Prima parte Evoluzione e complessità Tratte da Zullini Prima parte Evoluzione e complessità Marco Federici classe 3a cucina Istituto alberghiero Porto Sant’Elpidio – ISITPS Tutor prof. Stroppa Pierluigi

Obiettivi Conoscere la struttura delle membrane interne di alcuni organuli Conoscere le reazioni cellulari che avvengono in esse Dimostrare che esistono strutture complesse in natura, sia a livello microscopico che a livello macroscopico

Metodologia Lezioni frontali partecipate con proiezioni di immagini e animazioni Elaborazione di set anticipatori Uso frequente del feedback Lavori di gruppo Invito alla produzione di relazioni e poster Role playing Costruzione di modelli che simulano i fenomeni che avvengono negli organismi viventi

Mezzi e strumenti Libri di testo Riviste scientifiche Laboratorio scientifico Personal computer e videoproiettore Microfono e macchina fotografica digitale adibita anche alle riprese Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa Modelli Cartelloni e poster

Partiamo da due organuli della cellula: il mitocondrio e il cloroplasto Tratte da Zullini I due organuli in figura hanno entrambi: Una doppia membrana, di cui l’esterna liscia e l’interna ripiegata Nel mitocondrio la membrana interna forma le creste mitocondriali, mentre nel cloroplasto forma tilacoidi raggruppati in grani

Perché la membrana interna è ripiegata? La membrana interna è ripiegata per aumentare la superficie d’azione dei processi della respirazione cellulare (nei mitocondri) e della fotosintesi clorofilliana (nei cloroplasti) Iniziamo dalla respirazione cellulare..

La respirazione cellulare La respirazione cellulare avviene nelle creste mitocondriali dei mitocondri; essa è catalizzata da enzimi respiratori e consiste nella combustione di glucosio in presenza di ossigeno: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energia (36ATP)

Rappresentazione della membrana interna del mitocondrio a) Prendendo un astuccio si inserisce un foglio di carta; si osserva che esso vi entra per una piccola superficie; b) Se il foglio di carta si accartoccia osserviamo che esso entra tutto dentro l’astuccio! Conclusioni. Se l’astuccio rappresenta la membrana esterna del mitocondrio e il foglio di carta la membrana interna, è ovvio che nel caso b) aumenta la superficie di quest’ultima e quindi aumenta anche il processo della respirazione cellulare.

Animazione astuccio

Metodologia di spiegazione b Prendendo una scatola di bottiglie di vino, mostriamo il divisorio tra le bottiglie: se è chiuso la sua superficie è minore b) se lo apriamo la sua superficie è maggiore Conclusioni: se la scatola rappresenta la membrana esterna del mitocondrio e il divisorio la membrana interna, si osserva che nel caso b) aumenta la superficie di quest’ ultima e quindi aumenta anche il processo della respirazione cellulare

Animazione divisorio la scatola rappresenta la membrana esterna del mitocondrio e il divisorio la membrana interna; L’ alunno Lamkoutar illustra che se il divisorio è chiuso la sua superficie è ridotta se confrontata con quella del divisorio aperto.

Passiamo al cloroplasto e alla fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana La fotosintesi clorofilliana è la reazione che avviene negli organuli cloroplasti grazie alla luce del Sole catturata dal pigmento clorofilla : CO2 + H2O + Energia Solare C6H12O6 + O2 bilanciando: 6CO2 + 6H2O + Energia Solare C6H12O6 + 6O2

Simulazione dei grani e dei tilacoidi Un piatto rappresenta un tilacoide e una pila di piatti un grano

Altri esempi: le ammoniti Ammonite madreperlacea proveniente dalla Russia. Da Venturi

La linea di sutura delle ammoniti L’interno della conchiglia delle ammoniti è concamerata. Le pareti che dividono le camere non sono dritte ma ondulate. Interno di ammonite dal calcare massiccio della Gola della Rossa Serra San Quirico (AN)

La linea di sutura delle ammoniti Anche in questo caso è stata premiata la complessità invece che la semplicità. Infatti, avere le pareti dritte, quindi semplici, avrebbe comportato un grande spessore delle stesse per resistere alla pressione idrostatica. Ecco così che avere le pareti ondulate ( anziché dritte e spesse) è stato vantaggioso: il peso della conchiglia è diminuito ma la resistenza alla pressione idrostatica è rimasta elevata.

Altri esempi: il corpo umano Immagine tratta da Zullini

Modello del corpo umano Immagine tratta dal corpo umano della scuola

Immagine tratta dal corpo umano della scuola Intestino L’ intestino è formato da un lungo tubo ripiegato su se stesso per offrire una maggiore superficie di assorbimento dei principi nutritivi nel volume della cavità addominale Immagine tratta dal corpo umano della scuola

Immagine tratta dal corpo umano della scuola Il Cervello Il cervello è formata da una membrana ripiegata su se stessa in modo da offrire un’ampia superficie nel piccolo volume della scatola cranica. Immagine tratta dal corpo umano della scuola 21

Il cervello dell’ uomo e quello della scimmia Questa immagine mostra che il cervello dell’ uomo (a sinistra) è più grande e più ricco di pieghe di quello della scimmia (a destra).

Le linee di sutura delle ossa del capo

Incastro delle mani La linea di sutura delle ammoniti e della scatola cranica si può simulare anche unendo le mani…

Tessuto spugnoso dell’osso Osservando le immagini sovrastanti si può notare il tessuto osseo spugnoso. Tale tessuto impartisce, nello stesso tempo, resistenza e leggerezza all’ osso. Negli spazi vuoti offerti dalle trabecole c’è il midollo osseo; in esso si producono gli elementi figurati del sangue: globuli bianchi, globuli rossi e piastrine.

La struttura interna delle ossa Ecco la struttura interna delle ossa con il tessuto osseo compatto all’esterno e quello spugnoso all’interno Immagine tratta da Zullini

Conclusioni Le strutture complesse sono un esempio di evoluzione convergente? Di sicuro esse si sono dimostrate utili per: Ottimizzare gli spazi (membrane interne degli organuli, organi cervello e intestino) per far avvenire molte reazioni chimiche in piccoli volumi Aumentare la resistenza delle strutture rendendole leggere (linea di sutura delle ammoniti, tessuto osseo spugnoso)

Bibliografia Cheshire G. Evolution “A little history of a great idea” (2008) Zullini A. , Sparvoli A. e Sparvoli F. Scienze della natura (2006) Venturi F., Rossi S. Subasio, origine e vicende di un monte appenninico. (2003)