Biologia per il liceo/Le caratteristiche degli esseri viventi

Tutti gli organismi viventi condividono diverse caratteristiche o funzioni chiave: ordine, cellule, sensibilità o risposta all'ambiente, riproduzione, adattamento, crescita e sviluppo, regolazione/omeostasi, elaborazione dell'energia ed evoluzione. Queste caratteristiche servono a definire la vita.

Origine della vita

Confrontando fossili e DNA, sappiamo che tutta la vita sulla Terra oggi aveva un antenato comune, chiamato ultimo antenato comune universale (LUCA). Altri esseri viventi potrebbero essere stati vivi nello stesso periodo del LUCA, ma si sono estinti. Uno studio del 2018 suggerisce che il LUCA ha circa 4,5 miliardi (4.500.000.000) di anni, quasi quanto la Terra. La più antica prova fossile di vita ha circa 3,5 miliardi di anni.

Nell'antichità era diffusa la teoria della comparsa della vita per generazione spontanea (o abiogenesi aristotelica), fino al XVII secolo, secondo cui la vita possa nascere in modo spontaneo dalla materia inerte o inanimata, tramite l'effetto di "flussi vitali". Questa teoria fu confutata nel XVII secolo, grazie ad alcuni esperimenti di Francesco Redi e di Lazzaro Spallanzani.

Come è diventato vivo il materiale non vivente? Questa è una domanda difficile. Il primo passo deve essere stata la creazione di composti organici. Nel 1953, l' esperimento Miller-Urey trasformò i composti inorganici in composti organici, come gli amminoacidi, utilizzando calore ed energia.

La vita ha bisogno di una fonte di energia per le reazioni chimiche. Sulla Terra primordiale, l'atmosfera non aveva ossigeno. L'ossidazione tramite il ciclo di Krebs , che è comune oggi, non era possibile. Il ciclo di Krebs potrebbe aver agito al contrario, eseguendo una riduzione invece dell'ossidazione, e il ciclo potrebbe aver creato molecole più grandi. Per creare la vita, le molecole avevano bisogno di fare copie di se stesse. Il DNA e l'RNA fanno copie di se stessi, ma solo se c'è un catalizzatore , un composto che accelera la reazione chimica. Un'ipotesi è che l'RNA stesso fungesse da catalizzatore. A un certo punto, le molecole erano circondate da membrane, che creavano le cellule.

• 
  L'età della Terra risale a circa 4,5 miliardi di anni fa
• 
  I fossili più antichi sono di colonie batteriche (stromatoliti) risalenti a circa 3,7 miliardi di anni fa
• 
  Esperimento di Francesco Redi sull'abiogenesi. Un pezzetto di carne è inserito in un barattolo in vetro; nel barattolo aperto (1a e 1b) si ha comparsa di larve e mosche, mentre nel barattolo chiuso (2a e 2b) non si formano né mosche né larve.
• 
  L'esperimento di Miller
• 
  La molecola di RNA
• 
  L'ipotesi del mondo a RNA propone che la polimerizzazione spontanea dei ribonucleotidi abbia portato alla comparsa dei ribozimi , inclusa una replicasi dell'RNA .

L'informazione che permette la vita

Il DNA

Si osserverà che le caratteristiche dei viventi sono abbastanza complesse e questa complessità è possibile grazie ad informazioni codificate nei geni presenti nel DNA.

Ordine e livelli di organizzazione degli esseri viventi

Gli organismi sono strutture altamente organizzate e coordinate che consistono di una o più cellule. Anche gli organismi unicellulari molto semplici sono notevolmente complessi: all'interno di ogni cellula, gli atomi formano molecole. Queste a loro volta formano organelli cellulari e altre inclusioni cellulari. Negli organismi multicellulari, cellule simili formano tessuti. I tessuti, a loro volta, collaborano per creare organi (strutture corporee con una funzione distinta). Gli organi lavorano insieme per formare sistemi e/o apparati di organi (es. apparato digerente).

Gli esseri viventi sono altamente organizzati e strutturati, seguendo una gerarchia che possiamo esaminare su una scala dal piccolo al grande. L' atomo è l'unità più piccola e fondamentale della materia che conserva le proprietà di un elemento. È costituito da un nucleo circondato da elettroni. Gli atomi formano le molecole. Una molecola è una struttura chimica costituita da almeno due atomi tenuti insieme da uno o più legami chimici. Molte molecole che sono biologicamente importanti sono macromolecole , grandi molecole che sono tipicamente formate dalla polimerizzazione (un polimero è una grande molecola che è realizzata combinando unità più piccole chiamate monomeri, che sono più semplici delle macromolecole). Un esempio di macromolecola è l'acido desossiribonucleico (DNA) ( Figura 1.15 ), che contiene le istruzioni per la struttura e il funzionamento di tutti gli organismi viventi.

Alcune cellule contengono aggregati di macromolecole circondati da membrane. Li chiamiamo organelli . Gli organelli sono piccole strutture che esistono all'interno delle cellule. Esempi di organelli includono mitocondri e cloroplasti, che svolgono funzioni indispensabili: i mitocondri elaborano l'energia per alimentare la cellula, mentre i cloroplasti consentono alle piante verdi di utilizzare l'energia della luce solare per produrre zuccheri. Tutti gli esseri viventi sono fatti di cellule. La cellula stessa è la più piccola unità fondamentale di struttura e funzione negli organismi viventi. (Questo requisito è il motivo per cui gli scienziati non considerano viventi i virus: non sono fatti di cellule. Per creare nuovi virus, devono invadere e dirottare il meccanismo riproduttivo di una cellula vivente. Solo allora possono ottenere i materiali di cui hanno bisogno per riprodursi.) Alcuni organismi sono costituiti da una singola cellula e altri sono multicellulari. Gli scienziati classificano le cellule come procariotiche o eucariotiche. I procarioti sono organismi unicellulari o coloniali che non hanno nuclei legati alla membrana. Al contrario, le cellule degli eucarioti hanno organelli circondati da membrana e un nucleo circondato da membrana.

Negli organismi più grandi, le cellule si combinano per creare tessuti , che sono gruppi di cellule simili che svolgono funzioni simili o correlate. Gli organi sono raccolte di tessuti raggruppati insieme che svolgono una funzione comune. Gli organi sono presenti non solo negli animali, ma anche nelle piante. Un sistema di organi è un livello superiore di organizzazione che consiste di organi funzionalmente correlati. I mammiferi hanno molti sistemi di organi. Ad esempio, il sistema circolatorio trasporta il sangue attraverso il corpo e da e verso i polmoni. Include organi come il cuore e i vasi sanguigni. Gli organismi sono entità viventi individuali. Ad esempio, ogni albero in una foresta è un organismo. Anche i procarioti unicellulari e gli eucarioti unicellulari sono organismi, che i biologi in genere chiamano microrganismi.

I biologi chiamano collettivamente popolazione tutti gli individui di una specie che vivono in un'area specifica . Ad esempio, una foresta può includere molti pini, che rappresentano la popolazione di pini in questa foresta. Diverse popolazioni possono vivere nella stessa area specifica. Ad esempio, la foresta con i pini include popolazioni di piante da fiore, insetti e popolazioni microbiche. Una comunità è la somma delle popolazioni che abitano un'area particolare. Ad esempio, tutti gli alberi, i fiori, gli insetti e le altre popolazioni in una foresta formano la comunità della foresta. La foresta stessa è un ecosistema. Un ecosistema è costituito da tutti gli esseri viventi in un'area particolare insieme alle parti abiotiche e non viventi di quell'ambiente come l'azoto nel suolo o l'acqua piovana. Al più alto livello di organizzazione ( Figura 1.16 ), la biosfera è la raccolta di tutti gli ecosistemi e rappresenta le zone di vita sulla Terra. Include terra, acqua e persino l'atmosfera in una certa misura.

• 
  Atomo di carbonio
• 
  Molecola
• 
  Glucosio (macromolecole)
• 
  Cellule
• 
  Tessuto muscolare striato
• 
  Cuore
• 
  apparato circolatorio
• 
  Formica rufa
• 
  popolazione di formiche
• 
  Foresta amazzonica

Biomolecole

La vita sulla Terra è composta da composti organici , molecole che contengono carbonio. Quattro tipi di molecole a catena lunga ( macromolecole ) sono importanti: carboidrati , lipidi , proteine ​​e acidi nucleici .

I carboidrati semplici (zuccheri) sono usati per l'energia o come elementi costitutivi. I carboidrati complessi, come l'amido e la cellulosa, possono conservare l'energia per lungo tempo. Sono anche usati per creare una struttura forte, come lo stelo di una pianta .

I lipidi possono essere isolanti per mantenere un essere vivente caldo, come il grasso di un pinguino , o per impedire all'acqua di entrare o uscire, come le piume impermeabili . Due strati di fosfolidi (un tipo di lipide) costituiscono tutte le membrane cellulari . Alcuni tipi di lipidi sono ormoni , che inviano messaggi da una cellula all'altra.

Le proteine, lunghe catene di amminoacidi , hanno molti scopi. Si piegano in forme complesse perché i loro amminoacidi interagiscono. Le proteine ​​sono coinvolte in molte reazioni chimiche, per farle procedere più velocemente.

Gli acidi nucleici, tra cui DNA e RNA , sono lunghe catene di nucleotidi . Ci sono solo quattro tipi di nucleotidi in ogni catena, ma sono le istruzioni per la vita, come un linguaggio. Ogni tre nucleotidi dicono alla cellula di produrre un amminoacido. Una parte di un acido nucleico è il codice per una molecola proteica.

• 
  Amido di mais
• 
  Olio di oliva
• 
  uovo

Cellule

Tutti gli esseri viventi sono caratterizzati da cellule. Ogni cellula ha una membrana cellulare all'esterno e un materiale gelatinoso che riempie l'interno, chiamato citoplasma. La membrana è importante perché separa le sostanze chimiche all'interno e all'esterno. Alcune molecole possono passare attraverso la membrana, ma altre no. Le cellule viventi hanno geni, fatti di DNA. I geni dicono alla cellula cosa fare, come un linguaggio. Una molecola di DNA, con molti geni, è chiamata cromosoma. Le cellule possono copiare se stesse per creare due nuove cellule. Esistono due tipi principali di cellule: procariotiche ed eucariotiche. Le cellule procariotiche hanno solo poche parti. Il loro DNA ha la forma di un cerchio, all'interno del citoplasma, e non hanno membrane all'interno della cellula. Le cellule eucariotiche sono più complesse e hanno un nucleo cellulare . Il DNA è all'interno del nucleo e una membrana è attorno al nucleo. Le cellule eucariotiche hanno anche altre parti, chiamate organelli . Alcuni di questi altri organelli hanno anche membrane.

I virus non sono formati da cellule ma da materiale genetico (DNA o RNA) contenuto all'interno di un contenitore proteico.

• 
  Cellula procariote ed eucariote
• 
  Cellula procariote (batterio flagellato)
• 
  Cellula animale
• 
  Cellula vegetale

Sensibilità o risposta agli stimoli

Gli organismi rispondono a diversi stimoli. Ad esempio, le piante possono piegarsi verso una fonte di luce, arrampicarsi su recinti e muri o rispondere al tocco. Anche i batteri minuscoli possono muoversi verso o lontano da sostanze chimiche (un processo chiamato chemiotassi ) o luce ( fototassi ). Il movimento verso uno stimolo è una risposta positiva, mentre il movimento lontano da uno stimolo è una risposta negativa.

• Fototropismo di piantine di pomodoro
• 
  Mimosa pudica
• 
  I cinque sensi

Riproduzione

Gli organismi unicellulari si riproducono prima duplicando il loro DNA, e poi dividendolo equamente mentre la cellula si prepara a dividersi per formare due nuove cellule. Nella riproduzione sessuata gli organismi multicellulari spesso producono cellule riproduttive specializzate: gameti, ovociti e spermatozoi. Dopo la fecondazione (la fusione di un ovocita e uno spermatozoo), si sviluppa un nuovo individuo. Nella riproduzione asessuata, come anche nei batteri, le cellule e/o gli organismi si clonano in qualche modo (vedi galleria). Quando avviene la riproduzione, i geni contenenti DNA vengono trasmessi alla prole di un organismo. Questi geni assicurano che la prole appartenga alla stessa specie e abbia caratteristiche simili, come dimensioni e forma.

• 
  Cellule in mitosi
• 
  Spermatozoo e cellula uovo
• 
  Riproduzione asessuata sulle foglie di Kalanchoe pinnata
• 
  Piantine vegetative da una foglia di Bryophyllum daigremontianum (Kalanchoe daigremontiana)
• 
  Accoppiamento (riproduzione sessuata)
• 
  La potentilla si riproduce asessualmente con i stoloni
• 
  Linckia guildingi "cometa", una stella marina che ricresce da un singolo braccio
• 
  Hydra
• 
  Riproduzione asessuata dell'Idra per gemmazione
• 
  Gemmazione dell'Hydra
• 
  Riproduzione degli afidi per partenogenesi
• 
• 
  I batteri si riproducono per scissione binaria

Adattamento ed evoluzione

Il termine "adattamento" si può riferire ad un singolo individuo e alla sua capacità di adattarsi alle condizioni ambientali che trova nella sua vita, o più in generale (ed in genere è a questo che il termine si riferisce) si può parlare di adattamento in senso evolutivo riferendosi alla popolazione e a come essa cambia di generazione in generazione; in questo caso è una conseguenza dell'evoluzione per selezione naturale, che opera in ogni popolazione di organismi. Gli esempi di adattamenti sono diversi e unici, dagli Archaea resistenti al calore che vivono in sorgenti termali bollenti, alla lunghezza della lingua di una falena che si nutre di nettare che corrisponde alle dimensioni del fiore da cui si nutre. Gli adattamenti migliorano il potenziale riproduttivo degli individui, inclusa la loro capacità di sopravvivere per riprodursi. Gli adattamenti non sono costanti. Quando un ambiente cambia, la selezione naturale fa sì che le caratteristiche degli individui in una popolazione seguano tali cambiamenti.

L'evoluzione può anche causare la divisione di un gruppo di esseri viventi in due gruppi. Questo è chiamato speciazione se crea una nuova specie. Un esempio sono i fringuelli delle isole Galapagos: una specie di fringuelli vive su ogni isola, ma tutte le specie si sono separate da una specie antenata comune.

L'estinzione è quando tutti i membri di una specie muoiono. Circa il 99,9% di tutte le specie che sono mai vissute sono estinte. L'estinzione può verificarsi in qualsiasi momento, ma è più comune in determinati periodi di tempo chiamati eventi di estinzione. Il più recente è stato 65 milioni di anni fa, quando i dinosauri (e non solo) si sono estinti.

Nella galleria sottostante vi è un filmato che mostra l'evoluzione di una colonia batteria in tempo reale. I batteri (bianchi) crescono su una grande piastra Petri con concentrazioni crescenti di antibiotico ( trimetoprim ) in bande verso il centro. L'evoluzione della resistenza agli antibiotici può essere vista come mutanti con una maggiore resistenza agli antibiotici in grado di colonizzare le regioni più centrali. Entro l'11° giorno di evoluzione, varianti con una resistenza agli antibiotici 1000 volte superiore hanno colonizzato la banda centrale

• 
  Albero filogenetico basato sui dati dei geni rRNA (Woese et al., 1990) che mostra i 3 domini della vita, con l'ultimo antenato comune universale (LUCA) alla sua radice
• 
  Evoluzione del cavallo
• 
  Schema semplificato dell'evoluzione degli esseri viventi
• 
  Quattro differenti tipi di becco in diverse specie di fringuello (Galapagos)
• 
  Versione semplificata di un Albero della vita ad alta risoluzione, basato su genomi completamente sequenziati
• 
  Mutazione cromosomica
• 
• L'evoluzione dei batteri su una grande piastra Petri
• 
  L' albero della vita che mostra i tre domini della vita sulla Terra
• 
  Una visione attuale dell'albero della vita, che comprende la diversità totale rappresentata dai genomi sequenziati.

Crescita e sviluppo

Gli organismi crescono e si sviluppano in seguito a geni che forniscono istruzioni specifiche che dirigeranno la crescita e lo sviluppo cellulare. Ciò garantisce che i giovani di una specie cresceranno fino a mostrare molte delle stesse caratteristiche dei loro genitori.

Regolazione/Omeostasi

Anche gli organismi più piccoli sono complessi e richiedono molteplici meccanismi regolatori per coordinare le funzioni interne, rispondere agli stimoli e far fronte agli stress ambientali. L'omeostasi (letteralmente, "stato stazionario") si riferisce all'ambiente interno relativamente stabile necessario per mantenere la vita. Due esempi di funzioni interne regolate in un organismo sono il trasporto dei nutrienti e il flusso sanguigno. Gli organi (gruppi di tessuti che lavorano insieme) svolgono funzioni specifiche, come trasportare ossigeno in tutto il corpo, rimuovere i rifiuti, fornire nutrienti a ogni cellula e raffreddare il corpo.

Ad es. gli orsi polari e altri mammiferi che vivono nelle regioni coperte di ghiaccio mantengono la loro temperatura corporea generando calore e riducendo la perdita di calore attraverso una pelliccia spessa e uno strato denso di grasso sotto la pelle.

Per funzionare correttamente, le cellule necessitano di condizioni appropriate come temperatura, pH e concentrazione appropriate di diverse sostanze chimiche. Tuttavia, queste condizioni possono cambiare da un momento all'altro. Gli organismi sono in grado di mantenere condizioni interne omeostatiche entro un intervallo ristretto quasi costantemente, nonostante i cambiamenti ambientali, tramite l'attivazione di meccanismi regolatori. Ad esempio, un organismo deve regolare la temperatura corporea attraverso il processo di termoregolazione. Gli organismi che vivono in climi freddi, come l'orso polare, hanno strutture corporee che li aiutano a resistere alle basse temperature e a conservare il calore corporeo. Le strutture che aiutano in questo tipo di isolamento includono pelliccia, piume, grasso e grasso. Nei climi caldi, gli organismi hanno metodi (come la sudorazione negli esseri umani o l'affanno nei cani) che li aiutano a liberarsi del calore corporeo in eccesso.

• 
  Orso polare: una folta pelliccia e il grasso aiutano a mantenere caldo l'animale
• 
  Il sudore aiuta a raffreddare il corpo

Consumo di energia

Tutti gli esseri viventi hanno bisogno di energia per sopravvivere, muoversi, crescere e riprodursi. Alcuni possono ottenere energia dall'ambiente senza l'aiuto di altri esseri viventi: questi sono chiamati produttori o autotrofi . Piante, alghe e alcuni batteri, un gruppo di produttori chiamati fotoautotrofi , usano la luce del sole per produrre energia. Quando i produttori usano la luce per creare e immagazzinare composti organici, questo è chiamato fotosintesi .  Alcuni altri produttori, chiamati chemioautotrofi , ottengono energia da sostanze chimiche che escono dal fondale oceanico nelle sorgenti idrotermali .  Altri esseri viventi ottengono la loro energia da composti organici : questi sono chiamati consumatori o eterotrofi . Animali, funghi, la maggior parte dei batteri e la maggior parte dei protisti sono consumatori. I consumatori possono mangiare altri esseri viventi o materiale morto.

Sia i produttori che i consumatori devono scomporre i composti organici per liberare energia. Il modo migliore per farlo è la respirazione aerobica, che libera la maggior parte dell'energia, ma gli esseri viventi possono fare respirazione aerobica solo se hanno ossigeno (O₂). Possono anche scomporre questi composti senza ossigeno, usando la respirazione anaerobica o la fermentazione.

• 
  La fotosintesi sfrutta la luce (solare prevalentemente)
• 
  Venenivibrio stagnispumantis ricava energia dall'ossidazione dell'idrogeno gassoso.
• 
  I vermi tubolari giganti ( Riftia pachyptila ) hanno un organo contenente batteri chemiosintetici al posto dell'intestino.
• Una sorgente idrotermale dove i microrganismi subiscono una chemiosintesi sulla dorsale del Pacifico orientale
• 
  Gli erbivori ricavano materia ed energia dai vegetali
• 
  Esempi di carnivori
• 
  I funghi sono decompositori

La diversità della vita

Un collage che raffigura la diversità animale

Il fatto che la biologia, come scienza, abbia una portata così ampia ha a che fare con l'enorme diversità della vita sulla terra. La fonte di questa diversità è l'evoluzione , il processo di graduale cambiamento di una popolazione o di una specie nel tempo. I biologi evoluzionisti studiano l'evoluzione degli esseri viventi in tutto, dal mondo microscopico agli ecosistemi.

Un albero filogenetico può riassumere l'evoluzione di varie forme di vita sulla Terra. È un diagramma che mostra le relazioni evolutive tra specie biologiche basate su somiglianze e differenze nei tratti genetici o fisici o entrambi. I nodi e i rami comprendono un albero filogenetico. I nodi interni rappresentano gli antenati e sono punti nell'evoluzione in cui, sulla base di prove scientifiche, i ricercatori ritengono che un antenato si sia disperso per formare due nuove specie. In alcuni alberi filogenetici, la lunghezza di ciascun ramo potrebbe essere proporzionale al tempo trascorso dalla divisione.

I tre domini della vita sono Batteri , Archea ed Eucarioti .  I batteri e gli archea sono procarioti e hanno una sola cellula . I batteri sono molto piccoli e hanno forme utili nella classificazione, come rotonde, lunghe e sottili e a spirale . Alcuni batteri causano malattie . I batteri nel nostro intestino fanno parte della nostra flora intestinale . Scompongono parte del nostro cibo. Sia i batteri che gli archea possono vivere dove le forme di vita più grandi non possono. I batteri hanno una molecola chiamata peptidoglicano nella loro parete cellulare , ma gli archea no. Gli archea hanno una molecola chiamata isoprene nella loro membrana cellulare, ma i batteri no.

Gli eucarioti sono esseri viventi con cellule eucariotiche e possono avere una o più cellule . La maggior parte degli eucarioti usa la riproduzione sessuale per creare nuove copie di se stessi. Nella riproduzione sessuale, due cellule sessuali, una da ciascun genitore, si uniscono per creare un nuovo essere vivente.

Le piante sono eucarioti che usano la luce del sole per produrre energia. Includono le alghe , che vivono nell'acqua, e le piante terrestri. Tutte le piante terrestri hanno due forme durante il loro ciclo di vita , chiamate alternanza di generazioni . Una forma è diploide , in cui le cellule hanno due copie dei loro cromosomi, e l'altra forma è aploide , in cui le cellule hanno una copia dei loro cromosomi.

Gli animali sono eucarioti con molte cellule, che non hanno pareti cellulari rigide. Tutti gli animali sono consumatori: sopravvivono mangiando altro materiale organico . Quasi tutti gli animali hanno neuroni , un sistema di segnalazione. Di solito hanno muscoli , che fanno muovere il corpo. Molti animali hanno una testa e delle zampe. La maggior parte degli animali sono maschi o femmine. Hanno bisogno di un compagno del sesso opposto per fare prole. Le cellule sessuali del maschio e della femmina possono incontrarsi all'interno o all'esterno del corpo.

I funghi sono eucarioti che possono avere una cellula, come i lieviti , o molte cellule, come i funghi . Sono saprofiti . I funghi scompongono materiale vivo o morto, quindi sono decompositori . Solo i funghi e alcuni batteri possono scomporre la lignina e la cellulosa , due parti del legno . Alcuni funghi sono micorrize . Vivono sottoterra e forniscono nutrienti alle piante, come azoto e fosforo.

I protisti: gli eucarioti che non sono piante, animali o funghi sono chiamati protisti . La maggior parte dei protisti vive in acqua.

• 
  Diversità dei funghi
• 
•