una immagine rovesciata dell’oggetto. Il cervello esegue poi la corretta interpretazione, per cui non vediamo il mondo rovesciato!
Con un semplice esperimento possiamo verificare il rovesciamento dell’immagine: Con un dito esercitiamo una pressione su una palpebra, ad esempio nella posizione indicata dalla freccia, comprimendo leggermente il bulbo oculare Vedremo apparire un alone scuro o luminoso nell’angolo inferiore esterno del campo visivo (mentre la pressione era nell’angolo superiore interno)
Le cellule sensibili alla luce sono i coni e i
bastoncelli situati nella retina. Un complesso
sistema di membrane (frecce) contiene una
proteina sensibile alla luce, la RODOPSINA.
Eccitata dalla luce la rodopsina cambia la sua
struttura e provoca un cambiamento nella
permeabilità della membrana agli ioni e quindi
della Luce
Direzione
un impulso nervoso
I bastoncelli sono molto sensibili alla luce e
quindi utili nelle condizioni di bassa luminosità
(visione crepuscolare e notturna). Non
distinguono i colori e forniscono immagini poco
dettagliate.
I coni sono meno sensibili ma capaci di
distinguere i colori. Forniscono immagini molto
dettagliate. Per vedere bene e a colori abbiamo
bisogno di molta luce!La rodopsina presente nelle membrane dei coni e dei bastoncelli
contiene una molecola che cambia di forma quando viene
esposta alla luce
Tutto - trans
Alla luce
Al11-cis
buio
Esposta alla luce la rodopsina provoca un cambiamento nella permeabilità (e
quindi del potenziale elettrico) della membrana dei coni e dei bastoncelli, cioè un
impulso nervoso.La retina è una struttura complessa formata da
Neuroni del nervo ottico
diversi strati di cellule nervose. La luce (freccia)
deve attraversare tutti gli strati prima di
raggiungere la zona sensibile dei coni edei
bastoncelli (freccia rossa). Gli impulsi nervosi
generati grazie alla luce nei coni e nei bastoncelli
passano mediante sinapsi nelle cellule bipolari e
infine nei neuroni del nervo ottico, i cui assoni
arrivano al cervello.
Neuroni bipolari I raggi luminosi che, dopo aver attraversato tutti gli
strati, non colpiscono coni o bastoncelli e quindi
non vengono assorbiti dallo rodopsina generando
Coni e bastoncelli un impulso nervoso, giungono a uno strato scuro, il
tappeto nero, che li assorbe. Questo è importante
per evitare evitare che i raggi vengano riflessi
disturbando la visione.
Tappeto neroGli assoni di tutti i neuroni del nervo ottico scorrono sulla superficie della retina convergendo in un punto vicino al centro dell’occhio, dove si riuniscono per uscire dall’occhio formando il grande nervo ottico. In quel punto della retina, detto “disco ottico” ci sono soltanto assoni e non coni o bastoncelli, quindi è una zona cieca (freccia).
Dimostrazione del punto cieco. Osservare da circa 30 cm di distanza
Nella maggior parte
della retina la luce
deve attraversare tutti
gli strati di cellule
prima di arrivare ai
coni o ai bastoncelli.
Soltanto in una piccola
area retinica le cellule
degli strati superiori
sono spostate
lateralmente e sono
presenti soltanto coni,
che si trovano
direttamente esposti ai
raggi.
Questa piccola area, chiamata “fovea” è quella che utilizziamo quando fissiamo lo sguardo
su un oggetto, ad esempio per leggere. Soltanto questa è l’area della visione distinta.Il potere di risoluzione dell’occhio umano
Riusciamo a vedere due punti distinti se distano almeno circa
0.2 mm.
Considerando la ampiezza del nostro capo visivo questo corrisponde alle
capacità di un sensore di circa 600 megapixel
Il nostro occhio ha circa 6 milioni di coni e 120 milioni di bastoncelli
Proviamo a fare un esperimento: con gli occhi fissi in avanti, tenendo le
braccia tese, spostiamo le mani verso i lati fino a quando queste quasi
scompaiono dal nostro campo visivo. Stimiamo l’ampiezza del campo visivo
ma soprattutto valutiamo se le dita ci appaiono ben nitide.Epitelio pigmentato (tappeto nero) e tappeto lucido: perché gli occhi dei gatti brillano al buio? Abbiamo visto che nel nostro occhio i raggi che superano i coni e i bastoncelli senza essere assorbiti dalla rodopsina, e quindi senza eccitare i coni o i bastoncelli, vengono assorbiti dal tappeto nero. Negli animali notturni, come i gatti, invece del tappeto nero c’è uno strato riflettente a specchio (tappeto lucido). In questo modo i raggi vengono riflessi e possono eccitare i coni o i bastoncelli, aumentando così la sensibilità alla luce. Gli occhi che vediamo brillare nel buio riflettono la luce grazie al tappeto lucido. Gli animali notturni hanno quindi una alta sensibilità alla luce, anche se la visione potrà essere meno precisa a causa di possibili disturbi provocati dai raggi riflessi .
LA VISIONE DEI COLORI.
Possiamo distinguere i colori grazie al
fatto che esistono tre tipi di coni che,
grazie al pigmento che contengono,
assorbono la luce di un determinato
colore: uno con sensibilità massima al
blu, uno al verde e uno al rosso.
Sensibilità
Immaginiamo che il nostro occhio
venga colpito da una luce verde
(freccia). Questa verrà recepita sia dai
coni del blu (molto poco), sia da quelli
del verde (molto), sia da quelli del
rosso (poco).
Il cervello analizza il colore integrando
le informazioni dei tre tipi di coni:
soltanto la luce di quel particolare
tono di verde eccita i tre tipi di coni in
quella proporzione.I monitor dei computer, gli scanner e le fotocamere utilizzano per riprodurre i colori lo
stesso principio dell’occhio: il sistema “RGB” (abbreviazione di Red-rosso, Green-verde,
Blue-blu).
I tre colori base vengono miscelati per ottenere tutte le tonalità desiderate.
Solo il rosso Solo il verde Solo il blu
I tre canali miscelatiDALTONISMO
Il Daltonismo è una anomalia ereditaria della percezione dei colori, dovuta a non
funzionamento di uno dei tre tipi di coni.
Come vedono i daltonici? Questi sono esempi dei tipi più comuni.
Visione normale Protanopia Deuteranopia Tritanopia
(mancano i coni (mancano i coni (mancano i coni
per il rosso) per il verde) per il blu) Raro
Esistono molte altre forme di daltonismo, meno gravi, in cui non manca
completamente la funzione di uno dei tipi di coni, ma è soltanto ridotta. In questo caso
il difetto di percezione dei colori è meno evidente.
Esistono anche forme più gravi, molto rare, in cui manca completamente la percezione
dei colori (vedono in bianco e nero)I test per riconoscere il daltonismo utilizzano questo tipo di immagini: Un individuo normale riconosce il numero disegnato
I test per riconoscere il daltonismo utilizzano questo tipo di immagini: Un individuo normale riconosce il numero disegnato
Pur avendo una struttura molto simile l’occhio del polpo si forma con un meccanismo completamente diverso da quello umano: non come estroflessione del cervello ma come introflessione della pelle
Sviluppo
dell’occhio
nei
cefalopodi e
nei
mammiferi.
Polpo UomoUomo Polpo
2
1
1 – fotorecettori
2 – fibre del nervo ottico
3 – nervo ottico
5 – zona ciecaPuoi anche leggere
