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 Proprietà emergenti: a ogni livello di indagine, le strutture biologiche mostrano caratteristiche peculiari Cellula: unità basilare, strutturale e funzionale degli organismi Possibilità di trasmettere informazioni per via ereditaria: il perpetuarsi della vita è possibile grazie alle informazioni trasmissibili come sequenze di DNA Binomio forma-funzione, correlati a tutti i livelli delle strutture biologiche Interazioni con l’ambiente: gli organismi sono sistemi aperti che interagiscono continuamente con l’ambiente che li circonda Meccanismi regolativi assicurano un equilibrio dinamico nel contesto strutturale degli organismi Unità e diversità: sono le due facce della vita sulla Terra 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. La struttura anatomica degli uccelli rende possibile il volo 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.

La forma delle cellule corrisponde esattamente alle loro funzioni, anche nel caso di un’estrema specializzazione 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.

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. 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).

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”

Funzioni animali (movimento, senso, ragione) 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 respirazione Trasformazione sangue venoso in arterioso Centro della rete di arterie (Sistema Arterioso) Funzioni animali (movimento, senso, ragione)

Il SISTEMA GALENICO 2 SISTEMI PARALLELI 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: ventricolo si svuota in contrazione ed espelle sangue in arterie 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

Ragionamento induttivo (metodo sperimentale quantitativo) 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) …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