Prima parte

Evoluzione e complessità Marco Federici classe 3a cucina

Istituto alberghieroPorto Sant’Elpidio – ISITPS

Tutor prof. Stroppa Pierluigi

Tratte da Zullini

Obiettivi• Conoscere la struttura delle membrane interne

di alcuni organuli• Conoscere le reazioni cellulari che avvengono in

esse• Dimostrare che esistono strutture complesse in

natura, sia a livello microscopico che a livello macroscopico

Metodologia

• Lezioni frontali partecipate con proiezioni di immagini e animazioni

• Elaborazione di set anticipatori• Uso frequente del feedback• Lavori di gruppo• Invito alla produzione di relazioni e poster• Role playing• Costruzione di modelli che simulano i fenomeni che

avvengono negli organismi viventi

Mezzi e strumenti • Libri di testo• Riviste scientifiche• Laboratorio scientifico • Personal computer e videoproiettore• Microfono e macchina fotografica digitale

adibita anche alle riprese• Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa• Modelli • Cartelloni e poster

Partiamo da due organuli della cellula: il mitocondrio e il cloroplasto

Tratte da Zullini

I due organuli in figura hanno entrambi:Una doppia membrana, di cui l’esterna liscia e l’interna

ripiegataNel mitocondrio la membrana interna forma le creste

mitocondriali, mentre nel cloroplasto forma tilacoidi raggruppati in grani

Perché la membrana interna è ripiegata?

• La membrana interna è ripiegata per aumentare la superficie d’azione dei processi della respirazione cellulare (nei mitocondri) e della fotosintesi clorofilliana (nei cloroplasti)

• Iniziamo dalla respirazione cellulare..

La respirazione cellulare• La respirazione cellulare avviene nelle creste

mitocondriali dei mitocondri; essa è catalizzata da enzimi respiratori e consiste nella combustione di glucosio in presenza di ossigeno:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energia (36ATP)

Rappresentazione della membrana interna del mitocondrio

a) Prendendo un astuccio si inserisce un foglio di carta; si osserva che esso vi entra per una piccola superficie;

b) Se il foglio di carta si accartoccia osserviamo che esso entra tutto dentro l’astuccio!

• Conclusioni. Se l’astuccio rappresenta la membrana esterna del mitocondrio e il foglio di carta la membrana interna, è ovvio che nel caso b) aumenta la superficie di quest’ultima e quindi aumenta anche il processo della respirazione cellulare.

Animazione astuccio

Metodologia di spiegazione bPrendendo una scatola di bottiglie di vino,

mostriamo il divisorio tra le bottiglie:

• Conclusioni: se la scatola rappresenta la membrana esterna del mitocondrio e il divisorio la membrana interna, si osserva che nel caso b) aumenta la superficie di quest’ ultima e quindi aumenta anche il processo della respirazione cellulare

a) se è chiuso la sua superficie è minore

b) se lo apriamo la sua superficie è maggiore

Animazione divisorio

• la scatola rappresenta la membrana esterna del mitocondrio e il divisorio la membrana interna;

L’ alunno Lamkoutar illustra che se il divisorio è chiuso la sua superficie è ridotta se confrontata con quella del divisorio aperto.

Passiamo al cloroplasto e alla fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana• La fotosintesi clorofilliana è la reazione che

avviene negli organuli cloroplasti grazie alla luce del Sole catturata dal pigmento clorofilla :

• CO2 + H2O + Energia Solare C6H12O6 + O2

6CO2 + 6H2O + Energia Solare C6H12O6 + 6O2

bilanciando:

Simulazione dei grani e dei tilacoidi• Un piatto rappresenta un tilacoide e una pila

di piatti un grano

Altri esempi: le ammoniti

Ammonite madreperlacea proveniente dalla Russia. Da Venturi

La linea di sutura delle ammoniti

Interno di ammonite dal calcare massiccio della Gola della Rossa Serra San Quirico (AN)

L’interno della conchiglia delle ammoniti è concamerata.

Le pareti che dividono le camere non sono dritte ma

ondulate.

La linea di sutura delle ammoniti Anche in questo caso è stata premiata la complessità

invece che la semplicità.

Infatti, avere le pareti dritte, quindi semplici, avrebbe comportato un grande spessore delle stesse per resistere alla pressione idrostatica.

Ecco così che avere le pareti ondulate ( anziché dritte e spesse) è stato vantaggioso: il peso della conchiglia è diminuito ma la resistenza alla pressione idrostatica è rimasta elevata.

Altri esempi: il corpo umano

Immagine tratta da Zullini

Modello del corpo umano

Immagine tratta dal corpo umano della scuola

IntestinoL’ intestino è formato da un lungo tubo ripiegato

su se stesso per offrire una maggiore superficie di assorbimento dei principi nutritivi nel volume della cavità addominale

Immagine tratta dal corpo umano della scuola

Il CervelloIl cervello è formata da una membrana ripiegata

su se stessa in modo da offrire un’ampia superficie nel piccolo volume della scatola cranica.

Immagine tratta dal corpo umano della scuola

Il cervello dell’ uomo e quello della scimmia

Questa immagine mostra che il cervello dell’ uomo (a sinistra) è più grande e più ricco di pieghe di quello della scimmia (a destra).

Le linee di sutura delle ossa del capo

Incastro delle maniLa linea di sutura delle ammoniti e della scatola

cranica si può simulare anche unendo le mani…

Tessuto spugnoso dell’osso

Osservando le immagini sovrastanti si può notare il tessuto osseo spugnoso.

Tale tessuto impartisce, nello stesso tempo, resistenza e leggerezza all’ osso.

Negli spazi vuoti offerti dalle trabecole c’è il midollo osseo; in esso si producono gli elementi figurati del sangue: globuli bianchi, globuli rossi e piastrine.

La struttura interna delle ossa

Ecco la struttura interna delle ossa con il tessuto osseo compatto all’esterno e quello spugnoso all’interno

Immagine tratta da Zullini

Conclusioni • Le strutture complesse

sono un esempio di evoluzione convergente?

Di sicuro esse si sono dimostrate utili per:

Ottimizzare gli spazi (membrane interne degli organuli, organi cervello e intestino) per far avvenire molte reazioni chimiche in piccoli volumi

Aumentare la resistenza delle strutture rendendole leggere (linea di sutura delle ammoniti, tessuto osseo spugnoso)

Bibliografia

Cheshire G.Evolution “A little history of a great idea” (2008)

Zullini A. , Sparvoli A. e Sparvoli F.Scienze della natura (2006)

Venturi F., Rossi S.Subasio, origine e vicende di un monte appenninico. (2003)