Biologia 10° Classe: Organismi e Vita

Organismi viventi ed entità biologiche

• Gli organismi viven, inclusi virus, batteri, e cellule eucariotiche, sono oggetto di studio.
• Diversi organismi sono suddivisi in categorie e classificati per le loro caratteristiche.
• La tassonomia è la disciplina che classifica ed ordina gli organismi viven.

L'origine della Vita

• L'universo si stima abbia circa 13 miliardi di anni.
• La Terra si stima abbia circa 4,4 miliardi di anni.
• La vita si stima abbia circa 3,9 - 2,7 miliardi di anni.
• I radioisotopi sono utilizzati per la datazione.
• Ad esempio, 14C ha un tempo di dimezzamento di 5730 anni.
• 235U ha un tempo di dimezzamento di 723 milioni di anni.
• 40K ha un tempo di dimezzamento di 1300 milioni di anni.
• 238U ha un tempo di dimezzamento di 4510 milioni di anni.
• Le stromatoliti di cianobatteri, dette anche "pietre a tappeto", offrono indizi sulle prime forme di vita risalenti a 3,7 miliardi di anni fa.
• Le stromatoliti sono state scoperte in Australia.

La teoria evoluzionistica e l'origine inorganica della Vita

• Darwin e Wallace (1858) hanno suggerito un'origine comune per le forme di vita.
• Un'ipotesi è che sulla Terra fossero presenti le condizioni favorevoli alla comparsa spontanea della vita.

Ipotesi dell'origine della Vita: N* 1 - Dallo spazio profondo

• Nel 1969, sono stati ritrovati frammenti del meteorite Allende in Messico, contenenti composti a base carboniosa, inclusi aminoacidi.
• Questa scoperta ha portato all'ipotesi della panspermia.

Presenza di basi azotate nei campioni di meteoriti

• L'analisi di campioni di meteoriti ha mostrato la presenza di basi azotate in tracce.
• Queste basi azotate (guanina, ipoxantina, xantina, adenina, ecc.) sono composti importanti per la vita.

Ipotesi dell'origine della Vita: N* 2 – L'origine organica

• Nel 1922, Oparin ipotizzò un periodo di evoluzione chimica sulla Terra, dove i composti inorganici, contenenti C, N, O e H, potevano organizzarsi in forme complesse in acqua e nell'atmosfera.
• Diverse fonti di energia (scariche elettriche, vulcani, sole) sarebbero state presenti.
• Queste condizioni avrebbero potuto formare i primi sistemi di membrana nelle pozze, nei laghi e nei mari.

L'esperimento di Miller-Urey

• L'esperimento di Miller e Urey ha dimostrato la possibilità di formare amminoacidi e altre molecole organiche dalle condizioni primordiali ipotizzate da Oparin.
• Il loro esperimento dimostrava che in un ambiente privo di ossigeno, sottoponendo determinate molecole ai fulmini, si sarebbero potuti formare i mattoni della vita.

La formazione delle membrane

• L'ipotesi del brodo primordiale è in contrapposizione alla natura idrofobica degli acidi grassi che compongono le membrane cellulari.
• Tuttavia, argille, fanghi e pirite possono aver catalizzato l'aggregazione di sostanze idrofobe in ambienti anaerobici, necessari per la formazione delle membrane.

Ipotesi dell'origine della Vita: N* 3 – Origine idrotermale

• L'origine idrotermale ipotizza che le fessure idrotermali sottomarine abbiano fornito un ambiente protetto e ricco di composti in cui sono potuti formarsi i mattoni della vita.
• I composti necessari alla vita potrebbero essersi concentrati in queste fenditure, favorendo la formazione dei primi sistemi di membrana.
• La scoperta di organismi che usano le sorgenti idrotermali per l'energia e i nutrienti sostiene questa ipotesi.

Caratteristiche della protocellula

• La protocellula potenzialmente, aveva processi metabolici eterotrofi(prelevando nutrienti dall'esterno), e processi metabolici autotrofi (utilizzando il calore per l'anidride carbonica).
• I meccanismi di riproduzione simile alla gemmazione.
• Le protocellule avrebbero potuto avere materiale genetico non esclusivamente nel DNA.

Un mondo primordiale di RNA

• I ribozimi sono una classe di RNA con attività catalitica, suggerendo che l'RNA potesse svolgere sia funzioni di informazione genetica che di catalisi nelle protocellule.

I processi endosimbiontici

• I processi endosimbiontici ipotizzano che alcuni organelli cellulari (mitocondri e cloroplasti) abbiano avuto origine da procarioti che sono stati inglobati in cellule più grandi.

Classificazione gerarchica dei viventi

• La sistematica ordina gli organismi viven in base ai gruppi di appartenenza.
• La tassonomia utilizza una gerarchia: Dominio, Regno, Phylum, Classe, Ordine, Famiglia, Genere, Specie.
• Ogni livello della gerarchia include organismi con caratteristiche comuni.

Classificazione dei batteri

• I batteri vengono classificati in base alla loro forma e morfologia.
• Le forme includono bacilli (bastoncini), cocchi (sfere), spirilli (a spirale), vibrioni ecc.
• Possono apparire isolati, accoppiati in coppie, in catene, o in gruppi.

Temperatura di crescita

• I batteri sono classificati anche in base alla loro temperatura di crescita ottimale:
• Psicrofili (temperature basse)
• Mesofili (temperature intermedie)
• Termofili (temperature elevate)

Metabolismo e fonti di energia

• I batteri possono essere classificati in base alle loro fonti di energia: fototrofi (energia dalla luce), chemiotrofi (energia da composti chimici).
• I batteri possono essere classificati in base alla loro fonte di carbonio: autotrofi (carbonio dalla CO2), eterotrofi (carbonio da composti organici).
• I batteri possono essere anaerobi (non necessitano di ossigeno) o aerobi (necessitano di ossigeno) obbligati o facoltativi.
• I batteri si distinguono per i loro metodi di metabolismo, sia per la fonte di energia che di carbonio.

Reazioni di ossidoriduzione (RedOx)

• Le reazioni di ossidoriduzione (RedOx) sono reazioni che comportano il trasferimento di elettroni tra due specie chimiche.
• L'ossidazione è la perdita di elettroni, mentre la riduzione è l'acquisto di elettroni.
• L'ossidoriduzione è fondamentale per molti processi biologici.

Morfologia esterna (colorazione di Gram)

• La colorazione di Gram è una tecnica utilizzata per distinguere i batteri in base alla loro struttura della parete cellulare.
• I batteri Gram-positivi hanno una parete cellulare spessa con uno strato di peptidoglicani.
• I batteri Gram-negativi hanno una parete cellulare più sottile che contiene uno strato di peptidoglicano più sottile.

Strutture che «circondano» i batteri

• Le strutture attorno ai batteri variano, influenzando la loro struttura e funzione.
• Le membrane, i flagelli , le ciglia, e la capsula sono strutture importanti per l'adesione, l'ingresso e l'efficienza metabolica.

Organizzazione interna

• I procarioti hanno un'organizzazione interna relativamente semplice, a differenza degli eucarioti.
• I procarioti hanno un citoplasma e materiale genetico (DNA) non delimitato da organelli legati alla membrana.

Riproduzione

• La riproduzione nei procarioti avviene principalmente per scissione binaria, un processo che crea due cellule figlie identiche.
• Alcuni batteri possono formare spore in risposta a condizioni ambientali avverse, consentendo loro di sopravvivere.

Diversità genetica nei procarioti

• La diversità genetica nei procarioti avviene per mutazione spontanea e ricombinazione genetica, includendo trasformazione, trasduzione e coniugazione.

I batteri in natura, I batteri e l'organismo umano, I batteri per il futuro

• I batteri svolgono un ruolo cruciale nel ciclo della materia e della sostanza organica.
• I batteri possono interagire con gli organismi umani, agendo come commensali o come causa di patologie.
• I batteri sono utilizzati in diversi processi ed attività, come fermentazioni, biotecnologie, depurazione delle acque.

Alcuni procarioti cooperano...

• Alcuni procarioti cooperano in diversi modi, interagendo con i loro ambienti.
• Alcuni procarioti si raggruppano e creano strutture complesse che creano problemi economici o di salute.

Eucarioti

• Gli eucarioti sono organismi che hanno un nucleo definito e diversi organelli legati alla membrana nel citoplasma.
• Sono unicellulari (protisti) o multicellulari (funghi, piante, animali).

Cellule eucariote

• Gli eucarioti sono unicellulari (protisti), e pluricellulari (funghi, piante, animali).
• Gli eucarioti hanno un nucleo delimitato da una membrana nucleare (nucleolemma).
• Hanno molti organelli deputati a funzioni molto diverse.

Nucleo → dove si trova il DNA e quindi tutte le informazioni genetiche

• Il nucleo è sede del materiale genetico (DNA) di una cellula eucariotica, organizzato in cromosomi.
• È delimitato da una membrana nucleare (nucleolemma), che separa il DNA dal citoplasma.

Mitocondri → dove si produce l'energia necessaria alla cellula per sopravvivere

• I mitocondri sono organelli cellulari deputati alla respirazione cellulare, un processo che genera energia sotto forma di ATP.
• La struttura dei mitocondri presenta una doppia membrana.

Cloroplasti → dove la luce e la CO2 si combinano per produrre glucosio tramite la fotosintesi

• I cloroplasti sono organelli cellulari presenti nelle cellule vegetali e in alcune alghe che svolgono la fotosintesi.
• I cloroplasti contengono clorofilla, necessaria per catturare l'energia solare durante il processo fotosintetico.

Organuli membranosi → reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi → la fabbrica dei componenti cellulari

• Reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi sono organelli legati alle membrane all'interno delle cellule eucariotiche.
• Sono coinvolti nella sintesi, nel processamento e nell'imballaggio delle proteine e degli altri componenti cellulari.

Virus

• I virus sono entità biologiche che non sono propriamente "viventi" e devono sfruttare una cellula ospite per la replicazione.
• I virus si replicano sfruttando le componenti e le strutture metaboliche della cellula dove si inseriscono.

Virione

• Virione è la particella virale al di fuori della cellula e non è un organismo vivente.
• Genomi di DNA o RNA, a filamenti singoli o doppi.
• Capside: involucro proteico che protegge il genoma che ha subunità chiamate capsomeri.
• Involucro (pericapside): doppio strato fosfolipidico che alcuni virus sviluppano.

Tipi di genoma virale

• I virus possono avere genomi a DNA o RNA, a filamenti singoli o doppi.
• ssDNA, dsDNA, ssRNA, dsRNA
• L'RNA può fungere da mRNA, o come stampo per l'mRNA.

Ciclo riproduttivo e vitale dei virus

• I virus si replicano all'interno di cellule ospiti che hanno un recettore adatto.
• I virus utilizzano il macchinario cellulare dell'ospite per creare copie del proprio genoma e delle proteine.

Ingresso per endocitosi recettore-mediata

• Questo è un processo in cui i virus entrano nella cellula ospite avvolgendosi attorno al virus, per poi fondersi con la membrana e rilasciare il virus all'interno della cellula ospite.

Ciclo litico del fago virulento (T4)

• Il fago virulento ha un ciclo litico, distruggendo la cellula ospite alla fine del ciclo.
• Il fago inietta il proprio genoma nella cellula.

Ciclo litico e lisogeno di un fago temperato (fago lambda)

• Un fago temperato ha un ciclo lisogeno che non distrugge la cellula ospite alla fine del ciclo, a differenza del suo ciclo litico.
• Il genoma del fago temperato si integra nel genoma della cellula ospite.

Ciclo vitale acuto di SARS-CoV-2

• Il coronavirus SARS-CoV-2 ha grandi glicoproteine (Spike) che formano una corona.
• Il virus infetta principalmente le vie respiratorie.

Ciclo vitale latente di HIV

• Il virus dell'immunodeficienza umana (HIV) infetta i linfociti T, cellule del sistema immunitario.
• Il virus ha un genoma a RNA e usa la trascrittasi inversa per integrarlo in DNA.

Sono comparsi prima le cellule o i virus?

• La teoria della co-evoluzione suggerisce che le interazioni cellula-virus durante l'evoluzione possano aver portato allo scambio e alla comparsa di geni.
• Molti geni procarioti o eucariotici sono rilevabili anche nei virus.

Ma i virus fanno solo male?

• I virus hanno diversi ruoli nelle cellule, e possono essere sia oncolitici (uccidendo cellule tumorali) che vettori per la terapia genica o vaccini