Modulo 1
Paola Irato
19/01/2007
Obiettivi formativi
• Esplorare
i
processi
biologici
su
molteplici livelli
• Acquisizione di un quadro esauriente
e
realistico
della
processo di indagine
scienza
come
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
L’ambiente
di
un
esterno.
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
temperatura corporea)
organismi
(quale
la
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
Prove più recenti
in cui si
suggeriscono che
raggruppano gli
organismi.
Rappresentano i tre
gli Archaea sono
più strettamente
gruppi fondamentali di
connessi agli
organismi tra i quali si
Eukarya che non
riscontrano notevoli
diversità. Nella
sistematica basata su
ai Bacteria. Grazie
alle nuove
cinque regni, i Bacteria
metodologie, sono
e gli Archaea erano
ora disponibili vari
combinati in un unico
regno (Neil A.
Campbell, Jane B.
Reece – Biologia –
Zanichelli -2004).
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
differenziale
ambienti
che
si
con
riscontra
il
successo
tra
componenti delle popolazioni stesse.
i
riproduttivo
diversi
individui
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
l’esecuzione
di
di
indagine
osservazioni
che
ripetibili
formulazione di ipotesi verificabili.
prevede
e
la
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
induttivo
• metodo ipotetico-deduttivo
e
sul
ragionamento
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
•Assimilazione
•Trasformazione
alimenti in
sangue venoso
•Centro della
rete di vene
(Sistema
venoso)
(ventricolo Sx)
Sede
respirazione
Trasformazione
sangue venoso
in arterioso
Centro della
rete di arterie
(Sistema
Arterioso)
CERVELLO
Funzioni animali
(movimento,
senso, ragione)
Il SISTEMA GALENICO
• 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
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 permeabile
2. 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 HARVEY
Il 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
dal cuore alla
periferia
Transito del sangue
dalla periferia al
cuore
…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