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Che cos`è la vita? 2a parte
Che cos’è la vita? 2a parte Leonardo Beccarisi Corso di Ecologia Università degli Studi di Roma Tre 26 ottobre 2010 3a lezione Sommario 1 Riproduzione Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria 2 Trasformazione dell’energia Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia 3 Conclusioni Che cos’è la vita? Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria Confutazione della teoria della generazione spontanea Francesco Redi pose della carne avariata in una serie di recipienti, alcuni chiusi, altri aperti, e dimostrò che le larve nascevano solo dove le mosche avevano potuto depositare le uova. Francesco Redi (1626-1697) Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria Riproduzione e sessualità Riproduzione Il processo attraverso cui gli individui esistenti ne generano di nuovi. Due fenomeni sono riconducibili alla riproduzione 1 La divisione delle cellule conduce ad un aumento numerico delle cellule 2 Divisione cellulare L’unione delle cellule è l’espressione della sessualità Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria Riproduzione e sessualità Un fungo del genere Morchella Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria Riproduzione e sessualità Tipi di riproduzione Riproduzione sessuata Il nuovo individuo si sviluppa a partire da una cellula germinale femminile fecondata. Riproduzione asessuata Il nuovo individuo si sviluppa da un frammento dell’individuo genitore. Embrione allo stadio di 8 cellule Gemmazione di Hydra sp. Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria Alla base dell’evoluzione Le specie biologiche hanno un potenziale intrinseco di modificazione del proprio genoma. Ad esempio, una grande popolazione di batteri possiede un alto potenziale di variabilità, pronto ad entrare in azione in risposta diretta a cambiamenti delle condizioni ambientali. Salvador E. Luria (1912-1991) Max Delbrück (1906-1981) Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria Alla base dell’evoluzione 1 2 Ricombinazione genica Mutazione Tasso di mutazione Il tasso di mutazione è la frequenza con cui si originano nuovi individui mutati in un intervallo di tempo definito. Per colonie di cellule batteriche, in condizioni colturali normali, il tasso di mutazione è nell’ordine di 10−8 . Quindi, in una singola colonia possono insorgere molti mutanti. Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Confutazione della generazione spontanea Riproduzione e sessualità Informazione ereditaria Alla base dell’evoluzione Colonie batteriche in capsule Petri Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia La nutrizione negli organismi eterotrofi Gli organismi eterotrofi possono nutrirsi di sostanze organiche provenienti da altri esseri viventi. Sono eterotrofi gli animali, molti batteri ed alcuni vegetali. La natura dell’alimentazione varia a seconda della specie. Le fasi dell’alimentazione 1 Ingestione Trasferimento del cibo nelle cavità corporee 2 Digestione Trasformazione meccanica e chimica del cibo 3 Assorbimento Assimilazione all’interno delle cellule delle sostanze utilizzabili 4 Escrezione Eliminazione delle sostanze inutilizzabili Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Le manifestazioni dell’eterotrofia Un esercizio di associazione di concetti Esempio: “predatore” Gatto Uomo ... Modalità di approvvigionamento Inseguimento e cattura Coltivazione ... “preda” Lucertola Grano ... Suggerimenti • L’alimentazione non è un fatto esclusivo degli animali • Il consumo della preda può essere parziale Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Le manifestazioni dell’eterotrofia Un esercizio di associazione di concetti Risultati degli studenti raccolti in aula: “predatore” Pianta carnivore Criceto Avvoltoio Camaleonte Balena Tarlo Zecca (zanzara) Ragno Scimmia (koala) Sanguisuga Modalità di approvvigionamento mangia sgranocchia attesa Attesa e cattura ingoia rosicchia succhia ragnatela arrampica attacca “preda” insetti semi girasole morte preda insetti prede legno sangue insetto banane (piante) pelle Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Le manifestazioni dell’eterotrofia Un esercizio di associazione di concetti Risultati degli studenti raccolti in aula: “predatore” Cuculo Tenia Rana pescatrice Serpente Mucca Scoiattolo Scorpione Alligatore Ape Edera Modalità di approvvigionamento opportunismo parassita esca (ciuffetto) striscia e cattura bruca cerca e raccoglie paralizza aspetta vola di fiore in fiore sfrutta altre piante “preda” altra specie di uccelli uomo preda topo erba ghiande topo zebra fiore piante Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Le manifestazioni dell’eterotrofia Un esercizio di associazione di concetti Risultati degli studenti raccolti in aula: “predatore” Pellicano Talpa Virus Bruco Pinguino Iena Topo Modalità di approvvigionamento pesca scava diffusione e duplicazione mangia pesca attende morte ricerca “preda” pesce uomo mela pesce preda vegetali Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Eterotrofia nelle piante superiori Le piante parassite Le piante parassite sono prive di clorofilla (quindi non appaiono verdi) ed hanno generalmente foglie a forma di squama. Introducono il loro apparato radicale all’interno dei tessuti di altre piante ospiti, da cui traggono nutrimento. Orobanche purpurea Cytinus hypocistis Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Eterotrofia nelle piante superiori Le saprofite Neottia nidus-avis I saprofagi sono organismi che utilizzano substrati in decomposizione. Saprofagi sono molti funghi e batteri decompositori che occupano una particolare posizione all’interno degli ecosistemi (costituiscono le cosiddette catene dei decompositori). Alcune specie di piante superiori (saprofite) si comportano come dei saprofagi: esse non svolgono la fotosintesi, non sono verdi e non hanno foglie; radicano sul substrato in decomposizione da cui estraggono le sostanze organiche. Un esempio è dato dall’orchidea Neottia nidus-avis che cresce sulla lettiera delle faggete; il processo di assorbimento è mediato da funghi, con cui la specie vive in simbiosi. Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Le piante carnivore Drosera muscipula Il mito delle piante carnivore Drosera capensis Le piante carnivore non sono specie propriamente eterotrofe, poiché fotosintetizzano. Esse vivono su terreni poveri di sostanze nutritive. Esistono circa 500 specie che adottano diversi sistemi di cattura degli insetti. Secernono enzimi che digeriscono le prede all’interno delle trappole per estrarne composti azotati e fosfati. Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Respirazione cellulare Respirazione aerobica Proteine, lipidi e carboidrati che giungono all’interno della cellula possono essere utilizzati per la produzione di energia. Limitando la trattazione ai carboidrati, in particolare al glucosio (C6 H12 O6 ), in presenza di ossigeno esso viene degradato per produrre energia immagazzinata in molecole di ATP1 . Equazione globale della respirazione cellulare C6 H12 O6 + 6O2 −→ 6CO2 + 6H2 O+energia 1 Adenosina trifosfato Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia In assenza di ossegeno Respirazione anaerobica e fermentazione Molti microrganismi possono vivere in condizioni di assenza di ossigeno atmosferico. Sono batteri e protisti, come i lieviti. Respirazione anaerobica La respirazione anaerobica comprende essenzialmente le medesime vie biochimiche della respirazione aerobia, ma al posto dell’ossigeno sono utilizzati composti minerali, come i nitrati ed i solfati. Un esempio importante è dato dai batteri denitrificanti, che svolgono una serie di reazioni (denitrificazione) attraverso cui i nitrati NO− 3 sono trasformati in azoto atmosferico N2 . Fermentazione Alcuni microrganismi attraverso la fermentazione demoliscono le molecole organiche per ottenere energia. Da questo processo si ottengono prodotti caratteristici dai quali prendono il nome i diversi tipi di fermentazione (ad es., lattica, alcolica, acetica). Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia La nutrizione nei vegetali Nutrizione idrica e minerale L’assorbimento dell’acqua e dei sali minerali disciolti attraverso l’apparato radicale (piante terrestri). Nutrizione carbonica L’assorbimento dell’anidride carbonica attraverso gli stomi (piante terrestri). Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Fotosintesi clorofilliana Piante, alghe aucariotiche, cianobatteri Equazione globale della fotosintesi clorofilla 6CO2 + 6H2 O+energia solare −→ C6 H12 O6 + 6O2 Reazioni dipendenti alla luce Trasformazione dell’energia luminosa (fotoni) in forme di energia utilizzabile dalla pianta (ATP e NADPH1 ) per la serie successiva di reazioni. Reazioni indipendenti dalla luce L’ATP e il NADPH prodotti nella fase precedente vengono utilizzati nella sintesi del glucosio (i cui atomi di carbonio derivano dall’anidride carbonica). Le reazioni non necessitano di energia luminosa e possono avvenire sia al buio che alla luce. 1 Nicotinammide adenina dinucleotide fosfato Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Il ruolo dell’ATP L’ATP è una molecola ricca di energia. L’ATP è il mezzo utilizzato dalle cellule di tutti gli organismi per rendere possibili le reazioni che consumano energia. La produzione di ATP viene ottenuta adoperando l’energia ricavata dalla respirazione cellulare, oppure, negli organismi autotrofi, dalla fotosintesi. Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Perché le piante sono verdi? Cellule vegetali con cloroplasti La luce verde è quella meno assorbita dalle clorofille. Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Chemiosintesi In assenza di luce Altri organismi chemioautotrofi • I solfobatteri utilizzano l’acido solfidrico H2 S. • I ferrobatteri utilizzano i sali ferrosi. • I metanobatteri utilizzano il metano CH4 . • Gli idrogenobatteri utilizzano l’idrogeno molecolare H2 presente nell’acqua. Adattamento all’idrogeno L’alga del genere Scenedesmus (più di 100 specie) in condizioni normali è fotoautotrofa, ma in assenza di ossigeno e di luce si comporta da chemioautotrofa utilizzando H2 . Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Chemiosintesi In assenza di luce Batteri nitrificanti I batteri nitrificanti sono due gruppi altamente specializzati di batteri chemioautotrofici che costituiscono una componente importante della flora microbica del terreno. Essi effettuano la nitrificazione, una serie di processi che trasforma l’ammonio in nitrati, procurando al terreno alcuni elementi fondamentali per la crescita dei vegetali superiori. • I nitrosobatteri trasformano l’ammonio NH+ in nitriti NO− 2 . − • I nitrobatteri trasformano i nitriti NO− 2 in nitrati NO3 . Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Eterotrofia Respirazione cellulare Autotrofia Fotosintesi batterica Senza produzione di ossigeno O2 Batteri verdi (Chlorobacteriaceae) In acque poco profonde (stagni e laghi) e ricche di zolfo. Equazione generale 6CO2 + 12H2 S+luce −→ C6 H12 O6 + 6H2 O+12S Altri tipi di reazioni sono proprie dei batteri solfopurpurei e dei batteri purpurei. Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Che cos’è la vita? Che cos’è la vita? 1 2 3 4 5 6 1 Il fenomeno vita si sviluppa nella biosfera, che è protetta da un’atmosfera, che riceve luce solare ed in cui c’è acqua Gli organismi viventi hanno proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi Gli organismi viventi sono costituiti da cellule1 Gli organismi viventi si riproducono Gli organismi viventi mutano Gli organismi viventi hanno bisogno di energia Anche i virus hanno bisogno di un ambiente cellulare per moltiplicarsi Riproduzione Trasformazione dell’energia Conclusioni Che cos’è la vita? Un primo assaggio di biodiversità Tanti tipi di cellule Tante modalità di riproduzione Tanti modi per trasformare l’energia Collegamenti con il libro di testo Capitolo 6 pp. 145-148, 151-152 Letture consigliate Redi F., 1994 Esperienze intorno alla generazione degli insetti. Edizioni Teknos. Mayr E., 1998 Il modello biologico. McGraw-Hill. Fonti delle immagini OpenClipArt (rg1024: p. 25); Wikipedia (p. 3, 4, 6, 7, 17, 15, 16, 22, 28, 23, 5, 9); Skeptic Wonder (p. 24). Presentazione realizzata con il sistema Beamer 3.07.
