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Cenni di biologia

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 2 ]

Che cos’è la vita?

zucchero di canna

fessura in metallo

particolare di ostracode

sezione di roccia

cianobatteri

cellule staminali

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 3 ]

Che cos’è la vita?

alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi

• forma e grandezza

� gli esseri viventi hanno generalmente una forma definita e una grandezza caratteristica

� è possibile distinguere l’interno dell’organismo dall’ambiente esterno

� l’unità strutturale elementare è la cellula

• riproduzione

� gli organismi possiedono la capacità di dare origine a altri individui simili

• accrescimento

� gli esseri viventi si accrescono sviluppando nuove parti fra oppure all’interno di quelle vecchie

• assorbimento dall’esterno

� gli organismi sono in grado di prendere e trasformare materia ed energia dall’ambiente esterno per vivere

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 4 ]

Che cos’è la vita?

alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi

• composizione chimica

� più del 95% dei tessuti viventi è costituito da quattro elementi chimici: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto

• metabolismo

� gli organismi svolgono costantemente una serie di processi chimici essenziali per vivere (respirazione, digestione, assimilazione, escrezione)

• irritabilità o eccitabilità

� gli esseri viventi reagiscono alle modificazioni che avvengono nell’ambiente esterno

• omeostasi

� gli organismi sono in grado di mantenere condizioni interne (organizzazione e composizione) relativamente costanti anche a fronte di cambiamenti dell’ambiente esterno

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 5 ]

L’orologio della vita

� Des Marais, D.J. (2005)

Palaeobiology: Sea change in sediments.

Nature 437: 826-827

� vermi policheti delle

sorgenti idrotermali

abissali

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 6 ]

Il mattone della vita: la cellula

• l’unità fondamentale di tutti gli organismi

• la più piccola struttura classificabile come vivente

procarioti (1-10 µm) eucarioti (10-100 µm)

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 7 ]

I processi metabolici

• per vivere ogni organismo deve scambiare energia e materiaal suo interno e con l’esterno

• il metabolismo è l’insiemedelle reazioni chimiche e fisiche che consentono la vita di un organismo

• anabolismo: produzione di molecole complesse a partire da molecole semplici per costruirele componenti cellulari estoccare energia

• catabolismo: degradazionedi molecole complesse a molecole più semplici per produrre energia

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 8 ]

La ricetta della vita: il DNA

• il DNA (acido deossiribonucleico) è una macromolecola che contiene le informazioni genetiche necessarie alla sintesi delle più importanti sostanze che compongono le cellule

• ha la forma di una scala a pioli ritorta, i cui montanti sono formati da molecole di zucchero e di fosfato

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 9 ]

Scienza teorica vs. scienza sperimentale

Rosalind E. Franklin James D. Watson e Francis H.C. Crick

� Watson, J.D. & Crick, F.H.C. (1953)

A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid.

Nature 171: 737-738

� Franklin, R. & Gosling, R.G. (1953)

Molecular Configuration in Sodium

Thymonucleate. Nature 171: 740-741

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 10 ]

La codifica dell’informazione

• quattro basi azotate (adenina, citosina, guanina e timina) rappresentano le unità basilari dell’informazione nel DNA

• triplette di basi, dette codoni, codificano uno dei 20 amminoacidi, che sono gli elementi che costituiscono le proteine

• una porzione di DNA che codifica una particolare proteina o altre molecole funzionali costituisce un gene, l’unità ereditariafondamentale

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 11 ]

Un ricettario piccolo piccolo

• la totalità dell’informazione

portata dai geni si chiama

genoma

• è organizzata in cromosomi e

è replicata in ogni cellula di

un organismo

• contiene le istruzioni per

la costruzione e il funzionamento

dell’intero organismo

� il genoma del batterio M. pneumoniae

è uno dei più corti conosciuti: “solo”

816 kbp (migliaia di coppie di basi)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 12 ]

Il genoma umano

• il DNA umano è organizzato in

23 coppie di cromosomi

per un totale di circa 3.2 Gbp

• si stima che contenga circa

20000-25000 geni: 100 volte

meno del moscerino della frutta!

• i geni per la codifica delle

proteine rappresentano

meno del 2% del genoma

• la funzione della maggior parte

delle sequenze è ancora ignota

� International Human Genome

Sequencing Consortium (2001) Initial

sequencing and analysis of the

human genome. Nature 409: 860-921

(15 feb 2001)

� Venter, J.C. et al. (2001) The sequence

of the human genome. Science 291:

1304-1351 (16 feb 2001)

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 13 ]

http://www.cellsalive.com/mitosis.htmLa replica dell’informazione genetica: la mitosi

� diversi stadi della

mitosi in cellule

radicali di cipolla

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 14 ]

Riproduzione asessuata

fissione binaria nel batterio Escherichia coli

e in un ciliato (Paramecium sp.)gemmazione nel lievito Saccaromyces cerevisiae

e in un celenterato (Hydra sp.)

moltiplicazione vegetativa nella crassulacea

Kalanchoe daigremontiana e in un iris (Iris sp.) rigenerazione in una planaria (Planarium sp.)

e in una stella marina (Lickia sp.)

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 15 ]

Ricombinare i geni: la meiosi

• durante la meiosi, una cellula

diploide (due copie di ogni

cromosoma) genera quattro

cellule aploidi (una copia di ogni

cromosoma) o gameti

• durante la meiosi si ha scambio

di DNA tra cromosomi omologhi

(crossing-over)

• l’unione delle informazioni

genetiche provenienti dai due

genitori unita al crossing-over

garantisce la ricombinazione

genetica, che è la base

dell’evoluzione

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 16 ]

Riproduzione sessuata nelle piante

piante monoiche:

infiorescenze femminili

e maschili di betulla

(Betula pendula)piante dioiche: rami di un individuo

femminile e di uno maschile di

agrifoglio (Ilex aquifolium)

piante monocline: fiore di pesco

(Prunus persica) in cui si vedono

il pistillo (organo femminile) e gli

stami (organo maschile)

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 17 ]

Riproduzione sessuata negli animali

ermafroditismo simultaneo:

fecondazione reciproca tra due

chiocciole (Helix pomatia)

gonocorismo:

accoppiamento tra individui di sesso

diverso nella coccinella Coccinella

septempunctata

ermafroditismo sequenziale:

nel sarago maggiore (Diplodus

sargus) si ha inversione sessuale da

maschio a femmina (proterandria)

in condizioni favorevoli la dafnia (Daphnia magna)

si riproduce per partenogenesi, cioè tramite uova

non fecondate che producono sole femmine;

in condizioni sfavorevoli (es. inverno) vengono generati

anche maschi e si ha riproduzione anfigonica, cioè con

accoppiamento

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 18 ]

La biodiversità

specie catalogate: ~1,8 milioni

specie stimate: 5-30 milioni

� http://www.cbd.int/

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 19 ]

Sistemi di classificazione degli organismi viventi

Plantae Animalia

Vertebrata

ArthropodaSpermatophyta

Fungi

Bacteria

Algae

come classificare gli esseri viventi?

� i 200 colori dei cavalli dei gauchos argentini e le loro 4 piante

� dai due regni dell’antichità fino a Linneo... ...alle più recenti (ma in continua evoluzione)classificazioni basate sulla biologia molecolare

si muovono? mangiano? come crescono?

no no indefinitamente piante

sì sì in maniera finita animali

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 20 ]

L’albero della vita e la teoria della ricapitolazione

«Die Ontogenese rekapituliert

die Phylogenese»

� Haeckel E. (1866)

Generelle Morphologie der Organismen

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 21 ]

strutture analoghe (stessa funzione) vs. strutture omologhe (stessa origine)

Come raggruppare gli organismi?

coccodrillo uccello balena cavallo pipistrello uomo

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 22 ]

Gli alberi filogenetici

� Cavalier-Smith, T. (2010)

Deep phylogeny, ancestral groups and the four ages of life.

Phil. Trans. R. Soc. B 365: 111-132

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 23 ]

eucarioti

procarioti

Il sistema a cinque regni

� Whittaker, R.H. (1969)

New concepts of kingdoms of organisms.

Science 163: 150-160

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 24 ]

Caratteristiche principali dei cinque regni

Regno tipo di cellula,

organizzazione

nutrizione riproduzione motilità

Monera procariotica,

unicellulare e/o coloniale

autotrofi

(foto- o chemiosintesi),

eterotrofi (assorbimento)

asessuale

(per scissione)

mobili (flagelli)

Protista eucariotica,

unicellulare e/o coloniale

autotrofi (fotosintesi),

eterotrofi (assorbimento

o ingestione)

asessuale

e sessuale

immobili o mobili

(ciglia o flagelli)

Plantae eucariotica con pareti,

pluricellulare con tessuti

autotrofi (fotosintesi) sessuale e asessuale immobili

Fungi eucariotica con pareti,

pluricellulare senza tessuti

definiti

eterotrofi (assorbimento) sessuale e asessuale immobili

Animalia eucariotica senza pareti,

pluricellulare con tessuti

eterotrofi (ingestione) sessuale e asessuale mobili (fibre contrattili)

� classificazione secondo Whittaker (1969)

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 25 ]

Il (controverso) concetto di specie

• è l’unità tassonomica fondamentale:

� dal punto di vista morfologico,un gruppo di organismi distinguibili per un’unica combinazione di caratteri

� dal punto di vista biologico,un gruppo di organismi in grado di riprodursi dando origine a prole feconda

� dal punto di vista evolutivo,un gruppo di organismi che condivide un progenitore comune e che mantiene la sua integrità nello spazio e nel tempo

� dal punto di vista ecologico,un gruppo di organismi adattato a una specifica nicchia ecologica

� dal punto di vista genetico,un gruppo di organismi che possono essere accostati geneticamente tra loro prima che ad ogni altro organismo esterno al gruppo

«[...] considero il termine specie come una definizione arbitraria che, per motivi di convenienza, serve

a designare un gruppo di individui strettamente simili tra di loro, per cui la specie non differisce granché dalla varietà, intendendosi con questo termine le forme meno distinte e più fluttuanti. Inoltre, anche il termine di varietà viene applicato arbitrariamente per pura praticità nei confronti delle semplici variazioni individuali»(Darwin 1859)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 26 ]

Linneo e la nomenclatura binomia

«Nomina si nescis,perit et cognitio rerum»

• Linneo è considerato il padre della moderna tassonomia

• è stato il primo a applicare estesamente la nomenclatura binomia

Physalis annua ramosissima, ramis angulosis glabris, foliis dentato-

serratis diventa, più concisamente, Physalis angulata

� Linnæus, C. (1735, 1758)Systema naturæ

Carl Linnæus

(1707–1778)

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Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 27 ]

La collocazione sistematica della specie umana

Regno Animalia organismi pluricellulari che richiedono come cibo sostanze organiche complesse

Phylum Chordata animali con cordone nervoso dorsale cavo, fessure branchiali faringee in qualche stadio del ciclo vitale

Classe Mammalia piccoli nutriti mediante ghiandole mammarie, pelle ricoperta da pelo, temperatura del corpo elevata, cavità corporea divisa dal diaframma

Ordine Primates animali arboricoli o loro discendenti, generalmente con dita e unghie appiattite, pollice opponibile, senso dell’odorato mediocre.

Famiglia Hominidae faccia piatta, occhi frontali, visione a colori, locomozione bipede, stazione eretta

Genere Homo cervello grosso, linguaggio, infanzia lunga

Specie Homo sapiens mento prominente, fronte alta, peli sparsi sul corpo

immagine di esseri umani,

dalla placca della sonda spaziale

Pioneer 10 (lanciata nel 1972)