Classificazione degli organismi viventi

Gli organismi viventi sono formati da unità strutturali di base chiamate cellule, che possono essere procariotiche o eucariotiche.
Questi organismi possono essere a loro volta pluricellulari o unicellulari. La teoria cellulare degli organismi viventi fu formulata nel diciannovesimo secolo, ed afferma che tutti gli organismi sono formati da unità base chiamate cellule, aventi un origine comune, in particolare sempre originate da altre cellule. La cellula è l’unità più piccola in grado di svolgere tutte le attività vitali all’interno dell’organismo, e come abbiamo detto origina da altre cellule, come gli organismi generano da altri organsimi, ma questa affermazione non fù così facilmente accettata, solo attraverso la dimostrazione di Lazzaro Spallanzani si arrivò a dire che le mosche depongono le uova nella carne in putrefazione e non nascono da lì.

Da materia inanimata non si genera dunque nessun essere vivente.

Con un microscopio ottico possiamo vedere bene le cellule umane che hanno una dimensione che si attesta tra i 10 e i 100 micrometri, mentre gli elementi unicellulari come i batteri sono più piccoli, hanno un diametro di circa 1 micrometro. Altre cellule animali raggiungono dimensioni ancora maggiori, come le uova di rana o le uova di gallina. Le cellule hanno queste piccole dimensioni perchè in questo modo sono meglio resi gli scambi con l’esterno attraverso la membrana plasmatica, infatti il rapporto superficie-volume è direttamente proporzionale alla velocità degli scambi che la cellula ha con l’esterno, che a sua volta è inversamente proporzionale alle dimensioni della cellula. Un altro motivo per cui le cellule hanno piccole dimensioni è perchè in questo modo le molecole che devono spostarsi tra le cellule hanno un minor tragitto da compiere, vengono così accelerate tutte le attività cellulari, ad esempio negli scambi che si verificano nell’epitelio intestinale le piccole dimensioni delle cellule e le specializzazioni apicali microvillose permettono una maggiore superficie di scambio.


L’organizzazione della cellula le permette di mantenere le condizioni di omeostasi, cioè il mantenimento delle condizioni d’equilibrio (fisiche e funzionali) con l’ambiente esterno (molto diverso dall’ambiente interno) che le permettono di mantenere la funzione vitale. L’omeostasi cellulare è la premessa per l’omeostasi tissutale, che a sua volta nei vari livelli d’organizzazione è la premessa per l’omeostasi dell’intero organismo.

Ad esempio l’omeostasi della cellula è mantenuta nella divisione di cariche tra l’ambiente interno e l’ambiente esterno, in cui la sodio-potassio ATPasi spende i 2/3 dell’energia della cellula per mantenere la differenza di potenziale tra i due ambienti ad un valore di riposo di -70 mV funzionali, ma anche il calcio è molto importante, ad esempio come cofattore in diverse reazioni chimiche, dunque la sua bassissima presenza all’interno della cellula viene modificata nel momento in cui deve attivare diverse funzioni, tra cui la contrazione muscolare e la sinapsi neuronale, per poi essere reintrodotto all’esterno attraverso particolari pompe chiamate calcio ATPasi.
Le dimensioni e la forma di una cellula sono correlate con le loro funzioni: le cellule staminali sono cellule indifferenziate presenti in tutti i tessuti adulti che si preoccupano della rigenerazione delle cellule del tessuto stesso che vanno incontro a fenomeni d’invecchiamento e successivamente di apoptosi. All’interno del tessuto deve dunque essere presente un elemento che riformi queste cellule differenziate, ed è rappresentato dalle cellule staminali. La cellula staminale emopoietica dà origine alle cellule del sangue ed è presente nel midollo osseo, ha una forma circa sferica ma darà origine anche ad una cellula biconcava un pò più piccola ed anucleata, che ha il compito di scambiare gas e trasportare ossigeno all’interno del nostro nucleo.
La forma a disco biconcavo in questo caso è funzionale perchè aumenta la superficie di scambio di “una cellula” che non ha più bisogno di attività trascrizionale, in quanto è composta quasi esclusivamente da emoglobina. La stessa cosa vale per lo spermatozoo, una cellula di forma particolare che origina dallo spermatogonio, una cellula a forma sferica: in questo caso lo spermatozoo ha bisogno di un lungo flagello per muoversi, di numerosi mitocondri per sviluppare energia e di un acrosoma sulla testa per effettuare la penetrazione nella membrana dell’ovulo. La stessa cosa vale anche per il neurone, cellula del sistema nervoso che si specializza nella comunicazione di segnali attraverso lunghe espansioni citoplasmatiche.

 

Gli organismi viventi crescono sia in numero di cellule che in dimensioni cellulari, e si sviluppano, nel senso che vivono dei significativi cambiamenti nella loro vita, ad esempio quelli che subiscono nella vita embrionale o quei processi di differenziamento e maturazione cellulare che avvengono all’interno dei tessuti nella fase post-natale.

Gli organismi viventi sono in grado anche di regolare i loro processi metabolici, intendendo con metabolismo l’insieme delle reazioni essenziale per il nutrimento, la crescita, lo sviluppo, i processi di riparazione cellulare e la produzione di ATP. Tutta questa regolamentazione permette di mantenere l’omeostasi dell’organismo e di ricavare energia. Per quanto riguarda i nostri processi metabolici, noi animali dobbiamo nutrirci per introdurre i nutrienti che scissi nelle loro macromolecole fondamentali (lipidi, glucidi e proteine) sono utili sia per la sintesi di strutture cellulari che devono essere sostituite, sia perchè quando sono degradati forniscono energia per la produzione di ATP.

Gli organismi viventi sono in grado anche di rispondere agli stimoli, ovvero a variazioni di intensità o direzione della luce, di pressione, di temperatura, del suono o della composizione dell’atmosfera. In particolare gli organismi unicellulari rispondono attraverso il movimento di flagelli, in quanto non possiedono strutture specializzate nel ricevere, interpretare e reagire allo stimolo ricevuto, mentre gli organsimi pluricellualri hanno una sistema di risposta molto più elaborato, attivato da particolari recettori che acquisiscono segnali dal mondo esterno attraverso i nostri cinque sensi.

 

La caratteristica più importante degli organismi viventi riguarda la loro riproduzione: si parla di riproduzione in modalità asessuata, come può essere la mitosi cellulare, che genera due cellule figlie identiche, in questo caso la variabilità genetica è limitata a mutazioni geniche occasionali, che possono essere vantaggiose o svantaggiose per il nuovo organismo. La riproduzione sessuata riguarda cellule specializzate che dopo la loro maturazione ed il loro incontro (nelle tube uterine per la specie umana) originano un nuovo organismo, caratterizzato da un’alta variabilità genetica in quanto le due cellule sessuali sono andate incontro al fenomeno di crossing-over. Questa riproduzione è alla base del processo di evoluzione e dell’adattamento della specie, che in questo caso è facilitata nella sopravvivenza se vive in ambienti mutevoli. Dunque le specie che sono formate da individui che hanno un genotipo molto variabile sono facilitate perchè è molto difficile che l’ambiente selezioni tutte queste caratteristiche come negative, cosa che potrebbe portare all’estinzione di una specie che ha un genotipo molto simile tra i suoi individui.

 

Esistono diversi livelli d’organizzazione per quanto riguarda la materia vivente: si parte dall’atomo, per passare alla molecola, poi si passa alla macromolecola, agli organelli cellulari ed alla struttura cellulare. Dalla struttura cellulare si passa all’organizzazione tissutale, poi agli organi ed agli apparati, che assieme contribuiscono a determinare la struttura dell’organismo vivente. Gli organismi a loro volta si organizzano in popolazioni che a loro volta costituiscono comunità. Queste comunità vivono assieme all’interno di un ecosistema, che assieme ad altri ecosistemi forma la cosiddetta biosfera.

 

Gli organismi sono in grado anche di trasmettere informazioni da una generazione all’altra attraverso le caratteristiche combinate dei suoi genitori che vengono trasmesse ai figli, attraverso il materiale genetico del DNA. La struttura del DNA venne teorizzata nel 1953 da Watson e Crick, che ipotizzarono l’esistenza di una doppia elica che si avvolgeva in maniera elicoidale su un asse immaginario, in cui erano presenti dei pioli tra le due catene (costituite da un pentoso e da un gruppo fosforico) che si avvolgevano ed erano costituite da basi azotate. In tutto ciò ha una fondamentale importanza il codice genetico, una chiave di lettura del DNA che viene utilizzata nella stessa maniera da tutti gli organismi viventi, serve a tradurre l’informazione genetica in proteine ed è universale e ridondante. Queste trasformazioni avvengono secondo la direzione di flusso unidirezionale dell’informazione genica (è la direzione verso la quale l’informazione del DNA viene trascritta in RNA messaggero, per poi essere tradotta in proteina), ed è grazie al codice genetico che traduciamo l’informazione nucleotidica, in particolare sono delle triplette nucleotidiche che corrispondono a determinati amminoacidi. Le cellule sono molto diverse, ma hanno tutte lo stesso DNA: la loro differenza sta nella diversa regolazione dell’espressione genica. Tutti i 25000 geni umani non sono espressi in una cellula, ma di questi solo quelli funzionali sono espressi in ogni cellula, e sono chiamati Housekeeping, che permettono la sopravvivenza della cellula.

 

La comunicazione cellulare avviene attraverso diverse maniere, in particolare una cellula può segregare molecole che vanno a colpire recettori specifici sulla membrana cellulare di altre cellule, oppure ci possono essere molecole che passano da una cellula ad un’altra attraverso giunzioni comunicanti, altrimenti un altro tipo di comunicazione si tra le cellule neuronali che comunicano con segnali sinaptici.

Gli organismi viventi sono in grado di adattarsi all’ambiente, migliorando la capacità di sopravvivere in un determinato ambiente, attraverso il miglioramento di diverse caratteristiche, che possono essere strutturali (come il cambiamento dei colori delle farfalle che si sono adattate al cambiamento di colore dei tronchi delle betulle dovute allo smog), fisiologiche e comportamentali (ad esempio le zebre per proteggersi dai predatori mangiano con le code rivolte una contro l’altra).

Questi adattamenti derivano dall’interazione che l’ambiente ha sul genoma degli organismi, in processi che durano anni ed anni, adattandosi sempre meglio alle mutazioni dell’ambiente. Questo processo è detto della selezione naturale, teorizzato nel 1859 da Darwin, che ipotizza quindi che tutti gli organismi derivino da antenati comuni, ma che ora sono diversi l’uno dall’altro proprio grazie al processo evolutivo. In teoria nascono infatti molti più organismi di quelli che riescono a sopravvivere, ed è proprio la selezione naturale che seleziona gli organismi più adatti che possono arrivare all’età riproduttiva: tra gli organismi infatti c’è competizione nell’accaparrarsi le risorse, e solo alcuni riescono a sopravvivere e a riprodursi grazie alle sue caratteristiche e agli influssi dell’ambiente, che si manifestano sottoforma di mutazioni genetiche.

 

La teoria dell’evoluzione spiega come le popolazioni di determinati organismi si sono evolute nel tempo: si è cercato di capire la struttura, la funzione ed il comportamento degli organismi e le loro interazioni considerandoli alla luce di un lungo e continuo processo evolutivo, che rappresenta un concetto unificante per tutta la biologia.

Lo scienzato Linneo ha ideato un sistema di classificazione degli esseri viventi, attraverso una nomenclatura di tipo binomiale: ogni specie (gruppo di organismi con struttura, comportamento e funzione simili, che s’incrociano tra loro ed hanno un antenato comune) è data dal nome del genere (raggruppa specie strettamente correlate) + il nome della specie. I livelli di organizzazione superiore sono famiglia, ordine, classe, phylum, regno e dominio, il livello massimo dell’organizzazione (per impararli meglio possiamo utilizzare la parola DRYCOF per memorizzare i sei livelli esterni). La classificazione degli esseri viventi è studiata dalla sistematica (studia le diversità degli esseri viventi e le loro correlazioni evolutive) e dalla tassonomia (studia la classificazione e la nomenclatura degli esseri viventi). Gli organismi viventi si organizzano in tre domini e sei regni, in particolare ai domini Eubacteria ed Archea appartengono solo organismi procarioti, tra cui i due regni degli Eubatteri (batteri comuni) e degli Archeobatteri (batteri con caratteristiche ancestrali). Al dominio Eukarya appartengono invece organismi eucarioti, tra cui il regno dei protisti (organismi unicellulari e pluricellulari, tra cui protozoi, alghe e muffe, alcuni di essi fotosintentici, ovvero organismi che hanno la capacità di sintetizzare glucosio e produrre ossigeno attraverso un pigmento chiamato clorofilla a partire da anidride carbonica ed energia luminosa), il regno dei funghi (formato da organismi non fotosintetici tra cui lieviti, muffe e funghi), il regno delle piante vascolarizzate (in cui circola la linfa) e non, ed il regno degli animali, che possiedono la più alta specializzazione di tessuti, organi e sistemi.

 

La scienza è un metodo per studiare il mondo in modo sistematico, attraverso un metodo scientifico che comporta diversi passaggi, i quali hanno la funzione di verificare ipotesi, affermazioni verificabili create da noi sulla base di osservazioni che vengono verificate con ulteriori osservazioni od esperimenti. Le ipotesi devono essere coerenti con fatti ben stabiliti, devono essere analizzabili e confutabili. In questo modo interpretiamo i risultati e traiamo le nostre conclusioni, che possono confermare (in questo caso si costruisce una teoria) o non confermare le nostre ipotesi di partenza.

Un ipotesi viene confermata se tutte le sue previsioni sono avverate, se anche una sola non viene confermata l’ipotesi non è verificabile: è il caso dell’ornitorinco, un animale che viene classificato come mammifero (animale ricoperto di peli che allatta la sua prole) anche se depone le uova, a differenza della stragrande maggioranza dei mammiferi.

In quest’ottica sono molto importanti gli esperimenti, che possono verificare le nostre previsioni: in queste procedure è importante avere gruppi di controllo che possono confermare o meno la nostra ipotesi, non avere preconcetti sull’esperimento o sui risultati che ci aspettiamo di trovare e lavorare in doppio cieco (i pazienti e lo sperimentatore non sono a conoscenza delle modalità dell’esperimento) per evitare che vi siano preconcetti che possano in un qualche modo influire sui risultati dell’esperimento. Un esperimento molto banale riguarda la rimozione del nucleo da un’ameba: utilizzando un gruppo di controllo rimuoviamo in un gruppo il nucleo e lo rimuoviamo mentre nel gruppo di controllo lo rimuoviamo e lo rimettiamo al suo posto, per verificare che l’ameba muore non per l’effetto dello strumento che è andato a rimuovere il suo nucleo, ma proprio per la mancanza del nucleo stesso: troviamo così che l’assenza del nucleo causa la morte dell’ameba.

Questi esperimenti però devono essere fatti su un numero di campioni sufficientemente grande perchè sia rappresentativo della situazione che vogliamo studiare, inoltre è importante verificare gli esperimenti attraverso la loro replicazione. Se noi infatti creiamo un sacchetto in cui ci sono un 80 % di palline bianche ed un 20 % di palline blu, se lo sperimentatore estrae una sola di queste palline e questa è blu, arriva ad un risultato (100 % di palline blu) che non rispecchia la realtà del nostro sacchetto, mentre con un’estrazione più consistente, tipo 10 palline, di cui 7 bianche e 3 blu, arrivo ad una situazione (70 % di palline bianche e 30 % di palline blu) che sicuramente è più verosimile della precedente.

 

La scienza ha anche degli impegni, che non solo divulgativi ma anche di tipo etico: riguardo la validità dei risultati, alcuni ricercatori per ricevere finanziamenti o per fare carriera pubblicano ricerche con dati falsi, abbiamo dunque un impegno etico nel senso che dobbiamo diffondere risultati il più possibile aderenti alla realtà, in quanto l’aggiornamento delle conoscenze e la scoperta di nuove terapie si basa proprio su questi articoli nuovi che vengono pubblicati in Internet e sulle riviste. Problemi etici vengono anche affrontati per quanto riguarda casi particolari di studio, come la sperimentazione sulle cellule staminali, molto importanti per lo studio di nuove terapie, in particolare le cellule staminali embrionali. Anche la clonazione riproduttiva è molto discussa: riguarda il processo con cui spostiamo il nucleo di una cellula somatica in un ovocita anucleato, formando un clone del donatore del nucleo, tipo la pecora Dolly, generata proprio con questo processo. Questa tecnica però sembra possa andare verso direzioni negative, ci sono molte persone che vogliono riprodurre i loro animali per evitare dolori nel momento della loro scomparsa (ci sono compagnie coreane che offrono questo servizio), o addirittura essi stessi per far rivivere una nuova vita a loro stessi, nonostante la clonazione umana presenti ancora alcune problematiche tecniche. La clonazione terapeutica ha invece lo scopo di generare non un organismo completo ma cellule staminali embrionali per l’utilizzo in vivo a scopi terapeutici, queste cellule sono infatti in grado di generare tutti i tipi di cellule del nostro organismo. Le applicazioni dell’ingegneria genetica riguardano la terapia genica, ed anche in questo caso è importante saper ragionare bene dal punto di vista etico su ciò che si stà andando a fare.