Modulo 1

Paola Irato

19/01/2007

Obiettivi formativi

• Esplorare i processi biologici su

molteplici livelli

• Acquisizione di un quadro esauriente

e realistico della scienza come

processo di indagine

Concetti chiave

1. Proprietà emergenti: a ogni livello di indagine, le strutture biologiche mostrano

caratteristiche peculiari

2. Cellula: unità basilare, strutturale e funzionale degli organismi

3. Possibilità di trasmettere informazioni per via ereditaria: il perpetuarsi della vita è

possibile grazie alle informazioni trasmissibili come sequenze di DNA

4. Binomio forma-funzione, correlati a tutti i livelli delle strutture biologiche

5. Interazioni con l’ambiente: gli organismi sono sistemi aperti che interagiscono

continuamente con l’ambiente che li circonda

6. Meccanismi regolativi assicurano un equilibrio dinamico nel contesto strutturale

degli organismi

7. Unità e diversità: sono le due facce della vita sulla Terra

8. L’evoluzione rappresenta il paradigma unificante della biologia

1. Le proprietà emergenti

Il mondo degli organismi è organizzato secondo una

scala gerarchica che si estende dalle molecole

alla biosfera. Progredendo da un gradino all’altro,

nel senso della complessità crescente,

“emergono” nuove proprietà, che rappresentano

il risultato delle interazioni tra gli elementi

costitutivi del gradino immediatamente inferiore

Le proprietà emergenti

• Emergenza: a ogni livello del reale emergono nuove

proprietà che pur non contraddicendo quelle del livello più

basso non possono essere derivate da queste

• Emergenza: sottolinea il carattere di “novità”, “non

predicibilità”, “non deducibilità” di proprietà appartenenti a

un livello superiore rispetto a quelle del livello inferiore

Alcune delle peculiarità degli

organismi• L’organizzazione strutturale ordinata

• La riproduzione

• La crescita e lo sviluppo

• L’utilizzazione dell’energia in varie forme

• Le risposte agli stimoli ambientali

• Gli adattamenti evolutivi

• L’omeostasi

2. La cellula

Le cellule rappresentano le unità elementari (dal

punto di vista morfologico e da quello funzionale)

di tutti gli organismi, nel senso che questi o sono

cellule o risultano composti da cellule. Si

descrivono 2 tipi fondamentali di cellule: quelle

procariotiche (tipiche dei Bacteria e degli

Archaea) e quelle eucariotiche (caratteristiche dei

Protista, della Plantae, dei Fungi e degli Animalia)

3. Le possibilità di trasmettere informazioni per via ereditaria

La continuità degli organismi che si manifesta di

generazione in generazione dipende dalla

ereditabilità dell’informazione biologica; questa è

a sua volta depositata nella molecola del DNA. In

particolare, l’informazione genetica viene

trasmessa con un codice che si esprime in forma

di sequenze dei nucleotidi costitutivi del DNA

4. Il binomio forma-funzione

La forma e la funzione risultano correlate a ogni livello della

organizzazione biologica.

a) La struttura anatomica degli uccelli rende possibile il volo

b) Il tema della stretta correlazione tra forma e funzione si

applica anche a livelli gerarchicamente inferiori agli

organismi, quali gli organi e i tessuti. Per esempio, la

struttura ad alveare delle ossa degli uccelli consente al

loro scheletro di essere leggero, senza che ciò vada a

scapito della robustezza.

c) La forma delle cellule corrisponde esattamente alle loro

funzioni, anche nel caso di un’estrema specializzazione

d) Relazione forma-funzione ha anche un contenuto estetico. Le

estroflessioni sono un espediente che permette di stipare una

grande quantità di enzimi respiratori all’interno di un minuscolo

contenitore.

5. Le interazioni con l’ambiente

Gli organismi sono sistemi aperti che

scambiano materiali ed energia con il

rispettivo ambiente esterno.

L’ambiente di un organismo

comprende altri organismi assieme a

determinati fattori abiotici.

6. I meccanismi della regolazione

Meccanismi retroattivi (a feedback) regolano i

sistemi biologici. In taluni casi questi dispositivi di

regolazione servono a mantenere l’omeostasi,

cioè uno stato relativamente stazionario dei

parametri interni degli organismi (quale la

temperatura corporea)

7. UNITÀ E DIVERSITÀ

L’insieme degli organismi è

diversificato. I biologi, in particolare i

tassonomisti, riconducono la

biodiversità nell’ambito di 3 dominii:

Bacteria, Archaea ed Eukarya.

Fig. 2. I tre dominii

in cui si

raggruppano gli

organismi.

Rappresentano i tre

gruppi fondamentali di

organismi tra i quali si

riscontrano notevoli

diversità. Nella

sistematica basata su

cinque regni, i Bacteria

e gli Archaea erano

combinati in un unico

regno (Neil A.

Campbell, Jane B.

Reece – Biologia –

Zanichelli -2004).

Prove più recenti

suggeriscono che

gli Archaea sono

più strettamente

connessi agli

Eukarya che non

ai Bacteria. Grazie

alle nuove

metodologie, sono

ora disponibili vari

schemi di

classificazione,

basati su sei, otto

o più regni.

UNITÀ E DIVERSITÀ

Una tale varietà è unificata. La uniformità che riscontriamo la osserviamo

specialmente ai livelli più bassi dell’organizzazione biologica. Un esempio

di questo concetto è il linguaggio universale del DNA, che associa

organismi procarioti ed eucarioti. Tra gli eucarioti, è ben evidente l’unità in

molte caratteristiche delle strutture cellulari. Un esempio è riportato nella

figura 3: le ciglia sono presenti nel Paramecium e nelle cellule epiteliali

delle nostre vie aeree con la stessa organizzazione ultrastrutturale. Al di

sopra del livello cellulare, gli organismi appaiono diversamente adattati

all’ambiente e presentano stili di vita variabili. Quanto più 2 specie sono

tassonomicamente correlate, tanto più numerosi sono i caratteri che esse

condividono.

Fig. 3. Un esempio dell’unità

fondamentale che è

riconoscibile anche in organismi

diversi: l’architettura

assonemale caratteristica delle

ciglia degli eucarioti. (Neil A.

Campbell, Jane B. Reece – Biologia –

Zanichelli -2004).

8. L’evoluzione

L’evoluzione rappresenta il tema centrale della biologia; si

tratta di un’ipotesi in grado di spiegare sia gli aspetti che

unificano gli organismi, sia quelli che li differenziano. La

teoria darwiniana della selezione naturale motiva i

meccanismi adattativi delle varie popolazioni nei confronti

dei rispettivi ambienti con il successo riproduttivo

differenziale che si riscontra tra i diversi individui

componenti delle popolazioni stesse.

Il modo di procedere della scienza

Il termine scienza deriva dal latino scire che vuol

dire “sapere”. In realtà la scienza rappresenta sia

il risultato del processo che porta al sapere che il

metodo per acquisire tale conoscenza. La scienza

è un processo di indagine che prevede

l’esecuzione di osservazioni ripetibili e la

formulazione di ipotesi verificabili.

Il modo di procedere della scienza

Cosa vuol dire fare ricerca scientifica?

• I fatti costituiscono il punto di partenza e di arrivo, sono

aspetti della realtà

• La ragione tenta di spiegare perché essi si svolgono in certi

modi e non in altri, è la capacità di processare informazioni

• Metodologia scientifica: lo scienziato deve fornire la prova

che le sue ipotesi hanno resistito ad ogni tentativo di

falsificazione empirica, cioè sono in accordo con le teorie

presupposte e con i fatti

Il modo di procedere della scienza

Lo scienziato, quando gli si presenta una situazione nuova che non si adatta al

suo schema concettuale, isola un problema e formula un’ipotesi di lavoro.

Prima legge, discute osserva riflette, poi progetta una sperimentazione e la

sottopone a prove.

Il premio Nobel per la chimica biologica Max Perutz descrive lo stato d’animo

del ricercatore nel seguente modo: “Pervenire a una scoperta è come

innamorarsi e, allo stesso tempo, raggiungere la vetta di una montagna

scalando una parete molto ripida; è come raggiungere l’estasi non con una

droga ma grazie alla contemplazione di una faccia della natura che

nessuno aveva mai potuto ammirare prima”.

Il modo di procedere della scienza

La prassi scientifica comprende l’acquisizione di

dati tramite osservazioni e/o misure, la

formulazione di un’ipotesi e la verifica di questa

mediante il meccanismo ipotetico-deduttivo. Il

grado di attendibilità di un’ipotesi dipende dal

livello di ripetibilità delle osservazioni e degli

esperimenti.

Il modo di procedere della scienza

Quindi il percorso seguito dai ricercatori per acquisire la

conoscenza dei fenomeni naturali è essenzialmente lo

stesso in tutte le discipline e spesso è la combinazione delle

due sottostanti forme di indagine:

• metodo basato sull’osservazione e sul ragionamento

induttivo

• metodo ipotetico-deduttivo

Il modo di procedere della scienza

Talvolta le scoperte sono casuali, come ad esempio fu per la

scoperta della muffa appartenente al genere Penicillum

operata da Alexander Fleming nel 1928.

In cosa consiste il ragionamento induttivo? Una conclusione

induttiva è una generalizzazione in grado di sommare e di

sintetizzare molte osservazioni tra loro coerenti.

Il metodo ipotetico-deduttivo si basa sul principio logico del

“se … allora” e porta alla formulazione di previsioni.

Fig. 3. Diagramma teorico rappresentativo del modo di

procedere della scienza. Raramente è del tutto

conforme a questo generale protocollo a stadi, ma la ricerca

scientifica implica comunque un simile dispositivo logico, che

prevede di postulare e verificare le ipotesi (Neil A. Campbell, Jane B. Reece –

Biologia – Zanichelli -2004).

Il modo di procedere della scienza

Ciò che fa progredire la scienza, è la formulazione di una

nuova teoria, in grado di rendere tra loro coerenti una serie

di risultati di varie osservazioni, che inizialmente

sembravano prive di connessione. Una teoria scientifica è

un’interpretazione sintetica e generalizzabile, sostenuta da

numerose prove, anche se nel linguaggio comune assume il

significato di ipotesi o congettura o speculazione astratta.

Dubbio vecchie teorie: L’EVOLUZIONE delle CONOSCENZE sulla CIRCOLAZIONE

• ARISTOTELE (IV sec a.C.): sistema centrifugo, centralità del cuore, aria

nelle arterie

• EROFILO ed ERASISTRATO (III sec a.C.) (Scuola di Alessandria)

“Sangue scorre in vene e arterie”

cuore diviso in due parti, da cui due circoli

• GALENO (II sec. d.C)

2 sistemi paralleli e setto polmonare

• Mondino DE’ LIUZZI (XIV sec.)

Prima osservazione delle coronarie, definite come vene (trasportatrici di

nutrienti)

Dubbio vecchie teorie: L’EVOLUZIONE delle CONOSCENZE sulla CIRCOLAZIONE

• Andrea VESALIO (1514-1564)Confuta l’idea del “setto interventricolare” proposta da Galeno,

ma non apporta conferme sperimentali in proposito

• JACOPO BERENGARIO DA CARPI (1470-1530)- Prima chiara e completa descrizione del cuore con le sue valvole- Come Vesalio, nega ancora la comunicazione tra ventricoli

• R. COLOMBO, M. SERVETO, A. CESALPINO (XVI sec.)Definiti impropriamente “scopritori della piccola circolazione”

(permane il sistema galenico)

• GIROLAMO FABRICI D’ACQUAPENDENTE (1537-1619)“La funzione delle valvole venose è quella di ritardare il flusso del

sangue in direzione centrifuga”

Il SISTEMA GALENICO

3 ORGANI PRINCIPALI

FEGATO VERO CUORE CERVELLO

•Assimilazione•Trasformazione alimenti in sangue venoso•Centro della rete di vene (Sistema venoso)

(ventricolo Sx)Sede respirazioneTrasformazione sangue venoso in arteriosoCentro della rete di arterie (Sistema Arterioso)

Funzioni animali (movimento,

senso, ragione)

• Consumo di sangue e generazione

continua dal fegato

• Distinzione dei vasi in vene e arterie in

base al tipo di sangue veicolato

• Setto intervenrticolare semipermeabile

• I vasi (arterie e vene) scorrono

parallelamente e sono entrambi centrifughi

rispetto ai 2 centri di propagazione: fegato

e ventricolo sinistro

2 SISTEMI PARALLELI

Il SISTEMA GALENICO

William Harvey

• Grande anatomista inglese, si laureò in Medicina a

Padova

• Risente delle concezioni cardiocentriche aristoteliche

• Nel 1628 pubblica “Esercitazioni anatomiche sul moto

del sangue negli animali” rivoluzionando la concezione

sul sistema circolatorio del sangue

• La validità della sua teoria si basa sull’utilizzo del

metodo scientifico:

*prove sperimentali

*deduzioni logiche formalmente corrette

*ragionamenti quantitativi, poco confutabili

LE SCOPERTE DI HARVEY

• Esercitazioni anatomiche su animali, per studiare moto del cuore e del sangue in discussione la concezione galenica

• Propone nuovo modello: sistema chiuso di circolazione

• Gli studi: − osservazioni su singoli aspetti− conclusioni in 3 proposizioni

CONTRAZIONI e VENTRICOLI

• Galeno affermava….

- riempimento ventricolo nella sistole

- “vis pulsifica” delle arterie

• Osservazioni (tatto e vista in animali in collasso):

in sistole il cuore si indurisce, apice in su e impallidisce. Incisione di

ventricolo. Incisione di arteria.

• Conclusioni:

1. ventricolo si svuota in contrazione ed espelle sangue in arterie

2. isocronia tra sistole ventricolare e diastole delle arterie

3. funzione cuore: trasferire sangue da vene a arterie

(Cuore = centro propulsore)

ATRI

• Osservazioni:

segni vitali in animali morenti;

impallidisce in contrazione

• Conclusioni:

1. contrazione atri precede

ventricoli

2. Funzione: spingere sangue in

ventricoli

TRANSITO POLMONARE

• Galeno affermava…-permeabilità del setto

interventricolare-sangue ai polmoni per

nutrire • Osservazioni:

legature di arterie/vene con flusso d’acqua

• Conclusioni:1. setto non permeabile2. circolazione nei polmoni

!!Ma calore vitale innato nel cuore (“spiriti”, “pneuma”)

PRIMA PROPOSIZIONE(portata cardiaca)

• “Il sangue viene trasmesso costantemente e senza

interruzione dalla vena cava nelle arterie dal battito del cuore,

in quantita’ tale da non poter essere fornito dal cibo ingerito e

in tal maniera che tutta la massa deve passarvi velocemente”

• Il calcolo della portata cardiaca era tale da rendere assurda la

concezione galenica.

• Harvey ipotizzò anche che data l’enorme quantità, il sangue

passasse più volte per il cuore circolazione

SECONDA PROPOSIZIONE(flusso arterioso)

• Il sangue è sospinto in modo continuo e uniforme dal

battito delle arterie in ogni organo

• Il flusso sanguigno nelle arterie ha una direzione

centrifuga rispetto al cuore

• Il passaggio del sangue dalle arterie alle vene è

consentito dalla presenza di piccole anastomosi o pori

TERZA PROPOSIZIONE(flusso venoso)

• La direzione del flusso venoso è

centripeta

• Riprende gli studi di Fabrici

d’Acquapendente (funzione delle valvole

venose)

• Effettua nuovi esperimenti di legature

vascolari

• Smentisce Galeno: il flusso del sangue

non è univoco, ma si articola in due

flussi opposti, l’uno rispetto all’altro

TESI DI HARVEYIl sangue negli esseri umani si muove continuamente secondo un circuito circolare, spinto

dal movimento del cuore, la cui funzione è quindi pulsare per permettere il ricircolo

sanguigno

Ragionamento induttivo (metodo sperimentale quantitativo)

TESI HARVEYANA

Conservazione della quantità di sangue

Transito polmonare del sangue

Transito del sangue dalla periferia al

cuore

Transito del sangue dal cuore alla

periferia

…ma non aveva capito:

- Transito del sangue dalle arterie alle vene attraverso i

capillari

- Ossigenazione del sangue a livello polmonare

Riferimenti bibliografici

• Asimov Isaac – Breve Storia della Biologia –Zanichelli -

2003

• Campbell Neil A., Reece Jane B. – Biologia – Zanichelli -

2004

• Mazzolini R. G. - Il contributo di Harvey alle conoscenze

sulla circolazione del sangue - in “Le Scienze” - febbraio

1998

• Peruzzi Giulio – Scienza e realtà – Mondadori - 2000