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Modulo 1
Paola Irato
19/01/2007
Obiettivi formativi
• Esplorare i processi biologici su
molteplici livelli
• Acquisizione di un quadro esauriente
e realistico della scienza come
processo di indagine
Concetti chiave
1. Proprietà emergenti: a ogni livello di indagine, le strutture biologiche mostrano
caratteristiche peculiari
2. Cellula: unità basilare, strutturale e funzionale degli organismi
3. Possibilità di trasmettere informazioni per via ereditaria: il perpetuarsi della vita è
possibile grazie alle informazioni trasmissibili come sequenze di DNA
4. Binomio forma-funzione, correlati a tutti i livelli delle strutture biologiche
5. Interazioni con l’ambiente: gli organismi sono sistemi aperti che interagiscono
continuamente con l’ambiente che li circonda
6. Meccanismi regolativi assicurano un equilibrio dinamico nel contesto strutturale
degli organismi
7. Unità e diversità: sono le due facce della vita sulla Terra
8. L’evoluzione rappresenta il paradigma unificante della biologia
1. Le proprietà emergenti
Il mondo degli organismi è organizzato secondo una
scala gerarchica che si estende dalle molecole
alla biosfera. Progredendo da un gradino all’altro,
nel senso della complessità crescente,
“emergono” nuove proprietà, che rappresentano
il risultato delle interazioni tra gli elementi
costitutivi del gradino immediatamente inferiore
Le proprietà emergenti
• Emergenza: a ogni livello del reale emergono nuove
proprietà che pur non contraddicendo quelle del livello più
basso non possono essere derivate da queste
• Emergenza: sottolinea il carattere di “novità”, “non
predicibilità”, “non deducibilità” di proprietà appartenenti a
un livello superiore rispetto a quelle del livello inferiore
Alcune delle peculiarità degli
organismi• L’organizzazione strutturale ordinata
• La riproduzione
• La crescita e lo sviluppo
• L’utilizzazione dell’energia in varie forme
• Le risposte agli stimoli ambientali
• Gli adattamenti evolutivi
• L’omeostasi
2. La cellula
Le cellule rappresentano le unità elementari (dal
punto di vista morfologico e da quello funzionale)
di tutti gli organismi, nel senso che questi o sono
cellule o risultano composti da cellule. Si
descrivono 2 tipi fondamentali di cellule: quelle
procariotiche (tipiche dei Bacteria e degli
Archaea) e quelle eucariotiche (caratteristiche dei
Protista, della Plantae, dei Fungi e degli Animalia)
3. Le possibilità di trasmettere informazioni per via ereditaria
La continuità degli organismi che si manifesta di
generazione in generazione dipende dalla
ereditabilità dell’informazione biologica; questa è
a sua volta depositata nella molecola del DNA. In
particolare, l’informazione genetica viene
trasmessa con un codice che si esprime in forma
di sequenze dei nucleotidi costitutivi del DNA
4. Il binomio forma-funzione
La forma e la funzione risultano correlate a ogni livello della
organizzazione biologica.
a) La struttura anatomica degli uccelli rende possibile il volo
b) Il tema della stretta correlazione tra forma e funzione si
applica anche a livelli gerarchicamente inferiori agli
organismi, quali gli organi e i tessuti. Per esempio, la
struttura ad alveare delle ossa degli uccelli consente al
loro scheletro di essere leggero, senza che ciò vada a
scapito della robustezza.
c) La forma delle cellule corrisponde esattamente alle loro
funzioni, anche nel caso di un’estrema specializzazione
d) Relazione forma-funzione ha anche un contenuto estetico. Le
estroflessioni sono un espediente che permette di stipare una
grande quantità di enzimi respiratori all’interno di un minuscolo
contenitore.
5. Le interazioni con l’ambiente
Gli organismi sono sistemi aperti che
scambiano materiali ed energia con il
rispettivo ambiente esterno.
L’ambiente di un organismo
comprende altri organismi assieme a
determinati fattori abiotici.
6. I meccanismi della regolazione
Meccanismi retroattivi (a feedback) regolano i
sistemi biologici. In taluni casi questi dispositivi di
regolazione servono a mantenere l’omeostasi,
cioè uno stato relativamente stazionario dei
parametri interni degli organismi (quale la
temperatura corporea)
7. UNITÀ E DIVERSITÀ
L’insieme degli organismi è
diversificato. I biologi, in particolare i
tassonomisti, riconducono la
biodiversità nell’ambito di 3 dominii:
Bacteria, Archaea ed Eukarya.
Fig. 2. I tre dominii
in cui si
raggruppano gli
organismi.
Rappresentano i tre
gruppi fondamentali di
organismi tra i quali si
riscontrano notevoli
diversità. Nella
sistematica basata su
cinque regni, i Bacteria
e gli Archaea erano
combinati in un unico
regno (Neil A.
Campbell, Jane B.
Reece – Biologia –
Zanichelli -2004).
Prove più recenti
suggeriscono che
gli Archaea sono
più strettamente
connessi agli
Eukarya che non
ai Bacteria. Grazie
alle nuove
metodologie, sono
ora disponibili vari
schemi di
classificazione,
basati su sei, otto
o più regni.
UNITÀ E DIVERSITÀ
Una tale varietà è unificata. La uniformità che riscontriamo la osserviamo
specialmente ai livelli più bassi dell’organizzazione biologica. Un esempio
di questo concetto è il linguaggio universale del DNA, che associa
organismi procarioti ed eucarioti. Tra gli eucarioti, è ben evidente l’unità in
molte caratteristiche delle strutture cellulari. Un esempio è riportato nella
figura 3: le ciglia sono presenti nel Paramecium e nelle cellule epiteliali
delle nostre vie aeree con la stessa organizzazione ultrastrutturale. Al di
sopra del livello cellulare, gli organismi appaiono diversamente adattati
all’ambiente e presentano stili di vita variabili. Quanto più 2 specie sono
tassonomicamente correlate, tanto più numerosi sono i caratteri che esse
condividono.
Fig. 3. Un esempio dell’unità
fondamentale che è
riconoscibile anche in organismi
diversi: l’architettura
assonemale caratteristica delle
ciglia degli eucarioti. (Neil A.
Campbell, Jane B. Reece – Biologia –
Zanichelli -2004).
8. L’evoluzione
L’evoluzione rappresenta il tema centrale della biologia; si
tratta di un’ipotesi in grado di spiegare sia gli aspetti che
unificano gli organismi, sia quelli che li differenziano. La
teoria darwiniana della selezione naturale motiva i
meccanismi adattativi delle varie popolazioni nei confronti
dei rispettivi ambienti con il successo riproduttivo
differenziale che si riscontra tra i diversi individui
componenti delle popolazioni stesse.
Il modo di procedere della scienza
Il termine scienza deriva dal latino scire che vuol
dire “sapere”. In realtà la scienza rappresenta sia
il risultato del processo che porta al sapere che il
metodo per acquisire tale conoscenza. La scienza
è un processo di indagine che prevede
l’esecuzione di osservazioni ripetibili e la
formulazione di ipotesi verificabili.
Il modo di procedere della scienza
Cosa vuol dire fare ricerca scientifica?
• I fatti costituiscono il punto di partenza e di arrivo, sono
aspetti della realtà
• La ragione tenta di spiegare perché essi si svolgono in certi
modi e non in altri, è la capacità di processare informazioni
• Metodologia scientifica: lo scienziato deve fornire la prova
che le sue ipotesi hanno resistito ad ogni tentativo di
falsificazione empirica, cioè sono in accordo con le teorie
presupposte e con i fatti
Il modo di procedere della scienza
Lo scienziato, quando gli si presenta una situazione nuova che non si adatta al
suo schema concettuale, isola un problema e formula un’ipotesi di lavoro.
Prima legge, discute osserva riflette, poi progetta una sperimentazione e la
sottopone a prove.
Il premio Nobel per la chimica biologica Max Perutz descrive lo stato d’animo
del ricercatore nel seguente modo: “Pervenire a una scoperta è come
innamorarsi e, allo stesso tempo, raggiungere la vetta di una montagna
scalando una parete molto ripida; è come raggiungere l’estasi non con una
droga ma grazie alla contemplazione di una faccia della natura che
nessuno aveva mai potuto ammirare prima”.
Il modo di procedere della scienza
La prassi scientifica comprende l’acquisizione di
dati tramite osservazioni e/o misure, la
formulazione di un’ipotesi e la verifica di questa
mediante il meccanismo ipotetico-deduttivo. Il
grado di attendibilità di un’ipotesi dipende dal
livello di ripetibilità delle osservazioni e degli
esperimenti.
Il modo di procedere della scienza
Quindi il percorso seguito dai ricercatori per acquisire la
conoscenza dei fenomeni naturali è essenzialmente lo
stesso in tutte le discipline e spesso è la combinazione delle
due sottostanti forme di indagine:
• metodo basato sull’osservazione e sul ragionamento
induttivo
• metodo ipotetico-deduttivo
Il modo di procedere della scienza
Talvolta le scoperte sono casuali, come ad esempio fu per la
scoperta della muffa appartenente al genere Penicillum
operata da Alexander Fleming nel 1928.
In cosa consiste il ragionamento induttivo? Una conclusione
induttiva è una generalizzazione in grado di sommare e di
sintetizzare molte osservazioni tra loro coerenti.
Il metodo ipotetico-deduttivo si basa sul principio logico del
“se … allora” e porta alla formulazione di previsioni.
Fig. 3. Diagramma teorico rappresentativo del modo di
procedere della scienza. Raramente è del tutto
conforme a questo generale protocollo a stadi, ma la ricerca
scientifica implica comunque un simile dispositivo logico, che
prevede di postulare e verificare le ipotesi (Neil A. Campbell, Jane B. Reece –
Biologia – Zanichelli -2004).
Il modo di procedere della scienza
Ciò che fa progredire la scienza, è la formulazione di una
nuova teoria, in grado di rendere tra loro coerenti una serie
di risultati di varie osservazioni, che inizialmente
sembravano prive di connessione. Una teoria scientifica è
un’interpretazione sintetica e generalizzabile, sostenuta da
numerose prove, anche se nel linguaggio comune assume il
significato di ipotesi o congettura o speculazione astratta.
Dubbio vecchie teorie: L’EVOLUZIONE delle CONOSCENZE sulla CIRCOLAZIONE
• ARISTOTELE (IV sec a.C.): sistema centrifugo, centralità del cuore, aria
nelle arterie
• EROFILO ed ERASISTRATO (III sec a.C.) (Scuola di Alessandria)
“Sangue scorre in vene e arterie”
cuore diviso in due parti, da cui due circoli
• GALENO (II sec. d.C)
2 sistemi paralleli e setto polmonare
• Mondino DE’ LIUZZI (XIV sec.)
Prima osservazione delle coronarie, definite come vene (trasportatrici di
nutrienti)
Dubbio vecchie teorie: L’EVOLUZIONE delle CONOSCENZE sulla CIRCOLAZIONE
• Andrea VESALIO (1514-1564)Confuta l’idea del “setto interventricolare” proposta da Galeno,
ma non apporta conferme sperimentali in proposito
• JACOPO BERENGARIO DA CARPI (1470-1530)- Prima chiara e completa descrizione del cuore con le sue valvole- Come Vesalio, nega ancora la comunicazione tra ventricoli
• R. COLOMBO, M. SERVETO, A. CESALPINO (XVI sec.)Definiti impropriamente “scopritori della piccola circolazione”
(permane il sistema galenico)
• GIROLAMO FABRICI D’ACQUAPENDENTE (1537-1619)“La funzione delle valvole venose è quella di ritardare il flusso del
sangue in direzione centrifuga”
Il SISTEMA GALENICO
3 ORGANI PRINCIPALI
FEGATO VERO CUORE CERVELLO
•Assimilazione•Trasformazione alimenti in sangue venoso•Centro della rete di vene (Sistema venoso)
(ventricolo Sx)Sede respirazioneTrasformazione sangue venoso in arteriosoCentro della rete di arterie (Sistema Arterioso)
Funzioni animali (movimento,
senso, ragione)
• Consumo di sangue e generazione
continua dal fegato
• Distinzione dei vasi in vene e arterie in
base al tipo di sangue veicolato
• Setto intervenrticolare semipermeabile
• I vasi (arterie e vene) scorrono
parallelamente e sono entrambi centrifughi
rispetto ai 2 centri di propagazione: fegato
e ventricolo sinistro
2 SISTEMI PARALLELI
Il SISTEMA GALENICO
William Harvey
• Grande anatomista inglese, si laureò in Medicina a
Padova
• Risente delle concezioni cardiocentriche aristoteliche
• Nel 1628 pubblica “Esercitazioni anatomiche sul moto
del sangue negli animali” rivoluzionando la concezione
sul sistema circolatorio del sangue
• La validità della sua teoria si basa sull’utilizzo del
metodo scientifico:
*prove sperimentali
*deduzioni logiche formalmente corrette
*ragionamenti quantitativi, poco confutabili
LE SCOPERTE DI HARVEY
• Esercitazioni anatomiche su animali, per studiare moto del cuore e del sangue in discussione la concezione galenica
• Propone nuovo modello: sistema chiuso di circolazione
• Gli studi: − osservazioni su singoli aspetti− conclusioni in 3 proposizioni
CONTRAZIONI e VENTRICOLI
• Galeno affermava….
- riempimento ventricolo nella sistole
- “vis pulsifica” delle arterie
• Osservazioni (tatto e vista in animali in collasso):
in sistole il cuore si indurisce, apice in su e impallidisce. Incisione di
ventricolo. Incisione di arteria.
• Conclusioni:
1. ventricolo si svuota in contrazione ed espelle sangue in arterie
2. isocronia tra sistole ventricolare e diastole delle arterie
3. funzione cuore: trasferire sangue da vene a arterie
(Cuore = centro propulsore)
ATRI
• Osservazioni:
segni vitali in animali morenti;
impallidisce in contrazione
• Conclusioni:
1. contrazione atri precede
ventricoli
2. Funzione: spingere sangue in
ventricoli
TRANSITO POLMONARE
• Galeno affermava…-permeabilità del setto
interventricolare-sangue ai polmoni per
nutrire • Osservazioni:
legature di arterie/vene con flusso d’acqua
• Conclusioni:1. setto non permeabile2. circolazione nei polmoni
!!Ma calore vitale innato nel cuore (“spiriti”, “pneuma”)
PRIMA PROPOSIZIONE(portata cardiaca)
• “Il sangue viene trasmesso costantemente e senza
interruzione dalla vena cava nelle arterie dal battito del cuore,
in quantita’ tale da non poter essere fornito dal cibo ingerito e
in tal maniera che tutta la massa deve passarvi velocemente”
• Il calcolo della portata cardiaca era tale da rendere assurda la
concezione galenica.
• Harvey ipotizzò anche che data l’enorme quantità, il sangue
passasse più volte per il cuore circolazione
SECONDA PROPOSIZIONE(flusso arterioso)
• Il sangue è sospinto in modo continuo e uniforme dal
battito delle arterie in ogni organo
• Il flusso sanguigno nelle arterie ha una direzione
centrifuga rispetto al cuore
• Il passaggio del sangue dalle arterie alle vene è
consentito dalla presenza di piccole anastomosi o pori
TERZA PROPOSIZIONE(flusso venoso)
• La direzione del flusso venoso è
centripeta
• Riprende gli studi di Fabrici
d’Acquapendente (funzione delle valvole
venose)
• Effettua nuovi esperimenti di legature
vascolari
• Smentisce Galeno: il flusso del sangue
non è univoco, ma si articola in due
flussi opposti, l’uno rispetto all’altro
TESI DI HARVEYIl sangue negli esseri umani si muove continuamente secondo un circuito circolare, spinto
dal movimento del cuore, la cui funzione è quindi pulsare per permettere il ricircolo
sanguigno
Ragionamento induttivo (metodo sperimentale quantitativo)
TESI HARVEYANA
Conservazione della quantità di sangue
Transito polmonare del sangue
Transito del sangue dalla periferia al
cuore
Transito del sangue dal cuore alla
periferia
…ma non aveva capito:
- Transito del sangue dalle arterie alle vene attraverso i
capillari
- Ossigenazione del sangue a livello polmonare
Riferimenti bibliografici
• Asimov Isaac – Breve Storia della Biologia –Zanichelli -
2003
• Campbell Neil A., Reece Jane B. – Biologia – Zanichelli -
2004
• Mazzolini R. G. - Il contributo di Harvey alle conoscenze
sulla circolazione del sangue - in “Le Scienze” - febbraio
1998
• Peruzzi Giulio – Scienza e realtà – Mondadori - 2000