Le caratteristiche dei viventi e la struttura cellulare

Hai mai pensato a cosa rende "vivo" un organismo? Tutti gli esseri viventi condividono sette proprietà fondamentali: sono fatti di cellule, crescono, si riproducono, regolano il metabolismo, rispondono agli stimoli, possiedono informazioni genetiche e si evolvono.

La differenza principale tra viventi e non viventi sta nell'organizzazione - parti diverse che cooperano per svolgere funzioni vitali. Questa organizzazione richiede energia costante attraverso reazioni chimiche: quando si fermano, l'organismo muore.

I componenti base della vita sono i bioelementi (ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto) che formano le biomolecole: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici. La teoria cellulare ci dice che ogni essere vivente è fatto di cellule, che la cellula è l'unità fondamentale della vita e che ogni cellula deriva da un'altra cellula.

Ricorda: La membrana cellulare ha sempre le stesse caratteristiche in tutti gli organismi - è un sottile involucro di 7-9 nanometri che regola gli scambi con l'esterno.

Cellule procariotiche ed eucariotiche

Le cellule procariotiche sono le più semplici che esistano - piccole (0,5-5 micrometri), senza nucleo definito e con il DNA sparso nel citoplasma. Hanno una parete cellulare esterna fatta di peptidoglicani e includono batteri, alghe azzurre e archebatteri.

Le cellule eucariotiche sono più complesse e grandi (10-30 micrometri). Possiedono un nucleo ben definito racchiuso da una doppia membrana e organuli specializzati nel citoplasma che permettono di svolgere diverse attività in compartimenti separati.

Esistono due tipi di cellule eucariotiche: animali e vegetali. Quelle vegetali hanno in più una parete di cellulosa, un vacuolo e i cloroplasti. Gli eucarioti possono essere unicellulari o pluricellulari.

Curiosità: La dimensione conta! Le cellule procariotiche sono circa 10 volte più piccole di quelle eucariotiche.

Il trasporto attraverso la membrana avviene in due modi: passivo (senza energia, da alta a bassa concentrazione) e attivo (con energia ATP, contro il gradiente). L'osmosi è il movimento dell'acqua attraverso membrane semipermeabili.

Metabolismo cellulare e fotosintesi

Il metabolismo cellulare è come il motore della vita - include tutte le reazioni chimiche che trasformano materia ed energia. Si divide in catabolismo (demolizione di molecole complesse che libera energia) e anabolismo (costruzione di molecole complesse che richiede energia).

L'ATP è la "moneta energetica" della cellula. Quando serve energia, l'ATP perde un gruppo fosfato diventando ADP; quando l'energia è disponibile, l'ADP si ricarica tornando ATP.

La glicolisi è il primo passo della demolizione del glucosio e avviene nel citoplasma. Da una molecola di glucosio si ottengono 2 ATP e 2 acido piruvico. Con l'ossigeno, la respirazione cellulare produce ben 38 ATP totali!

Dato impressionante: La fotosintesi è l'opposto della respirazione - i vegetali usano CO₂ e H₂O per produrre glucosio e liberare O₂.

La fotosintesi clorofilliana permette alle piante di essere autotrofe (producono da sole le sostanze organiche), mentre noi siamo eterotrofi (dobbiamo assumere sostanze organiche dall'ambiente). I virus sono parassiti endocellulari obbligati - non sono veri esseri viventi perché non hanno cellule.

Divisione cellulare e riproduzione

La divisione cellulare è fondamentale per la vita - permette a una cellula di generare due cellule figlie identiche. Nei procarioti avviene tramite scissione binaria, mentre negli eucarioti attraverso la mitosi con quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase.

La riproduzione asessuata coinvolge un solo individuo che produce prole geneticamente identica (salvo mutazioni). È veloce ed efficiente ma non crea variabilità genetica.

La riproduzione sessuata coinvolge due individui che producono gameti (cellule specializzate). La fecondazione unisce un gamete maschile e uno femminile formando lo zigote - la prima cellula del nuovo organismo.

Differenza cruciale: Le cellule somatiche sono diploidi (2n = 46 cromosomi nell'uomo), i gameti sono aploidi (n = 23 cromosomi).

La meiosi riduce il numero di cromosomi da diploide ad aploide attraverso due divisioni successive. Avviene nelle gonadi (testicoli e ovaie) e include il crossing-over - lo scambio di segmenti tra cromosomi omologhi che aumenta la diversità genetica.

Genetica mendeliana ed ereditarietà

L'ereditarietà studia come i caratteri passano dai genitori ai figli. Mendel scoprì le regole fondamentali sperimentando con le piante di pisello tra il 1856 e il 1864.

I geni sono tratti di DNA responsabili dei caratteri, esistono in forme diverse chiamate alleli. Il genotipo è la combinazione di alleli di un individuo, il fenotipo sono le caratteristiche che si manifestano.

Un individuo è omozigote se ha due alleli uguali (RR o rr), eterozigote se diversi (Rr). I caratteri dominanti si manifestano negli omozigoti dominanti e negli eterozigoti, quelli recessivi solo negli omozigoti recessivi.

Legge di Mendel: Durante la formazione dei gameti, i due alleli di ogni gene si separano - questa è la legge della segregazione.

La teoria cromosomica dell'ereditarietà dimostra che i geni si trovano fisicamente sui cromosomi. Il cariotipo umano ha 23 coppie di cromosomi: 22 coppie di autosomi + 1 coppia di cromosomi sessuali (XX nelle femmine, XY nei maschi).

Genetica molecolare e DNA

Il DNA è il deposito delle informazioni genetiche - una doppia elica formata da nucleotidi con quattro basi azotate: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C). Le basi si appaiano sempre A-T e G-C.

Watson e Crick scoprirono nel 1953 la struttura a doppia elica del DNA. La replicazione è semiconservativa: ogni nuova molecola contiene un filamento originale e uno nuovo.

Negli eucarioti, il DNA si associa agli istoni formando la cromatina. Il numero di cromosomi è caratteristico di ogni specie: l'uomo ne ha 46, la zanzara 6, il cane 78.

Ricorda: L'RNA è simile al DNA ma ha ribosio invece di desossiribosio, è monofilamento e contiene uracile al posto della timina.

Esistono tre tipi di RNA: messaggero (mRNA), ribosomiale (rRNA) e di trasporto (tRNA). Le proteine si formano in due fasi: trascrizione (DNA → mRNA nel nucleo) e traduzione (mRNA → proteine nei ribosomi). Il codice genetico è universale, non ambiguo e ridondante.

Mutazioni e tecnologie del DNA

Le mutazioni sono cambiamenti spontanei del DNA che possono essere vantaggiosi, neutri o svantaggiosi. Possono essere causate da agenti mutageni chimici (fumo, smog) o fisici (raggi X, UV, radioattività).

Esistono tre tipi principali: mutazioni geniche (cambiano la sequenza di nucleotidi), cromosomiche (rottura e riorganizzazione) e genomiche (cambiano il numero di cromosomi). La sindrome di Down è un esempio di trisomia 21.

La tecnologia del DNA ricombinante permette di modificare il patrimonio genetico in modo mirato. Gli organismi geneticamente modificati (OGM) hanno genomi alterati tramite ingegneria genetica.

Applicazioni moderne: Produzione di insulina umana, vaccini, ormoni della crescita e piante resistenti ai parassiti.

Il Progetto Genoma Umano (completato nel 2003) ha mappato tutti i geni umani, scoprendo che ne abbiamo circa 25.000 invece dei 100.000 previsti. Questo ha aperto nuove discipline come proteomica, trascrittomica e metabolomica.

Evoluzione e teoria di Darwin

L'evoluzione è il processo di cambiamento che porta alla diversità della vita nel tempo. Darwin nel 1859 propose la teoria basata su quattro principi: variabilità ereditabile tra individui, sovrapproduzione di prole, competizione per le risorse e selezione naturale.

Una specie è un gruppo di individui che si incrociano producendo prole fertile. L'ambiente non causa i cambiamenti ma seleziona gli individui più adatti, che trasmettono i caratteri vantaggiosi.

Le prove dell'evoluzione vengono da paleontologia (fossili), biogeografia (distribuzione geografica) e anatomia comparata (somiglianze strutturali). Prima di Darwin, Lamarck aveva proposto l'ereditarietà dei caratteri acquisiti, teoria poi rivelatasi errata.

Neo-darwinismo: La moderna teoria evolutiva unisce genetica e selezione naturale, spiegando la variabilità attraverso mutazioni e ricombinazione genica.

Il neo-darwinismo studia le popolazioni definendo il pool genico (insieme degli alleli) e le frequenze geniche. L'evoluzione è il cambiamento di queste frequenze nel tempo.

Classificazione dei viventi

Carlo Linneo nel XVIII secolo creò il primo sistema di classificazione gerarchico: dominio, regno, phylum/divisione, classe, ordine, famiglia, genere, specie. Usò la nomenclatura binomia con due nomi latini (es. Homo sapiens).

La classificazione moderna prevede tre domini e sei regni basati su struttura cellulare e nutrizione:

• Archaea: archebatteri estremofili
• Bacteria: eubatteri comuni
• Eukaryota: protisti, funghi, piante, animali

I procarioti si dividono in archebatteri (ambienti estremi, parete senza peptidoglicano) ed eubatteri (parete con peptidoglicani). Si riproducono per scissione binaria ma scambiano materiale genetico.

Importante: I cianobatteri sono procarioti fotosintetici che producono ossigeno, alcuni fissano l'azoto e formano licheni con i funghi.

Gli eubatteri possono essere eterotrofi (saprofiti o patogeni) o autotrofi (fotoautotrofi o chemioautotrofi). La maggior parte è saprofita e decompone materiale organico morto.

I regni eucarioti: protisti, funghi, piante e animali

I protisti comprendono eucarioti che non sono funghi, piante o animali. Sono unicellulari o coloniali e includono alghe (fotosintetiche), protozoi (predatori) e forme simili ai funghi.

I funghi sono eterotrofi che digeriscono il cibo esternamente e lo assorbono. Hanno corpo (tallo) formato da filamenti (ife) che formano il micelio. Possono essere saprobi o parassiti.

Le piante sono autotrofe pluricellulari che fanno fotosintesi. Si dividono in tallofite (briofite come muschi) e tracheofite (piante vascolari). Le tracheofite includono pteridofite (felci), gimnosperme (conifere) e angiosperme (piante con fiori).

Evoluzione delle piante: Da tallofite semplici a tracheofite complesse con radici, fusto, foglie e vasi conduttori.

Gli animali sono eterotrofi pluricellulari. I principali phyla includono: poriferi (spugne), cnidari (meduse), platelminti (vermi piatti), molluschi, artropodi (gruppo più numeroso), echinodermi e cordati. I vertebrati comprendono pesci, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi con caratteristiche sempre più complesse.