Biologia.

1. Che cosa studia la biologia

1.1 La vita come sistema organizzato

La biologia è la scienza che studia i sistemi viventi: la loro struttura, le funzioni, la riproduzione, le relazioni con l'ambiente e la storia evolutiva. Un organismo non è semplicemente un insieme di sostanze chimiche: è un sistema nel quale moltissime reazioni si svolgono in maniera coordinata. Una cellula, per esempio, assorbe nutrienti, costruisce nuove molecole, elimina prodotti di scarto e risponde ai segnali esterni. Queste attività richiedono strutture specializzate e un flusso continuo di materia ed energia.

I viventi mostrano alcune caratteristiche ricorrenti: organizzazione cellulare, metabolismo, capacità di mantenere condizioni interne compatibili con il funzionamento biologico, crescita, risposta agli stimoli, trasmissione dell'informazione ereditaria ed evoluzione delle popolazioni. Non è però corretto trasformare questo elenco in una definizione troppo rigida: un individuo sterile è comunque vivo e un seme dormiente può possedere un metabolismo estremamente ridotto. La vita va riconosciuta considerando l'insieme delle proprietà e il contesto biologico. I virus, capaci di evolvere ma dipendenti dalle cellule per replicarsi, rendono evidente la difficoltà di tracciare un confine assoluto.

1.2 I livelli di organizzazione

La materia vivente può essere osservata a livelli successivi. Gli atomi si uniscono formando molecole; alcune molecole costruiscono strutture cellulari; le cellule costituiscono tessuti; più tessuti formano organi; organi coordinati danno origine a sistemi e apparati. Allargando lo sguardo, un individuo appartiene a una popolazione, cioè un gruppo di organismi della stessa specie presenti in una determinata area. Le popolazioni di specie diverse formano comunità, che interagiscono con i fattori non viventi del loro ambiente all'interno di un ecosistema. L'insieme degli ecosistemi terrestri costituisce la biosfera.

A ogni passaggio compaiono proprietà emergenti, cioè caratteristiche che non possono essere spiegate considerando i singoli componenti isolati. Una molecola di emoglobina trasporta ossigeno, ma non possiede da sola le proprietà di un sistema circolatorio. Le cellule nervose generano segnali elettrici; le loro reti organizzate rendono possibili percezione, memoria e comportamento. Per comprendere i fenomeni biologici bisogna quindi saper cambiare scala, collegando molecole, cellule e organismi senza confonderne i livelli.

1.3 Il metodo scientifico

La biologia è una scienza sperimentale. Un'osservazione può suggerire una domanda; da questa si formula un'ipotesi, una spiegazione provvisoria capace di produrre previsioni verificabili. Il ricercatore progetta un esperimento, raccoglie dati e confronta i risultati con le previsioni. Una prova favorevole non rende automaticamente vera un'ipotesi per sempre; una prova contraria può imporre di modificarla o abbandonarla. Le conclusioni più affidabili derivano da risultati replicabili, misurazioni attendibili e convergenza di esperimenti indipendenti.

In un esperimento controllato si modifica una variabile indipendente, per esempio la quantità di luce ricevuta da una pianta, e si misura una variabile dipendente, come la velocità di crescita. Le altre condizioni devono essere mantenute il più possibile simili. Il gruppo di controllo permette di capire se il cambiamento osservato dipenda davvero dal fattore studiato. Occorre inoltre distinguere correlazione e causalità: due fenomeni possono variare insieme senza che uno produca direttamente l'altro. La statistica contribuisce a valutare quanta parte delle differenze possa dipendere dal caso.

1.4 Microscopi, misure e scale

Un microscopio ottico usa la luce e un sistema di lenti per osservare cellule e tessuti; la sua capacità di distinguere dettagli vicini, detta risoluzione, è normalmente limitata a circa 0,2 micrometri. Un microscopio elettronico impiega fasci di elettroni e può mostrare strutture molto più piccole, ma richiede preparazioni particolari dei campioni. L'ingrandimento indica quanto appare più grande l'immagine; la risoluzione indica invece quanti dettagli distinti possiamo effettivamente riconoscere. Aumentare l'ingrandimento senza aumentare la risoluzione non rivela informazioni nuove.

Un micrometro, simbolo µm, corrisponde a un milionesimo di metro; un nanometro, nm, a un miliardesimo. Una tipica cellula eucariotica ha dimensioni nell'ordine delle decine di micrometri, mentre molte proteine hanno dimensioni di pochi nanometri. Il confronto tra scale è indispensabile: DNA, ribosomi, mitocondri e cellule non possono essere riprodotti fedelmente in un unico disegno didattico senza ricorrere a proporzioni alterate.

2. L'acqua e i legami chimici dei viventi

2.1 Atomi, elettroni e legami

La materia è costituita da atomi, formati da un nucleo con protoni e neutroni e da elettroni distribuiti attorno ad esso. Un elemento chimico è definito dal numero dei suoi protoni. Nella biologia ricorrono soprattutto carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo, spesso indicati con l'acronimo CHNOPS. Gli atomi possono unirsi attraverso legami covalenti, nei quali condividono coppie di elettroni, oppure formare ioni, cioè particelle dotate di carica elettrica, coinvolte nelle interazioni ioniche.

Un legame covalente è detto polare quando gli elettroni sono attratti più intensamente da uno dei due atomi. Questa attrazione dipende dall'elettronegatività, la capacità di un atomo di richiamare gli elettroni di legame. Anche interazioni più deboli, come legami a idrogeno e forze di dispersione, sono fondamentali: stabilizzano la doppia elica del DNA, contribuiscono alla forma delle proteine e regolano l'associazione delle membrane. La debolezza di una singola interazione può essere compensata dall'azione simultanea di molte interazioni.

2.2 Perché l'acqua è così particolare

La molecola H₂O contiene due legami covalenti polari e ha una forma angolare. L'ossigeno presenta una parziale carica negativa, gli idrogeni una parziale carica positiva: per questo l'acqua è una molecola polare. Tra molecole diverse si formano legami a idrogeno, attrazioni relativamente deboli che però, considerate collettivamente, spiegano proprietà molto importanti. L'acqua richiede molta energia per riscaldarsi, favorendo la stabilità termica di organismi e ambienti; presenta coesione tra le proprie molecole e adesione a superfici polari, contribuendo alla risalita dell'acqua nei sottili condotti vegetali.

Nel ghiaccio le molecole formano una struttura ordinata che occupa un volume maggiore rispetto all'acqua liquida. Di conseguenza il ghiaccio è meno denso e galleggia. Questa anomalia fisica protegge numerosi ecosistemi acquatici: gli strati superficiali possono congelare senza trasformare immediatamente tutto il bacino in ghiaccio. Inoltre l'acqua partecipa direttamente a molte reazioni: nell'idrolisi una molecola viene scissa con intervento dell'acqua; nelle reazioni di condensazione viene eliminata acqua mentre due componenti si uniscono.

2.3 Soluzioni, concentrazioni e pH

Una soluzione è una miscela omogenea di un solvente e di una o più sostanze disciolte, dette soluti. La concentrazione esprime quanto soluto è presente in una determinata quantità di soluzione. La molarità misura le moli di soluto per litro e si indica con mol/L. Una mole contiene circa 6,022 × 10²³ entità elementari: il numero di Avogadro permette di collegare quantità macroscopiche e numero di particelle. Il sodio e il potassio, per esempio, sono presenti nei liquidi biologici come ioni Na⁺ e K⁺, e la loro distribuzione è essenziale per l'eccitabilità delle cellule.

Il pH è una misura logaritmica dell'acidità: pH = −log₁₀ a(H⁺), dove a indica l'attività degli ioni idrogeno, spesso approssimata dalla loro concentrazione nelle soluzioni diluite. A pH 7 una soluzione acquosa ideale a 25 °C è neutra; valori inferiori indicano una maggiore acidità, valori superiori una maggiore basicità. Un cambiamento di una unità di pH corrisponde, approssimativamente, a una variazione di dieci volte dell'attività degli ioni H⁺. Nei sistemi biologici le soluzioni tampone riducono le variazioni di pH: il sistema bicarbonato contribuisce, per esempio, a mantenere l'equilibrio acido-base del sangue.

2.4 Il carbonio, elemento dell'organizzazione biologica

Il carbonio possiede quattro elettroni disponibili per formare legami covalenti e può costruire catene, anelli, ramificazioni e strutture con doppi legami. Da questa versatilità nasce un'enorme diversità di molecole. I gruppi funzionali sono parti riconoscibili di una molecola che ne influenzano il comportamento: il gruppo ossidrilico −OH favorisce la polarità, il carbossilico −COOH può cedere un protone, l'amminico può accettarlo, mentre il fosfato partecipa a trasferimenti energetici e processi di regolazione.

Due molecole con la stessa formula bruta possono presentare una diversa disposizione degli atomi e proprietà biologiche differenti: sono isomeri. Quando differiscono nella disposizione tridimensionale si parla di stereoisomeri. Nei viventi questa distinzione è cruciale, perché gli enzimi riconoscono forme molecolari precise. Un carboidrato e la sua immagine speculare non sono necessariamente metabolizzati nello stesso modo. La struttura chimica non è quindi un dettaglio decorativo: determina interazioni, reazioni e funzioni.

3. Le biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine

3.1 Monomeri e macromolecole

Alcune molecole biologiche sono grandi perché formate dall'unione ripetuta di unità più piccole. Un monomero è un'unità costitutiva; un polimero è una catena composta da molte unità. Proteine, acidi nucleici e numerosi carboidrati sono polimeri, mentre i lipidi costituiscono una famiglia eterogenea che non può essere descritta interamente come polimerica. La costruzione di un polimero comporta la formazione di legami covalenti specifici; la sua demolizione richiede reazioni, spesso catalizzate da enzimi, che rompono tali legami.

La forma determina la funzione. Una catena lineare di glucosio con legami α(1→4) può formare strutture di riserva, mentre catene di glucosio con legami β(1→4) costituiscono la cellulosa, materiale di sostegno delle piante. La differenza nel tipo di legame cambia la forma tridimensionale e perfino la digeribilità. Comprendere una macromolecola significa quindi riconoscere le sue unità, i legami che le uniscono, l'organizzazione nello spazio e il compito che svolge.

3.2 Carboidrati: energia, sostegno e riconoscimento

I monosaccaridi sono gli zuccheri semplici: glucosio, fruttosio e galattosio sono esempi con sei atomi di carbonio, mentre ribosio e desossiribosio ne hanno cinque. In soluzione molti monosaccaridi assumono strutture cicliche, che possono differire per la configurazione del carbonio anomerico, indicata con α oppure β. Due monosaccaridi possono unirsi mediante un legame glicosidico formando un disaccaride: il saccarosio contiene glucosio e fruttosio, il lattosio galattosio e glucosio, il maltosio due unità di glucosio.

Tra i polisaccaridi, amido e glicogeno funzionano principalmente da riserve di glucosio; il glicogeno animale è molto ramificato e consente una mobilizzazione rapida. La cellulosa, al contrario, forma fibre resistenti nelle pareti vegetali. L'uomo non possiede enzimi capaci di scindere efficacemente i legami β(1→4) della cellulosa; essa costituisce pertanto una componente della fibra alimentare. Gli zuccheri legati a proteine e lipidi della membrana partecipano inoltre al riconoscimento tra cellule, mostrando che la loro funzione non si limita al metabolismo energetico.

3.3 Lipidi: una famiglia di molecole idrofobe

I lipidi sono accomunati soprattutto dalla scarsa solubilità in acqua. I triacilgliceroli, chiamati comunemente trigliceridi, contengono glicerolo unito a tre acidi grassi e costituiscono una riserva energetica concentrata. Gli acidi grassi saturi non possiedono doppi legami carbonio-carbonio, quelli monoinsaturi ne hanno uno, quelli polinsaturi più di uno. Un doppio legame di configurazione cis introduce spesso una piega nella catena, rendendo meno facile l'impacchettamento delle molecole.

I fosfolipidi possiedono una regione idrofila e una idrofoba: questa doppia natura, definita anfipatica, consente la formazione spontanea di doppi strati in acqua. Gli steroli, come il colesterolo, hanno una struttura ad anelli; il colesterolo modula le proprietà delle membrane ed è precursore di ormoni steroidei e acidi biliari. Non tutti i lipidi sono costituiti da acidi grassi: steroli e altre molecole lipidiche hanno architetture diverse. Gli acidi grassi omega-3 e omega-6 prendono il nome dalla posizione del primo doppio legame contando dall'estremità metilica; alcuni sono essenziali perché l'organismo umano non è capace di sintetizzarli.

3.4 Proteine e amminoacidi

Le proteine sono catene di amminoacidi uniti da legami peptidici. Un amminoacido tipico possiede un carbonio centrale legato a un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un idrogeno e una catena laterale R. Le caratteristiche chimiche della catena laterale determinano se l'amminoacido sia prevalentemente idrofobo, polare, acido o basico. Nella traduzione ordinaria del codice genetico si impiegano venti amminoacidi standard; alcuni organismi utilizzano anche amminoacidi aggiuntivi particolari, come la selenocisteina.

La struttura primaria è la sequenza degli amminoacidi. La struttura secondaria comprende motivi locali come α-elica e foglietto β, stabilizzati principalmente da legami a idrogeno dello scheletro peptidico. La struttura terziaria è la conformazione complessiva di una catena e dipende da interazioni idrofobiche, ioniche, legami a idrogeno e, quando presenti, ponti disolfuro. La struttura quaternaria descrive l'associazione di più subunità. Una proteina non deve necessariamente possedere tutti e quattro i livelli: molte sono formate da una sola catena. Il ripiegamento corretto è essenziale per la funzione, e alterazioni estreme di temperatura o pH possono provocare denaturazione.

4. Acidi nucleici e informazione biologica

4.1 Il linguaggio dei nucleotidi

Il DNA e l'RNA sono polimeri di nucleotidi, ciascuno costituito da una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e uno o più gruppi fosfato. Se il gruppo fosfato è assente si parla di nucleoside. Nel DNA lo zucchero è il desossiribosio e le basi principali sono adenina, timina, citosina e guanina; nell'RNA lo zucchero è il ribosio e l'uracile sostituisce generalmente la timina. Le basi adenina e guanina appartengono alle purine; citosina, timina e uracile alle pirimidine.

I nucleotidi formano catene mediante legami fosfodiestere tra il carbonio 3′ di uno zucchero e il 5′ del successivo. Per questo ciascun filamento possiede una direzione, indicata 5′→3′. La direzionalità è indispensabile per descrivere replicazione e trascrizione: gli enzimi che sintetizzano DNA o RNA aggiungono normalmente nuovi nucleotidi all'estremità 3′ della catena in crescita. I nucleotidi svolgono anche funzioni indipendenti dagli acidi nucleici: l'ATP trasferisce energia e il cAMP partecipa alla trasmissione di segnali cellulari.

4.2 La doppia elica e la complementarità

La struttura più conosciuta del DNA è una doppia elica nella quale due filamenti si dispongono in versi opposti, cioè sono antiparalleli. Le basi sono orientate verso l'interno e si appaiano secondo regole precise: adenina con timina e guanina con citosina. Le prime formano normalmente due legami a idrogeno, le seconde tre. La stabilità della doppia elica deriva anche dall'impilamento delle basi, non soltanto dai legami a idrogeno. Le due catene custodiscono informazioni complementari; quando si separano, ciascuna può fare da stampo per la sintesi di una nuova catena.

Una sequenza come 5′-ATGCCG-3′ si appaia quindi con 3′-TACGGC-5′. Scrivere le due catene nello stesso verso senza invertire l'ordine delle basi è un errore frequente. La complementarità non significa che i due filamenti siano identici: uno contiene la sequenza che permette di ricostruire l'altro. Nelle cellule eucariotiche il DNA nucleare è associato a proteine chiamate istoni, formando cromatina, mentre mitocondri e cloroplasti possiedono anche piccoli genomi propri.

4.3 Gene, genoma, cromosoma e alleli

Un gene è una regione di DNA che contribuisce alla produzione di un prodotto funzionale, come una proteina o una molecola di RNA, e alla sua regolazione. Non tutti i geni codificano proteine: esistono geni per RNA ribosomiale, RNA di trasporto e molti RNA regolatori. Il genoma è l'insieme del materiale genetico di un organismo. I cromosomi sono grandi molecole di DNA associate a proteine; nel nucleo delle cellule somatiche umane sono normalmente presenti 46 cromosomi, organizzati in 23 coppie.

Due cromosomi omologhi portano molti degli stessi geni in posizioni corrispondenti, dette loci, ma possono ospitarne varianti differenti, gli alleli. Il genotipo descrive la costituzione genetica considerata, mentre il fenotipo comprende le caratteristiche osservabili e misurabili prodotte dall'interazione tra genotipo, ambiente e sviluppo. Non è corretto immaginare un rapporto sempre diretto di un gene per un carattere: altezza, colore degli occhi e rischio di molte malattie dipendono da numerose varianti genetiche e da fattori ambientali.

4.4 Dall'informazione alla funzione

Nelle cellule l'informazione contenuta nel DNA può essere copiata in RNA attraverso la trascrizione. Un RNA messaggero può poi essere letto dai ribosomi durante la traduzione, che produce una catena polipeptidica. Lo schema DNA→RNA→proteina rappresenta una direzione fondamentale dell'espressione genetica, ma non esaurisce tutte le possibilità: alcuni virus utilizzano la trascrizione inversa, molti RNA hanno funzioni proprie e l'espressione dei geni è regolata a più livelli.

L'informazione genetica non determina automaticamente quante proteine saranno prodotte. Cellule differenti dello stesso organismo, pur condividendo quasi sempre lo stesso DNA nucleare, esprimono insiemi diversi di geni. Un neurone e una cellula muscolare possiedono strutture e funzioni differenti perché attivano programmi di espressione specifici, stabiliti durante il differenziamento cellulare e mantenuti da reti di regolazione.

5. Teoria cellulare e organizzazione dei viventi

5.1 Perché la cellula è l'unità fondamentale

La teoria cellulare afferma che gli organismi sono costituiti da una o più cellule e che le cellule derivano da cellule preesistenti. Una cellula è il più piccolo sistema che, nelle condizioni adatte, può svolgere in modo integrato le funzioni fondamentali della vita. Tutte le cellule sono delimitate da una membrana plasmatica, contengono materiale genetico, usano ribosomi per sintetizzare proteine e possiedono vie metaboliche che regolano gli scambi di energia e materia. Questa unità di fondo è una delle prove più evidenti dell'origine evolutiva comune degli organismi.

Il numero delle cellule non misura da solo la complessità. Un batterio può vivere come individuo unicellulare; un animale pluricellulare richiede un coordinamento tra cellule differenziate. Il rapporto tra superficie e volume aiuta a spiegare perché le cellule siano generalmente piccole: quando una sfera raddoppia il raggio, il volume aumenta otto volte e la superficie soltanto quattro. Poiché gran parte degli scambi avviene attraverso la membrana, una cellula troppo grande incontrerebbe maggiori difficoltà nel rifornire rapidamente tutto il suo volume.

5.2 Procarioti ed eucarioti

I procarioti, che comprendono i domini Bacteria e Archaea, non possiedono un nucleo delimitato da membrana. Il loro DNA principale è localizzato in una regione detta nucleoide; molti contengono anche plasmidi, piccole molecole di DNA indipendenti dal cromosoma principale. Gli eucarioti possiedono invece un nucleo delimitato da un involucro e organuli membranosi specializzati. Questa distinzione è strutturale: non significa che un procariote sia biologicamente inefficiente o privo di organizzazione interna.

Molti batteri hanno pareti cellulari contenenti peptidoglicano, un materiale resistente costituito da zuccheri e brevi peptidi. Gli archei hanno membrane e pareti con caratteristiche chimiche differenti da quelle dei batteri. Negli eucarioti la parete è presente in piante e funghi, ma con composizione diversa: nelle piante predomina la cellulosa, nei funghi la chitina. È quindi errato considerare la parete una struttura esclusiva dei procarioti o immaginare tutte le pareti identiche.

5.3 L'origine degli organuli e l'endosimbiosi

Secondo la teoria endosimbiotica, i mitocondri derivano da batteri aerobi che furono inglobati da antiche cellule ancestrali e instaurarono una relazione stabile. I cloroplasti derivano invece da cianobatteri fotosintetici acquisiti da un antenato delle piante e di molte alghe. L'ipotesi è sostenuta dalla presenza di DNA proprio, ribosomi di tipo batterico, divisione per scissione e somiglianze molecolari con determinati gruppi di batteri.

La simbiosi è un rapporto duraturo tra organismi differenti; può produrre benefici reciproci, ma il termine non implica necessariamente un vantaggio per entrambi. Nel processo endosimbiotico molte funzioni genetiche sono state trasferite al nucleo della cellula ospite. Oggi mitocondri e plastidi dipendono profondamente dalla cellula in cui si trovano e non si comportano come batteri autonomi. Questo caso dimostra che l'evoluzione può produrre complessità non soltanto attraverso competizione e mutazioni, ma anche mediante integrazione di organismi diversi.

5.4 La specializzazione nelle cellule pluricellulari

Nell'organismo pluricellulare le cellule possono avere forme e attività molto diverse. I globuli rossi maturi umani sono adattati al trasporto dei gas e non contengono nucleo; le fibre muscolari scheletriche presentano apparati contrattili; i neuroni hanno prolungamenti capaci di ricevere e trasmettere segnali. Queste differenze emergono durante il differenziamento, processo mediante il quale una cellula acquisisce caratteristiche funzionali specifiche attraverso modificazioni nell'espressione dei geni.

Le cellule non operano isolate. Comunicano attraverso molecole segnale, contatti di membrana e collegamenti specializzati. Le giunzioni serrate riducono il passaggio di sostanze tra cellule vicine; i desmosomi conferiscono resistenza meccanica; le giunzioni comunicanti, o gap junction, permettono il passaggio di piccoli ioni e molecole. La matrice extracellulare, rete esterna costituita tra l'altro da proteine e polisaccaridi, sostiene i tessuti e influenza il comportamento delle cellule che vi aderiscono.

6. La membrana plasmatica e il trasporto

6.1 Il mosaico fluido

La membrana plasmatica è un doppio strato lipidico nel quale sono immerse proteine e altre molecole. Le teste polari dei fosfolipidi sono rivolte verso i liquidi acquosi, mentre le code idrofobe guardano l'interno del doppio strato. Tale disposizione si forma spontaneamente perché il contatto tra code idrofobe e acqua è energeticamente sfavorevole. Il modello a mosaico fluido descrive una struttura dinamica: molte molecole lipidiche possono muoversi lateralmente e le proteine possono modificare conformazione per svolgere le proprie funzioni.

La membrana non è completamente uniforme. I due foglietti lipidici possono contenere quantità differenti di particolari molecole; il colesterolo influenza fluidità e permeabilità delle membrane animali. All'esterno possono trovarsi carboidrati legati a proteine o lipidi, complessivamente coinvolti nel glicocalice, importante per riconoscimento, adesione e protezione. Le proteine di membrana funzionano come recettori, enzimi, canali, trasportatori e punti di ancoraggio del citoscheletro.

6.2 Diffusione e osmosi

La diffusione è il movimento netto spontaneo di particelle da una zona in cui sono più concentrate verso una in cui lo sono meno, come conseguenza dei loro movimenti casuali. Molecole piccole e apolari come ossigeno e anidride carbonica attraversano relativamente facilmente il doppio strato; gli ioni e molte molecole polari richiedono proteine specializzate. Nella diffusione facilitata un canale o un trasportatore permette il passaggio secondo gradiente senza che la cellula debba fornire direttamente energia per spingere il soluto contro gradiente.

L'osmosi è il passaggio netto dell'acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile, in risposta a differenze nel potenziale chimico dell'acqua. In molti esempi didattici l'acqua si muove da una soluzione con minore concentrazione di soluti non permeanti verso una più concentrata. Una soluzione ipotonica può far rigonfiare una cellula animale; una ipertonica può causarne il restringimento; una isotonica tende a mantenerne il volume. Le cellule vegetali, grazie alla parete rigida, possono sviluppare una pressione di turgore che sostiene i tessuti. Non tutti i soluti contribuiscono allo stesso modo alla tonicità: conta soprattutto la loro capacità di attraversare la membrana.

6.3 Trasporto attivo e gradiente elettrochimico

Gli ioni sono influenzati non solo dalla concentrazione ma anche dalla differenza di potenziale elettrico tra i due lati della membrana; l'insieme costituisce il gradiente elettrochimico. Il trasporto attivo primario utilizza direttamente energia proveniente, per esempio, dall'idrolisi di ATP. La pompa sodio-potassio espelle tre ioni Na⁺ e introduce due ioni K⁺ per ciclo, contribuendo a mantenere i gradienti ionici necessari per volume cellulare, trasporto di nutrienti e attività elettrica di neuroni e muscoli.

Il trasporto attivo secondario sfrutta un gradiente già creato da altre pompe. Il cotrasporto sodio-glucosio nell'epitelio intestinale, per esempio, utilizza l'ingresso favorito del sodio per introdurre glucosio contro il gradiente del glucosio stesso. In un simporto due sostanze vengono trasferite nella stessa direzione; in un antiporto in direzioni opposte. I termini descrivono la direzione relativa e non dicono, da soli, se il sistema consumi direttamente ATP. È importante separare il costo energetico complessivo da quello del singolo passaggio.

6.4 Endocitosi, esocitosi e traffico vescicolare

Le molecole molto grandi e le particelle non attraversano semplicemente i canali della membrana. Nell'endocitosi una porzione della membrana si incurva e forma una vescicola che porta materiale dentro la cellula; nella fagocitosi vengono inglobate particelle grandi, per esempio batteri da parte di alcuni globuli bianchi; nella pinocitosi viene acquisito liquido extracellulare. L'endocitosi mediata da recettori permette un assorbimento selettivo: la cellula riconosce determinate molecole mediante recettori di membrana.

Nell'esocitosi una vescicola intracellulare si fonde con la membrana plasmatica e libera il proprio contenuto verso l'esterno. In questo modo possono essere secreti ormoni, enzimi digestivi e neurotrasmettitori. Il traffico vescicolare richiede proteine che riconoscano le membrane di destinazione e sistemi che controllino la fusione. Una cellula non usa quindi una membrana soltanto come confine fisico, ma come componente attiva di una rete di trasporto estremamente organizzata.

7. Organuli e compartimenti cellulari

7.1 Nucleo, cromatina e nucleolo

Il nucleo delle cellule eucariotiche contiene la maggior parte del DNA e separa molti processi di gestione dell'informazione genetica dalle attività del citoplasma. È delimitato da un involucro costituito da due membrane, interrotte da pori nucleari che regolano il passaggio di proteine e RNA. Nel nucleo il DNA è associato agli istoni; quando questa struttura è relativamente accessibile a molte proteine regolatrici si parla spesso di eucromatina, mentre regioni più compatte sono classificate come eterocromatina. Si tratta di distinzioni funzionali e strutturali, non di categorie sempre rigidamente separate.

Il nucleolo è una regione nucleare dove vengono prodotti e processati importanti RNA ribosomiali e dove iniziano a essere assemblate le subunità dei ribosomi. Le subunità raggiungono poi il citoplasma, dove possono partecipare alla traduzione degli RNA messaggeri. La presenza di pori nucleari, complessi proteici e segnali di localizzazione permette alla cellula di distinguere i materiali che devono restare nel nucleo da quelli destinati al citoplasma.

7.2 Ribosomi, reticolo e apparato di Golgi

I ribosomi sono complessi di RNA e proteine nei quali avviene la sintesi delle catene polipeptidiche. Possono trovarsi liberi nel citosol oppure associati al reticolo endoplasmatico rugoso (RER). Il RER è un sistema di membrane nel quale entrano molte proteine destinate alla secrezione, alla membrana o a specifici organuli; al suo interno iniziano ripiegamento e modificazioni chimiche. Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) è coinvolto nella produzione di lipidi, nella detossificazione e, in cellule specializzate, nella regolazione del calcio.

L'apparato di Golgi è costituito da cisterne membranose in successione e riceve materiali dal reticolo. Numerose proteine vi subiscono ulteriori modificazioni, come l'aggiunta o il rimaneggiamento di catene zuccherine, e vengono indirizzate verso la destinazione corretta. Il Golgi non è la sede principale della sintesi iniziale delle proteine: questa è funzione dei ribosomi. Possiamo paragonare il sistema RER-Golgi-vescicole a un processo di produzione, controllo e smistamento, purché si ricordi che il traffico dipende da riconoscimenti molecolari precisi e non da decisioni coscienti.

7.3 Mitocondri, lisosomi e perossisomi

I mitocondri possiedono una membrana esterna e una interna, quest'ultima ripiegata in creste. Nella matrice mitocondriale avvengono molte reazioni del metabolismo energetico; sulla membrana interna è presente una catena di trasporto degli elettroni che contribuisce alla produzione di ATP. Questi organuli partecipano anche all'equilibrio del calcio, alla regolazione della morte cellulare programmata e ad altre funzioni. Pur possedendo un piccolo DNA proprio, dipendono da numerose proteine codificate nel nucleo.

I lisosomi sono compartimenti ricchi di enzimi digestivi che operano in ambiente acido: degradano macromolecole e componenti cellulari destinati al riciclo. I perossisomi partecipano all'ossidazione di particolari molecole, compresi alcuni acidi grassi, e contengono enzimi come la catalasi, capace di demolire perossido di idrogeno. Il riciclo ordinato di strutture intracellulari, detto autofagia, contribuisce a eliminare componenti danneggiati e a recuperare materia riutilizzabile.

7.4 Citoscheletro, ciglia e movimento

Il citoscheletro è una rete dinamica di filamenti proteici. I microfilamenti sono principalmente formati da actina e partecipano ai cambiamenti di forma e alla contrazione; i microtubuli sono costituiti da tubulina e funzionano come supporti per il trasporto intracellulare e per la separazione dei cromosomi; i filamenti intermedi conferiscono resistenza meccanica. Le proteine motrici utilizzano ATP per muoversi lungo specifici filamenti trasportando vescicole, organuli o producendo forza.

Le ciglia e i flagelli eucariotici contengono un'architettura di microtubuli, spesso con organizzazione 9+2, e motori chiamati dineine che ne permettono il movimento. Le ciglia dell'epitelio respiratorio spostano muco e particelle, mentre il flagello dello spermatozoo contribuisce alla locomozione. I flagelli batterici hanno struttura e meccanismo differenti: sono motori molecolari rotativi, spesso alimentati da un gradiente di ioni. La somiglianza del nome non implica dunque identità strutturale.

8. Cellula vegetale e fotosintesi

8.1 Parete cellulare, vacuolo e plastidi

La cellula vegetale è eucariotica e possiede, oltre agli organuli comuni, una parete ricca di cellulosa, plastidi e spesso un grande vacuolo centrale. La parete sostiene la cellula e contrasta la pressione dovuta all'ingresso di acqua. Il vacuolo, delimitato dal tonoplasto, contiene una soluzione di sali, sostanze organiche e pigmenti; contribuisce al turgore e all'immagazzinamento e può partecipare alla degradazione di molecole. La parete non impedisce ogni comunicazione: attraverso i plasmodesmi cellule vegetali vicine scambiano piccole molecole e segnali.

Tra i plastidi si distinguono i cloroplasti, che svolgono la fotosintesi, i cromoplasti, ricchi di pigmenti colorati, e plastidi specializzati nell'accumulo di sostanze di riserva, come gli amiloplasti. I cloroplasti possiedono due membrane esterne al sistema interno dei tilacoidi, sacche membranose spesso disposte in pile chiamate grana. Il liquido che circonda i tilacoidi prende il nome di stroma. Questa organizzazione separa le reazioni che catturano energia luminosa da quelle che utilizzano tale energia per incorporare carbonio in composti organici.

8.2 Luce, clorofilla e catena degli elettroni

Nella fotosintesi ossigenica, tipica di piante, alghe e cianobatteri, l'energia luminosa viene catturata da pigmenti organizzati in complessi proteici chiamati fotosistemi. La clorofilla assorbe soprattutto alcune lunghezze d'onda della luce rossa e blu, mentre riflette maggiormente la componente verde. Nei tilacoidi il fotosistema II utilizza l'energia luminosa per avviare il trasferimento di elettroni; l'acqua viene ossidata e si libera ossigeno molecolare. Gli elettroni percorrono una catena di trasporto che contribuisce a creare un gradiente di protoni.

La forza prodotta dal gradiente consente all'ATP sintasi di formare ATP, mentre il fotosistema I favorisce la produzione di NADPH, un trasportatore di elettroni ad alta energia. ATP e NADPH non sono il prodotto finale della fotosintesi: costituiscono strumenti energetici e riducenti per la successiva fissazione del carbonio. La sequenza generale può essere descritta con la reazione bilanciata 6 CO₂ + 6 H₂O + luce → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, ricordando però che la formazione di uno zucchero non avviene in una singola reazione diretta.

8.3 Ciclo di Calvin e produzione di sostanze organiche

Nello stroma si svolge il ciclo di Calvin-Benson, un insieme di reazioni che incorpora il carbonio della CO₂ in molecole organiche. L'enzima RuBisCO lega la CO₂ a una molecola a cinque atomi di carbonio, il ribulosio-1,5-bisfosfato (RuBP). Il composto instabile che ne deriva viene trasformato in molecole a tre atomi di carbonio. Grazie all'ATP e al NADPH prodotti dalle reazioni luminose, una parte di questi intermedi viene ridotta a triosi fosfati, che possono essere utilizzati per sintetizzare zuccheri e altre sostanze.

La parte restante degli intermedi viene impiegata per rigenerare RuBP, permettendo al ciclo di continuare. Per ottenere il bilancio netto di una molecola di G3P, una trioso-fosfato, sono necessarie tre CO₂, nove ATP e sei NADPH. L'espressione fase oscura, talvolta usata per il ciclo di Calvin, può trarre in inganno: non significa che avvenga preferibilmente di notte, ma che non impiega direttamente fotoni nella propria sequenza di reazioni. Nelle piante è comunque fortemente collegata all'illuminazione e ai prodotti della fase luminosa.

8.4 Fattori limitanti e strategie C3, C4 e CAM

La velocità fotosintetica dipende dall'intensità della luce, dalla disponibilità di CO₂ e acqua, dalla temperatura e dallo stato fisiologico della pianta. Un fattore limitante è la risorsa o condizione che, in quel momento, impedisce un ulteriore aumento della velocità di un processo. La RuBisCO può legare anche ossigeno, avviando la fotorespirazione, fenomeno che consuma energia e riduce l'efficienza della fissazione netta del carbonio. Le piante hanno sviluppato strategie differenti per limitare questo problema.

Le piante C3 incorporano inizialmente la CO₂ in composti a tre atomi di carbonio. Le piante C4, come il mais, concentrano CO₂ in cellule specializzate, riducendo la fotorespirazione in ambienti caldi e luminosi. Le piante CAM, tipiche di numerose succulente, aprono prevalentemente gli stomi di notte e conservano temporaneamente carbonio in acidi organici, limitando la perdita di acqua durante il giorno. Queste strategie non sono graduatorie di superiorità assoluta: ciascuna comporta vantaggi e costi in ambienti diversi.

9. Enzimi, energia e metabolismo

9.1 Reazioni energetiche e accoppiamento

Il metabolismo comprende tutte le trasformazioni chimiche di una cellula. Nel catabolismo molecole relativamente complesse vengono convertite in prodotti più semplici, spesso rendendo disponibile energia utilizzabile; nell'anabolismo la cellula sintetizza strutture complesse, generalmente impiegando energia e materia. È utile distinguere questi processi senza immaginarli come compartimenti indipendenti: molte molecole intermedie collegano vie diverse. Per esempio, il glucosio può essere degradato per ricavare ATP oppure convertito in materiali di riserva e in precursori di altre molecole.

Una reazione è esoergonica se comporta una variazione negativa dell'energia libera di Gibbs, ΔG < 0, nelle condizioni considerate; è endoergonica se ΔG > 0. Il simbolo Δ indica una variazione, mentre G rappresenta una grandezza termodinamica che esprime la tendenza della trasformazione. Le cellule possono accoppiare una reazione sfavorevole a una favorevole, in modo che il bilancio complessivo abbia ΔG negativo. La termodinamica non dice quanto una reazione sia veloce: una trasformazione energeticamente favorevole può essere lentissima se incontra un'elevata barriera di attivazione.

9.2 ATP: un intermediario energetico

L'adenosina trifosfato (ATP) contiene una base azotata, adenina, uno zucchero, ribosio, e tre gruppi fosfato. La sua idrolisi a ADP e fosfato inorganico può risultare fortemente esoergonica nelle condizioni cellulari: ATP + H₂O → ADP + Pᵢ + energia libera. Non bisogna dire che l'energia venga liberata semplicemente perché si spezza un legame: rompere un legame richiede energia; il bilancio favorevole dipende anche dalla formazione di legami nei prodotti, dalla loro stabilizzazione e dalle condizioni della soluzione.

L'ATP alimenta il trasporto attivo, il movimento di proteine motrici e numerose reazioni di sintesi. La cellula non conserva, in generale, grandi scorte di ATP per tempi lunghi, ma lo rigenera continuamente usando l'energia dei nutrienti o della luce. Altri nucleotidi, come GTP, partecipano a processi specifici. Il trasferimento di gruppi fosfato alle proteine, detto fosforilazione, può modificarne attività, forma e capacità di interazione, svolgendo una funzione regolatrice oltre a quella energetica.

9.3 Come agiscono gli enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori biologici, generalmente proteine, anche se alcuni RNA possono svolgere attività catalitica e prendono il nome di ribozimi. Un catalizzatore aumenta la velocità con cui una reazione raggiunge l'equilibrio abbassando l'energia di attivazione, ma non altera il bilancio termodinamico né la posizione finale dell'equilibrio. Il substrato si lega a una regione detta sito attivo. Le interazioni che avvengono nel sito attivo stabilizzano lo stato di transizione, cioè una configurazione energeticamente instabile attraversata durante la trasformazione.

Un enzima non è una serratura completamente rigida. Nel modello dell'adattamento indotto, il legame con il substrato favorisce cambiamenti conformazionali che migliorano la catalisi. Numerosi enzimi richiedono cofattori, come ioni metallici, o coenzimi, molecole organiche che partecipano al trasferimento di gruppi o elettroni. La velocità dipende da temperatura, pH, quantità di substrato e disponibilità di cofattori. Gli inibitori possono legarsi al sito attivo o ad altre regioni e impedire l'attività; alcuni farmaci agiscono proprio bloccando enzimi essenziali di microrganismi o cellule umane.

9.4 Vie metaboliche e regolazione

Una via metabolica è una sequenza di reazioni nelle quali il prodotto di un passaggio diventa il substrato del successivo. In questo modo la cellula può controllare il flusso della materia e recuperare una parte dell'energia disponibile in passaggi graduali. Un punto strategico di controllo è spesso una reazione difficilmente reversibile nelle condizioni intracellulari. Gli enzimi che la catalizzano possono rispondere a segnali ormonali, a modificazioni chimiche oppure alla concentrazione dei metaboliti.

Nell'inibizione da prodotto finale, un prodotto accumulato riduce l'attività di un enzima iniziale della stessa via: ciò evita di consumare risorse per produrre quantità non necessarie. La regolazione allosterica si realizza quando una molecola si lega a un sito diverso da quello attivo e modifica l'attività dell'enzima. Molte vie sono inoltre distribuite in compartimenti diversi: la glicolisi avviene nel citosol, mentre numerose reazioni del ciclo dell'acido citrico avvengono nella matrice mitocondriale. Questa separazione facilita il controllo e impedisce interferenze tra processi incompatibili.

10. Respirazione cellulare e fermentazioni

10.1 Il significato della respirazione cellulare

La respirazione cellulare aerobica è l'insieme di processi mediante i quali l'energia dei composti organici viene resa disponibile per la sintesi di ATP, con l'ossigeno come accettore finale degli elettroni della catena respiratoria. La reazione complessiva dell'ossidazione del glucosio può essere rappresentata con C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energia. Questa scrittura è un bilancio complessivo, non un singolo passaggio. La degradazione del glucosio avviene attraverso numerose reazioni catalizzate da enzimi, con trasferimenti controllati di elettroni.

I trasportatori NAD⁺/NADH e FAD/FADH₂ raccolgono elettroni provenienti dall'ossidazione dei nutrienti. Una sostanza si ossida quando perde elettroni, mentre si riduce quando li acquista. Le due trasformazioni avvengono insieme: gli elettroni ceduti da una molecola devono essere accettati da un'altra. Il metabolismo energetico è quindi anche un sistema di controllo delle reazioni di ossidoriduzione, o reazioni redox.

10.2 La glicolisi, passo dopo passo

La glicolisi avviene nel citosol e trasforma una molecola di glucosio, che possiede sei atomi di carbonio, in due molecole di piruvato, ciascuna con tre atomi di carbonio. Nella fase iniziale vengono consumate due molecole di ATP per rendere più reattivi gli intermedi. Una molecola di fruttosio-1,6-bisfosfato viene poi divisa in due triosi. Nella fase successiva le triosi vengono ossidate e si formano ATP e NADH. Poiché ogni passaggio della seconda fase si verifica due volte, per ogni glucosio il bilancio netto è di due ATP, due NADH e due piruvati.

La glicolisi non richiede direttamente ossigeno e può procedere in condizioni sia aerobiche sia anaerobiche, purché venga rigenerato NAD⁺. Non è corretto confondere la glicolisi con la fermentazione: la glicolisi è una via metabolica; la fermentazione è uno dei modi con cui alcune cellule possono rigenerare il NAD⁺ necessario a mantenerla attiva. Negli organismi aerobi il piruvato prodotto può invece entrare in percorsi di ossidazione più completi, fornendo alla cellula una quantità di ATP molto maggiore rispetto a quella ottenuta dalla sola glicolisi.

10.3 Ossidazione del piruvato e ciclo dell'acido citrico

In molte cellule eucariotiche aerobiche il piruvato raggiunge il mitocondrio. Il complesso della piruvato deidrogenasi lo trasforma in acetil-CoA, liberando anidride carbonica e formando NADH. L'acetil-coenzima A, molecola che trasporta un gruppo acetile a due atomi di carbonio, entra nel ciclo dell'acido citrico o ciclo di Krebs. Il gruppo acetile si combina con l'ossalacetato, una molecola a quattro atomi di carbonio, formando citrato a sei atomi di carbonio; dopo una serie di trasformazioni l'ossalacetato viene rigenerato.

Per ogni gruppo acetile ossidato il ciclo produce normalmente tre NADH, un FADH₂, una molecola di GTP o ATP equivalente e due CO₂. Poiché una molecola di glucosio genera due acetil-CoA, questi valori vanno raddoppiati. Il ciclo dell'acido citrico non è soltanto una via di degradazione: i suoi intermedi possono essere impiegati per sintetizzare amminoacidi e altri composti. Per questo si definisce una via anfibolica, con funzioni sia cataboliche sia anaboliche. I metaboliti sottratti per la sintesi devono essere reintegrati attraverso reazioni appropriate.

10.4 Catena respiratoria e chemiosmosi

La catena di trasporto degli elettroni è composta da complessi proteici situati nella membrana mitocondriale interna. Gli elettroni portati da NADH e FADH₂ vengono trasferiti attraverso una serie di trasportatori fino all'ossigeno, che viene ridotto formando acqua. L'energia liberata lungo il percorso è usata da alcuni complessi per pompare protoni dalla matrice verso lo spazio intermembrana. Nasce così un gradiente protonico, che comprende una differenza di concentrazione e una differenza di carica elettrica.

I protoni tendono a rientrare nella matrice e possono attraversare un complesso proteico chiamato ATP sintasi. Questo enzima converte l'energia del flusso protonico in energia chimica necessaria a formare ATP da ADP e fosfato. Il processo prende il nome di fosforilazione ossidativa. In condizioni comunemente considerate per cellule eucariotiche, l'ossidazione completa di un glucosio fornisce approssimativamente 30-32 ATP, con variazioni dipendenti dalle navette degli elettroni e dall'efficienza dei sistemi di trasporto. I valori fissi di 36 o 38 ATP, presenti in molte esposizioni tradizionali, sono semplificazioni storiche e non rappresentano una resa universale.

10.5 Fermentazione e respirazione anaerobica

Quando non è possibile utilizzare una catena respiratoria aerobica, alcune cellule rigenerano NAD⁺ attraverso fermentazioni, che trasferiscono gli elettroni dell'NADH a molecole organiche. Nella fermentazione lattica il piruvato viene ridotto a lattato; nella fermentazione alcolica, tipica di molti lieviti, il piruvato viene prima trasformato in acetaldeide, liberando CO₂, e poi ridotto a etanolo. La fermentazione rende possibile la prosecuzione della glicolisi, ma non produce direttamente grandi quantità aggiuntive di ATP oltre a quelle della glicolisi stessa.

La respirazione anaerobica è un processo differente: utilizza una catena di trasporto degli elettroni ma impiega accettori finali diversi dall'ossigeno, come nitrato o solfato in specifici microrganismi. Fermentazione e respirazione anaerobica non sono dunque sinonimi. Nei muscoli umani la produzione di lattato può aumentare durante esercizi molto intensi; il lattato non è soltanto uno scarto, ma può essere trasportato e utilizzato da altri tessuti come combustibile o convertito in glucosio, secondo le condizioni metaboliche.

11. Il ciclo cellulare e la divisione

11.1 Le fasi del ciclo

Il ciclo cellulare è la successione ordinata di eventi che porta una cellula dalla propria formazione a un'eventuale nuova divisione. L'interfase comprende G1, S e G2: durante G1 la cellula cresce e valuta le condizioni interne ed esterne; nella fase S replica il DNA; in G2 prepara le strutture necessarie alla divisione. Segue la fase M, che comprende la divisione del nucleo, detta mitosi, e normalmente la citocinesi, separazione del citoplasma in due cellule. Alcune cellule possono uscire dal ciclo attivo ed entrare in una condizione indicata come G0.

La progressione del ciclo è controllata da proteine regolatrici, tra cui cicline e chinasi ciclina-dipendenti (CDK). Le chinasi sono enzimi che trasferiscono gruppi fosfato a proteine bersaglio. I punti di controllo monitorano la disponibilità di nutrienti, l'integrità del DNA e il corretto attacco dei cromosomi al fuso. Quando emergono danni importanti, il ciclo può arrestarsi per consentire la riparazione oppure possono attivarsi percorsi che conducono alla morte cellulare programmata. La perdita di questi controlli favorisce la proliferazione incontrollata che caratterizza i tumori.

11.2 Cromatina, cromosomi e quantità di DNA

Un cromosoma è una molecola di DNA associata a proteine; prima della replicazione contiene una cromatide, mentre dopo la fase S comprende due cromatidi fratelli, ciascuno con una molecola di DNA, tenuti insieme in regioni specifiche. Il centromero è un tratto cromosomico sul quale si assembla il cinetocore, complesso proteico che permette l'attacco dei microtubuli del fuso. È importante distinguere il numero di cromosomi dal numero di molecole di DNA: una cellula umana diploide prima della fase S possiede 46 cromosomi e 46 cromatidi, mentre dopo la replicazione possiede ancora 46 cromosomi, ma 92 cromatidi.

La sigla 2n si riferisce alla ploidia, cioè al numero di serie cromosomiche, e non va confusa con la quantità di DNA, spesso descritta con l'unità C. Una cellula diploide in G1 è 2n, 2C; dopo la fase S è ancora 2n, ma 4C. Questa distinzione evita un errore frequente: la duplicazione del DNA non trasforma una cellula diploide in tetraploide. La ploidia cambia quando cambia il numero delle serie di cromosomi, non quando un cromosoma replica i suoi cromatidi.

11.3 Le fasi della mitosi

Nella profase i cromosomi iniziano a condensarsi e si organizza il fuso mitotico. Durante la prometafase l'involucro nucleare si disgrega e i microtubuli raggiungono i cinetocori. In metafase i cromosomi risultano allineati lungo il piano equatoriale della cellula: questa disposizione rende possibile controllare che i cromatidi fratelli siano connessi ai poli opposti. In anafase le proteine che mantengono uniti i cromatidi vengono scisse e i cromatidi si separano, diventando cromosomi indipendenti diretti ai due poli.

In telofase intorno ai due gruppi di cromosomi si riformano gli involucri nucleari e la cromatina tende a decondensarsi. La citocinesi completa la separazione: nelle cellule animali un anello contrattile di actina e miosina restringe la superficie cellulare, mentre nelle cellule vegetali si forma progressivamente una piastra cellulare dalla quale deriva la nuova parete di separazione. La mitosi conserva normalmente il numero di cromosomi ed è indispensabile per crescita, riparazione dei tessuti e riproduzione asessuata di molti organismi.

11.4 Regolazione, morte cellulare e cancro

Non tutte le cellule di un organismo proliferano con la stessa frequenza. Le cellule staminali possono mantenere capacità di autorinnovamento e generare discendenti specializzati; molte cellule differenziate hanno invece una capacità proliferativa limitata. In presenza di stress o danni irreparabili può attivarsi l'apoptosi, una morte cellulare programmata nella quale la cellula viene smantellata in maniera controllata. È diversa dalla necrosi, che spesso consegue a un danno acuto e può provocare una risposta infiammatoria importante.

Il cancro non deriva semplicemente da cellule che si dividono velocemente: emerge attraverso l'accumulo e la selezione di alterazioni che favoriscono proliferazione, sopravvivenza e capacità di invadere i tessuti. Alcune alterazioni attivano oncogeni, varianti di geni che stimolano crescita e sopravvivenza; altre inattivano geni oncosoppressori, che normalmente limitano la proliferazione o promuovono riparazione e morte cellulare. Il sistema immunitario, il microambiente dei tessuti e le interazioni tra cellule contribuiscono a determinare il comportamento del tumore.

12. Replicazione del DNA, riparazione e mutazioni

12.1 Una duplicazione semiconservativa

La replicazione del DNA è detta semiconservativa perché ciascuna delle due molecole figlie contiene un filamento proveniente dalla molecola iniziale e uno sintetizzato da nuovo. Inizia in regioni specifiche chiamate origini di replicazione. Le elicasi separano progressivamente i filamenti, mentre proteine che si legano al DNA a singolo filamento ne limitano l'riappaiamento. Le topoisomerasi riducono le tensioni prodotte dall'apertura della doppia elica. Nelle cellule eucariotiche sono presenti numerose origini lungo i cromosomi, così da rendere possibile la duplicazione di grandi quantità di DNA in tempi adeguati.

Le DNA polimerasi aggiungono nucleotidi sempre alla terminazione 3′ di una catena in crescita, sintetizzando quindi in direzione 5′→3′. La maggior parte delle polimerasi replicative richiede un'estremità preesistente fornita da un breve primer, prodotto da attività di primasi. La specificità dell'appaiamento tra basi consente un'elevata accuratezza; molte polimerasi possiedono anche una funzione di correzione, detta proofreading, che rimuove nucleotidi inseriti in modo errato prima di continuare la sintesi.

12.2 Filamento guida e filamento lento

I due filamenti del DNA sono antiparalleli e le DNA polimerasi possono procedere soltanto in un verso di sintesi. Per questo, a ogni forcella replicativa, uno dei nuovi filamenti viene prodotto in modo prevalentemente continuo, il filamento guida; l'altro viene sintetizzato in segmenti successivi chiamati frammenti di Okazaki, formando il filamento lento. Una volta eliminati e sostituiti i primer, la DNA ligasi unisce i frammenti mediante legami covalenti nello scheletro zucchero-fosfato.

La replicazione è un processo coordinato: proteine diverse devono aprire il DNA, sintetizzare i primer, allungare le catene, correggere errori e chiudere le interruzioni. All'estremità dei cromosomi lineari eucariotici sono presenti regioni chiamate telomeri. In molte cellule la loro lunghezza tende a ridursi con le divisioni; la telomerasi può estenderli in cellule specializzate, incluse molte cellule germinali e numerose cellule tumorali. Il ruolo dei telomeri dipende anche da proteine che li proteggono dal riconoscimento errato come DNA danneggiato.

12.3 Sistemi di riparazione del DNA

Il DNA può subire alterazioni dovute a errori di replicazione, prodotti normali del metabolismo, raggi ultravioletti e sostanze chimiche. Le cellule possiedono diversi sistemi di riparazione del DNA, ciascuno specializzato in particolari lesioni. Il mismatch repair corregge molti errori di appaiamento sfuggiti al proofreading; la riparazione per escissione rimuove basi danneggiate o tratti di DNA alterati; le rotture del doppio filamento possono essere riparate mediante ricombinazione omologa o congiunzione delle estremità.

La ricombinazione omologa utilizza una sequenza simile come guida ed è normalmente più accurata quando è disponibile un cromatidio fratello. La congiunzione non omologa delle estremità può essere più rapida ma talvolta introduce piccole modificazioni. Un difetto nei sistemi di riparazione può aumentare la frequenza delle mutazioni e, in determinate circostanze, il rischio di sviluppare tumori. Riparare il DNA non equivale però a eliminare ogni variazione: le mutazioni sono rare, ma costituiscono una delle fonti fondamentali della variabilità genetica.

12.4 Mutazioni geniche e cromosomiche

Una mutazione è una modificazione stabile dell'informazione genetica. Può consistere nella sostituzione di una base, nell'inserzione o eliminazione di nucleotidi, nella duplicazione di un tratto, nell'inversione di segmenti o in riarrangiamenti più estesi. Una sostituzione in una regione codificante può essere sinonima, se non cambia l'amminoacido, missenso, se sostituisce un amminoacido, oppure nonsenso, se genera un segnale di terminazione. Inserzioni e delezioni non multiple di tre possono modificare la cornice di lettura, producendo un frameshift.

Gli effetti delle mutazioni non sono sempre dannosi, né è corretto affermare che tutto il DNA non codificante sia privo di funzione. Una modifica può non avere conseguenze rilevabili, essere sfavorevole o, in particolari ambienti, offrire un vantaggio. Le mutazioni nelle cellule germinali possono essere trasmesse alla discendenza; quelle nelle cellule somatiche interessano le linee cellulari dell'individuo e in genere non sono ereditate dai figli. A livello cromosomico possono verificarsi alterazioni nel numero di cromosomi, dette aneuploidie, spesso legate a errori di separazione durante la meiosi.

13. Trascrizione, codice genetico e sintesi proteica

13.1 La trascrizione

La trascrizione è il processo mediante il quale una RNA polimerasi produce una molecola di RNA utilizzando come stampo un tratto di DNA. L'enzima legge il filamento stampo in direzione 3′→5′ e sintetizza il nuovo RNA 5′→3′. La sequenza dell'RNA è complementare al filamento stampo e corrisponde, salvo la presenza di uracile al posto della timina, a quella del filamento codificante. Un promotore è una regione del DNA che permette il reclutamento della macchina trascrizionale; altri segmenti regolatori possono aumentare o ridurre la probabilità di trascrizione.

Negli eucarioti la trascrizione dei geni che codificano proteine è svolta principalmente dalla RNA polimerasi II. Il primo prodotto, spesso chiamato pre-mRNA, contiene regioni che resteranno nel messaggio maturo e regioni che verranno rimosse. Nei procarioti, privi di un nucleo separato, trascrizione e traduzione possono essere strettamente collegate nello stesso compartimento. La separazione spaziale negli eucarioti permette invece un numero maggiore di passaggi regolatori prima che l'RNA raggiunga i ribosomi.

13.2 Maturazione dell'RNA e splicing

L'RNA messaggero di molti geni eucariotici subisce tre importanti processi. All'estremità 5′ viene aggiunto un cappuccio, struttura chimica che protegge il trascritto e aiuta l'inizio della traduzione. All'estremità 3′ viene spesso aggiunta una coda poli-A, che influenza stabilità e utilizzo dell'RNA. Durante lo splicing, un complesso chiamato spliceosoma rimuove gli introni e collega gli esoni. In generale gli esoni sono le parti conservate nel trascritto maturo, mentre gli introni sono quelle eliminate durante lo splicing.

Con lo splicing alternativo uno stesso gene può produrre più varianti di RNA, potenzialmente associate a proteine differenti. Questa possibilità contribuisce alla diversità dei prodotti genetici senza richiedere un gene separato per ogni variante proteica. Esistono anche controlli sulla stabilità degli RNA: una molecola di mRNA non resta necessariamente disponibile per sempre, ma può essere progressivamente degradata. Quanto più a lungo rimane integra e traducibile, tanto maggiore può risultare la quantità di proteina prodotta, a parità delle altre condizioni.

13.3 Il codice genetico e il significato dei codoni

Il codice genetico è l'insieme delle regole con cui le triplette dell'mRNA, chiamate codoni, vengono associate ad amminoacidi o a segnali di terminazione. Poiché le basi possibili sono quattro e ciascun codone contiene tre posizioni, esistono 4³ = 64 codoni. Nella versione standard del codice genetico, 61 codoni specificano amminoacidi e tre sono codoni di stop. Il codone AUG indica normalmente metionina e svolge spesso la funzione di inizio della traduzione. Il codice è definito degenerato perché più codoni possono specificare lo stesso amminoacido.

La degenerazione spiega perché alcune sostituzioni di basi possano non modificare la sequenza proteica. Il codice genetico è inoltre quasi universale, fatto coerente con l'origine comune dei viventi, ma esistono eccezioni in mitocondri e in alcuni organismi. Per leggere correttamente un mRNA occorre individuare il quadro di lettura: se si comincia a raggruppare le basi da un punto diverso, cambiano tutti i codoni successivi. Questo concetto è fondamentale per comprendere le conseguenze delle inserzioni o delle delezioni che causano frameshift.

13.4 La traduzione al ribosoma

Durante la traduzione, un ribosoma avanza sull'mRNA e collega amminoacidi in una catena polipeptidica. Le molecole di tRNA trasportano ciascuna un determinato amminoacido e possiedono un anticodone, sequenza complementare a un codone dell'mRNA. Enzimi chiamati amminoacil-tRNA sintetasi associano correttamente gli amminoacidi ai rispettivi tRNA, utilizzando energia. Il ribosoma offre siti funzionali nei quali il tRNA entra, contribuisce all'allungamento della catena e successivamente viene rilasciato.

L'iniziazione stabilisce la corretta posizione di partenza; l'allungamento procede con la formazione di legami peptidici; la terminazione avviene quando un codone di stop viene riconosciuto da fattori specifici, che favoriscono il rilascio della proteina. La catena polipeptidica può poi ripiegarsi, associarsi ad altre subunità e subire modificazioni chimiche prima di diventare funzionale. Il passaggio DNA→RNA→proteina non è quindi una conversione istantanea: comprende riconoscimenti molecolari, controlli di qualità e numerose tappe coordinate.

14. Meiosi, riproduzione sessuata ed ereditarietà

14.1 Aploide, diploide e significato della meiosi

Negli organismi con riproduzione sessuata la fusione dei gameti, detta fecondazione, unisce due patrimoni genetici. Se ogni gamete possedesse lo stesso numero di cromosomi della cellula di partenza, il numero crescerebbe a ogni generazione. La meiosi riduce il numero delle serie cromosomiche prima della fecondazione. Negli esseri umani una cellula germinale diploide con 46 cromosomi può dare origine, attraverso il percorso meiotico, a cellule aploidi con 23 cromosomi. In questo modo la fecondazione ripristina normalmente il numero diploide.

La meiosi è preceduta da una sola duplicazione del DNA, seguita da due divisioni successive, meiosi I e meiosi II. Durante la prima vengono separati i cromosomi omologhi, mentre nella seconda si separano i cromatidi fratelli. Dopo la prima divisione ogni cellula è aploide, pur possedendo ancora cromosomi costituiti da due cromatidi. La meiosi non genera quindi semplicemente copie identiche: forma combinazioni nuove di materiale genetico, indispensabili per la variabilità prodotta dalla riproduzione sessuata.

14.2 Crossing-over e assortimento indipendente

Durante la profase I i cromosomi omologhi si appaiano in un processo detto sinapsi. Tra cromatidi non fratelli possono avvenire scambi reciproci di segmenti di DNA, chiamati crossing-over. Le regioni coinvolte vengono tagliate e ricongiunte mediante sistemi enzimatici, generando cromatidi ricombinanti, cioè contenenti combinazioni di varianti genetiche differenti da quelle iniziali. I punti di contatto visibili in alcuni stadi prendono il nome di chiasmi.

In metafase I le coppie di omologhi si orientano in modo sostanzialmente indipendente rispetto alle altre coppie. L'assortimento indipendente contribuisce così a distribuire cromosomi di origine materna e paterna in combinazioni diverse. Per 23 coppie esistono, considerando soltanto questo meccanismo e ignorando il crossing-over, 2²³ possibili combinazioni cromosomiche per gamete. La fecondazione casuale aumenta ulteriormente le combinazioni possibili. La variabilità non è un inconveniente della riproduzione sessuata: rappresenta il materiale su cui possono agire selezione e altri meccanismi evolutivi.

14.3 Quando la meiosi non procede correttamente

Un errore di separazione dei cromosomi, detto non-disgiunzione, può produrre gameti con un cromosoma in più o in meno. Dopo la fecondazione possono derivarne aneuploidie, come alcune trisomie. La trisomia 21 è caratterizzata dalla presenza di tre copie del cromosoma 21, in forma completa oppure in particolari configurazioni cromosomiche. Le conseguenze di un'aneuploidia dipendono dal cromosoma interessato, dal tipo di alterazione e dall'eventuale presenza di mosaici cellulari.

Gli errori della meiosi non vanno confusi con le mutazioni puntiformi: cambiare il numero dei cromosomi non equivale a modificare una singola base del DNA. Si distinguono inoltre alterazioni strutturali, come traslocazioni o delezioni di segmenti. Alcune variazioni sono incompatibili con lo sviluppo, altre producono caratteristiche differenti con ampia variabilità individuale. In ogni caso, la comprensione scientifica richiede di descrivere il meccanismo genetico senza ricondurre l'intera identità di una persona alla presenza di una specifica condizione cromosomica.

14.4 Riproduzione asessuata e sessuata a confronto

Nella riproduzione asessuata un organismo genera discendenti senza fusione di gameti. Può avvenire mediante scissione binaria, gemmazione, frammentazione o propagazione vegetativa. La discendenza tende a essere geneticamente molto simile al genitore, salvo mutazioni o altri meccanismi di variazione. Nella riproduzione sessuata, invece, la combinazione dei patrimoni genetici di gameti differenti e la ricombinazione rendono normalmente i discendenti diversi tra loro e dai genitori.

Non esiste una strategia universalmente migliore. La riproduzione asessuata può consentire una crescita rapida in ambienti stabili e favorevoli; la riproduzione sessuata comporta costi energetici e organizzativi, ma favorisce nuove combinazioni alleliche. Alcuni organismi alternano le due modalità in funzione delle condizioni ambientali. Nelle piante il ciclo biologico comprende spesso un'alternanza di generazioni aploidi e diploidi, un meccanismo che non può essere descritto correttamente applicando senza modifiche lo schema della riproduzione dei mammiferi.

15. Le leggi di Mendel e la genetica classica

15.1 Caratteri, alleli e incroci

La genetica studia la trasmissione e l'espressione delle caratteristiche ereditarie. Gregor Mendel, analizzando incroci tra piante di pisello con caratteri distinguibili, mostrò che i fattori ereditari non si mescolano irreversibilmente ma vengono trasmessi come unità discrete. Oggi sappiamo che questi fattori corrispondono, in molti casi, a differenti alleli di un gene. Un individuo è omozigote per un determinato locus quando possiede due copie dello stesso allele, ed è eterozigote quando ne possiede due differenti, considerando un organismo diploide e un locus autosomico.

Nei modelli più semplici, un allele è dominante se determina il fenotipo nell'eterozigote, mentre uno è recessivo se il proprio effetto fenotipico emerge nell'omozigote in presenza del modello considerato. Dominante non significa più comune, migliore o più forte: descrive il comportamento dell'allele in una combinazione genotipica specifica. Le lettere maiuscole e minuscole, come A e a, sono una convenzione per risolvere incroci; non rappresentano una differenza di dimensione tra geni reali.

15.2 Segregazione e quadrato di Punnett

La legge della segregazione afferma che, in un organismo diploide, i due alleli di un locus vengono normalmente separati durante la formazione dei gameti, per cui ciascun gamete ne riceve uno. Incrociando due individui eterozigoti Aa × Aa, i gameti possibili sono A e a per ciascun genitore. Il quadrato di Punnett dispone i gameti sulle righe e sulle colonne: le quattro combinazioni equiprobabili del modello sono AA, Aa, aA e aa. Il rapporto genotipico previsto è 1:2:1, mentre, in caso di dominanza completa, quello fenotipico è 3:1.

Questi rapporti sono probabilità teoriche, non quote garantite all'interno di ogni famiglia. Come quando si lancia una moneta, pochi eventi possono mostrare percentuali molto diverse dalle attese. La probabilità di ottenere il genotipo aa da due genitori Aa è 1/4 per ciascun concepimento indipendente, ma quattro figli non devono necessariamente comprendere esattamente un individuo aa. I modelli mendeliani sono potenti quando le ipotesi sono rispettate, ma vanno modificati quando intervengono più geni, dominanza incompleta, collegamento genetico o altri fattori.

15.3 Assortimento indipendente e geni associati

La legge dell'assortimento indipendente descrive la distribuzione di alleli di loci differenti quando si trovano su cromosomi distinti, oppure sufficientemente lontani sullo stesso cromosoma da comportarsi quasi indipendentemente. Nell'incrocio diibrido AaBb × AaBb, assumendo dominanza completa, indipendenza e assenza di altre complicazioni, il rapporto fenotipico atteso è 9:3:3:1. Tuttavia due geni sullo stesso cromosoma possono risultare associati e venire trasmessi insieme più spesso di quanto previsto dall'indipendenza.

Il crossing-over può separare alleli precedentemente associati. La frequenza con cui compaiono combinazioni ricombinanti permette di stimare la distanza genetica tra due loci: una percentuale di ricombinazione pari all'1% corrisponde, convenzionalmente, a una distanza di una unità centimorgan nelle mappe genetiche. Questa misura non è identica a una distanza fisica fissa espressa in basi del DNA, perché la probabilità di ricombinazione varia tra regioni cromosomiche e organismi.

15.4 Ereditarietà complessa

Molti caratteri non seguono una dominanza completa. Nella dominanza incompleta l'eterozigote presenta un fenotipo intermedio rispetto agli omozigoti; nella codominanza entrambi gli alleli contribuiscono in modo riconoscibile al fenotipo, come nel sistema sanguigno AB0 per gli alleli A e B. Un gene può possedere più di due alleli nella popolazione, anche se un individuo diploide ne porta in genere non più di due per locus. La pleiotropia si verifica quando un singolo gene influenza più caratteristiche dell'organismo.

Un carattere è poligenico quando dipende dall'effetto di numerosi geni; se l'ambiente contribuisce in modo rilevante si parla spesso di carattere multifattoriale. Anche fenomeni di epistasi, nei quali varianti di un gene influenzano l'espressione degli effetti di un altro gene, modificano i rapporti attesi dagli incroci semplici. Per alcuni caratteri occorre distinguere penetranza, la proporzione di individui con un genotipo che manifesta il fenotipo, ed espressività, il grado o la forma con cui esso si presenta. La genetica classica è quindi un punto di partenza, non la descrizione completa di tutta l'ereditarietà.

16. Regolazione genica, epigenetica e biotecnologie

16.1 Perché i geni non sono sempre attivi

Ogni cellula deve decidere quali geni esprimere, quando e in quale quantità. Nei batteri, gruppi di geni coinvolti in una stessa funzione possono essere trascritti sotto il controllo di un unico sistema regolatorio, come accade in molti operoni. L'operone del lattosio, o lac, di Escherichia coli è un esempio classico di regolazione che dipende dalla presenza di lattosio e dalla disponibilità di altre risorse energetiche. La cellula evita così di produrre continuamente enzimi non necessari, riducendo il consumo di materia ed energia.

Negli eucarioti la regolazione coinvolge numerosi fattori di trascrizione, proteine che riconoscono determinate sequenze del DNA e favoriscono o riducono l'attività trascrizionale. Regioni dette enhancer possono interagire con promotori anche quando sono distanti lungo il cromosoma, grazie al ripiegamento tridimensionale della cromatina. Il controllo può continuare dopo la trascrizione, modulando splicing, stabilità dell'RNA, traduzione, modificazioni e degradazione della proteina.

16.2 Epigenetica e ambiente

L'epigenetica studia modificazioni relativamente stabili dell'attività dei geni che non richiedono una variazione della sequenza di basi del DNA. Comprende processi come la metilazione del DNA, l'aggiunta di gruppi chimici a determinate basi, e modificazioni delle proteine istoniche che influenzano l'accessibilità della cromatina. Tali meccanismi contribuiscono al differenziamento cellulare, al silenziamento di specifiche regioni cromosomiche e alla regolazione durante lo sviluppo.

È sbagliato però attribuire all'epigenetica il potere di riscrivere liberamente il patrimonio ereditario in risposta a qualunque esperienza. Alcuni segnali ambientali influenzano l'espressione genica e particolari marcature epigenetiche; molte marcature sono inoltre riorganizzate durante la formazione dei gameti e lo sviluppo embrionale. La trasmissione epigenetica attraverso generazioni umane è una questione complessa, che richiede evidenze specifiche e non può essere presunta da semplici osservazioni familiari.

16.3 PCR, elettroforesi e sequenziamento

La PCR, reazione a catena della polimerasi, permette di amplificare in laboratorio una specifica regione di DNA. Si ripetono cicli di separazione dei filamenti, legame di brevi primer e sintesi ad opera di una DNA polimerasi termostabile. Partendo da poche copie, dopo molti cicli si possono ottenere grandi quantità del frammento selezionato. La PCR è impiegata nella ricerca, nella diagnostica e nell'identificazione di sequenze genetiche; la sua affidabilità dipende dalla qualità dei campioni, dai primer e dai controlli.

L'elettroforesi separa molecole cariche sfruttando un campo elettrico; il DNA, grazie ai gruppi fosfato, migra generalmente verso il polo positivo. Il sequenziamento determina l'ordine delle basi di una molecola di DNA. Tecniche moderne consentono di leggere moltissimi frammenti in parallelo, che vengono successivamente analizzati con metodi informatici. Confrontare sequenze può aiutare a identificare varianti, ricostruire relazioni evolutive o indagare la funzione di geni, ma interpretare il significato biologico di una variante richiede molto più della semplice lettura delle lettere.

16.4 CRISPR e applicazioni della biotecnologia

Le tecnologie CRISPR-Cas derivano da sistemi di difesa presenti in numerosi procarioti. In alcune applicazioni, una molecola di RNA guida indirizza una proteina Cas verso una sequenza di DNA complementare; l'enzima può provocare un taglio che viene poi riparato dai meccanismi della cellula. Sfruttando questi processi, i ricercatori possono inattivare geni o introdurre modificazioni mirate. Tecniche derivate permettono in certi casi cambiamenti di base o modifiche senza ricorrere a una rottura completa del doppio filamento.

Le biotecnologie comprendono anche produzione di proteine terapeutiche, colture cellulari, diagnostica molecolare, miglioramento delle colture agricole e analisi di microrganismi ambientali. L'uso concreto richiede controlli sulle modificazioni indesiderate, sulla sicurezza, sull'efficacia e sulle conseguenze ecologiche. Le scelte che riguardano la modificazione di cellule somatiche, gameti o embrioni hanno implicazioni tecniche ed etiche differenti. La biologia fornisce gli strumenti per distinguere ciò che una tecnologia rende possibile da ciò che una società decide di consentire.

17. Evoluzione biologica e selezione naturale

17.1 Dalle specie immutabili alla discendenza comune

Per lungo tempo le specie furono considerate entità sostanzialmente immutabili. L'evoluzione biologica descrive invece il cambiamento delle caratteristiche ereditarie delle popolazioni nel corso delle generazioni. La teoria moderna spiega tali cambiamenti integrando la selezione naturale, formulata da Charles Darwin e Alfred Russel Wallace, con la genetica, la biologia molecolare e lo studio delle popolazioni. L'idea centrale è la discendenza comune: le specie attuali non sono comparse indipendentemente, ma derivano da antenati condivisi attraverso rami evolutivi che si sono separati nel tempo.

Le prove dell'evoluzione provengono da fonti indipendenti. I fossili documentano organismi vissuti nel passato e successioni nel tempo; l'anatomia comparata individua strutture omologhe, derivate da un'origine comune anche quando svolgono funzioni differenti; lo sviluppo embrionale mostra somiglianze tra grandi gruppi; l'analisi del DNA ricostruisce relazioni di parentela. Anche la distribuzione geografica delle specie offre indicazioni: isole, catene montuose e separazioni continentali favoriscono percorsi evolutivi differenti. Nessuna di queste osservazioni isolata racconta tutta la storia, ma il loro accordo costituisce una prova molto robusta.

17.2 Il meccanismo della selezione naturale

La selezione naturale richiede che in una popolazione esista variabilità, che almeno parte di essa sia ereditaria e che differenti varianti siano associate, nelle condizioni ambientali presenti, a differenze di sopravvivenza o successo riproduttivo. Se una variante ereditaria aumenta la probabilità di lasciare discendenti fertili, può diventare più frequente nelle generazioni successive. La fitness evolutiva indica il contributo riproduttivo relativo, non la forza fisica, l'intelligenza o un presunto valore intrinseco dell'organismo.

La selezione non agisce per raggiungere obiettivi prestabiliti. Una popolazione di insetti può diventare resistente a un insetticida non perché gli individui decidano di adattarsi, ma perché varianti resistenti già presenti o nuove sopravvivono e si riproducono più degli altri. L'ambiente seleziona differenze ereditarie disponibili; non produce necessariamente mutazioni utili su richiesta. Una caratteristica può essere vantaggiosa in un ambiente e sfavorevole in un altro, per cui adattamento non significa perfezione universale.

17.3 Deriva genetica, flusso genico e mutazione

La selezione non è l'unico meccanismo che modifica le frequenze degli alleli. La deriva genetica consiste in variazioni casuali delle frequenze alleliche da una generazione all'altra, particolarmente importanti nelle popolazioni piccole. L'effetto fondatore si verifica quando pochi individui costituiscono una nuova popolazione che non rappresenta necessariamente tutta la diversità della popolazione di origine. Un collo di bottiglia demografico riduce drasticamente il numero degli individui, con possibile perdita di variabilità genetica.

Il flusso genico deriva dal movimento di alleli tra popolazioni, per esempio attraverso migrazioni seguite da riproduzione. Le mutazioni introducono nuove varianti genetiche, sebbene molte siano rare o prive di effetti rilevanti sul fenotipo. Selezione sessuale e selezione naturale sono strettamente collegate, ma mettono l'accento su pressioni differenti: la prima riguarda successi riproduttivi legati a competizione per i partner e scelta del compagno. L'evoluzione reale nasce dall'interazione di questi meccanismi, non dall'azione esclusiva di uno solo.

17.4 Speciazione ed estinzione

La speciazione è il processo attraverso il quale popolazioni divergenti danno origine a linee evolutive riconoscibili come specie distinte. In molti animali la riduzione o l'interruzione del flusso genico facilita l'accumulo di differenze. Una barriera geografica può separare due popolazioni, favorendo la speciazione allopatrica; in altri casi la divergenza può avvenire senza una separazione geografica netta. Nelle piante la poliploidia, cioè l'aumento del numero di serie cromosomiche, può contribuire anche a forme relativamente rapide di isolamento riproduttivo.

Definire una specie è meno immediato di quanto sembri. Il concetto biologico di specie, basato sulla possibilità di riprodursi e sull'isolamento riproduttivo, funziona bene per molti animali sessuati, ma non per batteri, fossili e numerosi organismi a riproduzione asessuata. Si utilizzano quindi anche criteri filogenetici ed ecologici. L'estinzione è la scomparsa di una linea evolutiva: può derivare da trasformazioni ambientali, competizione, eventi catastrofici o molte cause concomitanti. Evoluzione non significa necessariamente aumento continuo della complessità.

18. Storia della vita e dell'evoluzione umana

18.1 Le prime fasi della vita sulla Terra

La Terra si formò circa 4,54 miliardi di anni fa; le testimonianze più antiche della vita richiedono interpretazioni attente, ma indicano che organismi microbici erano presenti già molto presto nella storia terrestre. Lo studio dell'origine della vita, detto abiogenesi, cerca di comprendere come sistemi chimici non viventi abbiano potuto dare origine a reti capaci di mantenersi, utilizzare energia e trasmettere informazione. Non esiste una ricostruzione unica e definitivamente dimostrata di tutte le tappe iniziali, e distinguere ipotesi promettenti da risultati consolidati è essenziale.

Il metabolismo di antichi microrganismi modificò progressivamente l'ambiente. I cianobatteri e altri organismi fotosintetici contribuirono all'accumulo di ossigeno atmosferico; il cosiddetto Grande Evento di Ossidazione, avvenuto intorno a 2,4 miliardi di anni fa, trasformò le condizioni chimiche della Terra. L'aumento dell'ossigeno aprì nuove possibilità energetiche per gli organismi capaci di respirazione aerobica, ma rappresentò anche una forte pressione selettiva per linee non adattate a concentrazioni elevate di questo gas.

18.2 Dall'eucariogenesi agli organismi pluricellulari

L'origine della cellula eucariotica, o eucariogenesi, fu un passaggio decisivo della storia biologica. Essa coinvolse profonde trasformazioni dell'organizzazione cellulare e l'acquisizione degli antenati dei mitocondri attraverso endosimbiosi. La comparsa di organismi pluricellulari avvenne indipendentemente in più gruppi. Vivere in associazioni stabili offrì opportunità di divisione del lavoro: cellule differenti potevano specializzarsi in nutrizione, movimento, protezione e riproduzione.

Le testimonianze fossili mostrano che la storia evolutiva non procede in modo uniforme. Durante alcuni intervalli geologici si verificarono ampie diversificazioni, mentre in altri il numero delle specie diminuì drasticamente. L'esplosione cambriana, iniziata circa 539 milioni di anni fa, è particolarmente importante per l'ampia documentazione fossile di numerosi gruppi animali. L'interpretazione corretta non è che tutti gli animali siano comparsi improvvisamente da zero: molti processi evolutivi e antenati precedono il Cambriano, ma le condizioni di fossilizzazione e la diversificazione degli organismi rendono quell'intervallo particolarmente visibile.

18.3 Le grandi transizioni evolutive

La colonizzazione delle terre emerse richiese adattamenti contro la perdita d'acqua, per il sostegno meccanico e per la riproduzione in ambienti non acquatici. Nelle piante furono importanti cuticola, stomi, sistemi vascolari, semi e polline in differenti linee evolutive. Negli animali vertebrati, modificazioni di scheletro, respirazione e riproduzione favorirono l'espansione negli ambienti terrestri. Gli amnioti, nei quali sono comparsi adattamenti riproduttivi legati alle membrane embrionali, comprendono linee che condurranno ai rettili, agli uccelli e ai mammiferi.

Le estinzioni di massa hanno modificato profondamente gli ecosistemi. La crisi alla fine del Permiano fu una delle più severe; l'evento di circa 66 milioni di anni fa contribuì all'estinzione dei dinosauri non aviani, mentre la linea degli uccelli sopravvisse. Dopo la scomparsa di numerosi grandi gruppi, altri organismi poterono diversificarsi occupando nicchie ecologiche precedentemente disponibili. La storia della vita è quindi il risultato di innovazioni evolutive, eventi casuali, cambiamenti climatici e interazioni tra specie.

18.4 L'evoluzione umana non è una scala lineare

Gli esseri umani appartengono all'ordine dei primati, alla famiglia degli ominidi e al genere Homo. Condividono antenati comuni con le scimmie antropomorfe attuali; non derivano dalle specie di scimmie che vivono oggi. La storia dell'evoluzione umana è ramificata: diverse specie di ominini sono vissute in epoche parzialmente sovrapposte e alcune hanno convissuto. La locomozione bipede, i cambiamenti nella dentatura, l'uso di strumenti e le trasformazioni cerebrali non comparvero necessariamente tutte insieme.

Le testimonianze fossili e genetiche indicano che Homo sapiens si è evoluto in Africa e ha successivamente raggiunto altri continenti attraverso molte migrazioni. La genetica antica ha inoltre mostrato incroci tra antenati di popolazioni umane moderne e altre linee umane, come i Neanderthal e i Denisoviani. Questa storia non autorizza classificazioni biologiche gerarchiche dei gruppi umani contemporanei: la variazione genetica è distribuita in modo complesso, con continuità, mescolamenti e una larga parte della variabilità presente all'interno delle popolazioni.

19. Classificazione e biodiversità

19.1 Dalla tassonomia alla filogenesi

La tassonomia descrive, denomina e classifica gli organismi; la sistematica studia anche le loro relazioni evolutive. Le categorie tradizionali comprendono dominio, regno, phylum, classe, ordine, famiglia, genere e specie. Il nome scientifico di una specie segue normalmente una nomenclatura binomiale, con genere e epiteto specifico, come Homo sapiens. Questi nomi facilitano la comunicazione tra studiosi che parlano lingue differenti e permettono di distinguere organismi con nomi comuni ambigui.

La classificazione moderna cerca di riconoscere gruppi monofiletici, detti anche cladi, costituiti da un antenato comune e da tutti i suoi discendenti. Le relazioni si rappresentano mediante alberi filogenetici: i nodi indicano antenati comuni ipotizzati e i rami linee evolutive. Due gruppi sono maggiormente imparentati se condividono un antenato comune più recente, non perché appaiono visivamente più simili. Un albero filogenetico non è una scala di progresso; i rami viventi sono tutti il risultato di percorsi evolutivi lunghi e indipendenti.

19.2 I tre domini e la difficoltà dei regni

Una classificazione didattica largamente utilizzata distingue i domini Bacteria, Archaea ed Eukarya. Bacteria e Archaea comprendono organismi procariotici ma differiscono per importanti caratteristiche genetiche, biochimiche e di membrana. Il dominio Eukarya comprende animali, piante, funghi e numerosi gruppi di eucarioti unicellulari o coloniali. Gli alberi più aggiornati discutono inoltre l'esatta relazione filogenetica tra archei ed eucarioti, con evidenze che suggeriscono un'origine degli eucarioti all'interno di linee archeali.

Il vecchio modello dei cinque regni è utile come strumento storico ma non rappresenta fedelmente tutta la parentela evolutiva. In particolare la categoria protisti raggruppa eucarioti molto differenti, non necessariamente appartenenti a un unico clade. Anche il termine alghe descrive organismi fotosintetici di linee diverse. Quando si studia la biodiversità conviene quindi usare le categorie tradizionali come orientamento, ma verificare se un raggruppamento corrisponda effettivamente a una discendenza comune.

19.3 Piante, funghi e animali

Le piante terrestri sono organismi eucariotici che alternano fasi del ciclo vitale e sviluppano particolari strutture per la fotosintesi e la vita sulla terraferma. I funghi sono eucarioti eterotrofi che assorbono nutrienti dall'ambiente e possiedono pareti cellulari generalmente ricche di chitina. Possono essere unicellulari, come molti lieviti, oppure pluricellulari, come numerose muffe e i funghi che formano corpi fruttiferi. Gli animali sono organismi eucariotici pluricellulari eterotrofi, caratterizzati da sviluppo embrionale e tessuti specializzati, pur con notevole diversità di strutture e cicli vitali.

La biodiversità comprende più dimensioni: diversità genetica entro le specie, diversità delle specie e diversità degli ecosistemi. La varietà biologica contribuisce alla stabilità di numerosi processi ecologici, ma il rapporto tra biodiversità e funzionamento degli ecosistemi dipende dal contesto e non si riduce a una semplice proporzione matematica. La perdita di popolazioni locali e di varianti genetiche può ridurre le possibilità di risposta a cambiamenti ambientali anche prima dell'estinzione globale di una specie.

19.4 Principali gruppi animali

Gli animali comprendono grandi gruppi con piani corporei differenti. I poriferi non possiedono gli stessi tessuti organizzati caratteristici della maggior parte degli altri animali; i cnidari, come meduse e coralli, hanno cellule urticanti; i molluschi comprendono chiocciole, bivalvi e cefalopodi; gli artropodi possiedono un esoscheletro articolato e includono insetti, aracnidi e crostacei. Gli echinodermi, come le stelle marine, hanno caratteristiche peculiari dello sviluppo e della simmetria.

I cordati condividono, almeno in uno stadio dello sviluppo, caratteristiche come corda dorsale, cordone nervoso dorsale e fessure faringee. Tra essi i vertebrati comprendono pesci, anfibi, rettili, uccelli e mammiferi, con importanti questioni filogenetiche nella definizione di ciascun gruppo tradizionale. Un esempio è che gli uccelli sono un ramo dei dinosauri e, in senso filogenetico, rientrano nella storia evolutiva dei rettili. Studiare i grandi gruppi significa confrontare innovazioni anatomiche e relazioni di parentela, non memorizzare soltanto elenchi di nomi.

20. Batteri, archei, virus e microbioma

20.1 La struttura e il metabolismo dei batteri

I batteri sono organismi procariotici con enormi differenze nelle forme, nei metabolismi e negli ambienti occupati. Possono essere sferici, chiamati cocchi, allungati, detti bacilli, o avere forme spiralate. Molti possiedono una parete di peptidoglicano, materiale che li protegge dalla lisi osmotica. Nella colorazione di Gram i batteri Gram-positivi trattengono il colorante grazie alla struttura ricca di peptidoglicano, mentre i Gram-negativi possiedono uno strato più sottile di peptidoglicano e una membrana esterna contenente lipopolisaccaridi.

I batteri si riproducono generalmente per scissione binaria, ma possono acquisire geni attraverso processi di trasferimento orizzontale. Nella trasformazione una cellula incorpora DNA dall'ambiente; nella trasduzione il trasferimento è mediato da virus batterici; nella coniugazione si verifica trasferimento di materiale genetico mediante contatto tra cellule. Questi processi possono diffondere, tra altre caratteristiche, geni di resistenza agli antibiotici. I batteri non sono soltanto agenti patogeni: molti partecipano al ciclo dell'azoto, alla decomposizione e a relazioni mutualistiche fondamentali per altri organismi.

20.2 Archei e ambienti estremi

Gli archei sono procarioti distinti dai batteri per numerose caratteristiche molecolari. Le loro membrane impiegano lipidi con legami etere e catene chimiche differenti rispetto a quelle comuni di batteri ed eucarioti. Alcuni archei vivono in ambienti estremi, come acque molto saline, sorgenti calde o condizioni di forte acidità, ma molti occupano habitat ordinari, compresi mari, suoli e ambienti associati agli organismi. Non è quindi corretto definirli esclusivamente come microrganismi estremofili.

Un gruppo importante comprende gli archei metanogeni, capaci di produrre metano attraverso vie metaboliche specializzate in condizioni prive di ossigeno. Sono presenti in sedimenti, zone umide e apparati digerenti di alcuni animali. La loro attività ha conseguenze ecologiche rilevanti per il ciclo del carbonio. La somiglianza strutturale generale con i batteri non deve nascondere le loro profonde differenze evolutive e biochimiche, alcune delle quali aiutano a comprendere le origini della cellula eucariotica.

20.3 I virus: struttura, cicli e variabilità

Un virus è costituito da un genoma di DNA oppure RNA racchiuso generalmente in un capside proteico, e in alcuni casi anche in un involucro lipidico chiamato envelope. I virus non possiedono apparati autonomi completi per la sintesi delle proteine e dipendono dalle cellule ospiti per replicarsi. Il loro ciclo può comprendere adesione a recettori, ingresso, liberazione del genoma, replicazione, assemblaggio di nuove particelle e fuoriuscita. Le strategie cambiano enormemente tra virus con genomi e ospiti differenti.

I batteriofagi infettano batteri. Alcuni virus possono integrare materiale genetico nel genoma ospite o mantenere forme persistenti; in altri casi la replicazione provoca lisi della cellula. Le mutazioni e i processi di ricombinazione possono far evolvere rapidamente alcune popolazioni virali, ma la velocità varia tra gruppi. Per spiegare la diffusione di una malattia infettiva occorre distinguere infettività, capacità di stabilire un'infezione, patogenicità, capacità di causare malattia, e virulenza, gravità del danno in determinate condizioni.

20.4 Microbiota, microbioma e simbiosi

Il microbiota è l'insieme dei microrganismi presenti in un certo ambiente, come l'intestino o la superficie cutanea. Il termine microbioma viene usato per indicare il patrimonio genetico complessivo dei microrganismi e, in alcune definizioni, l'intero sistema costituito da microrganismi e ambiente. Nell'intestino umano molti batteri contribuiscono alla trasformazione di componenti alimentari, alla produzione di metaboliti e all'interazione con le difese immunitarie.

Il rapporto tra esseri umani e microbiota è dinamico e varia in base a età, alimentazione, farmaci, condizioni ambientali e numerosi fattori individuali. Una disbiosi indica una modificazione della comunità microbica associata a una condizione o a uno squilibrio funzionale, ma non rappresenta di per sé una diagnosi universalmente definita. Le associazioni tra composizione del microbiota e malattie non dimostrano automaticamente un rapporto causale: occorrono studi sperimentali per comprendere se i cambiamenti microbici contribuiscano a un disturbo o ne siano una conseguenza.

21. Anatomia e fisiologia delle piante

21.1 Radici, fusto e foglie

Le piante vascolari possiedono organi che svolgono compiti differenti ma coordinati. La radice assicura ancoraggio e assorbimento di acqua e sali minerali, e in molte specie accumula riserve. Il fusto sostiene gli organi fotosintetici e riproduttivi e collega le vie di trasporto. Le foglie offrono superfici ampie per catturare luce e scambiare gas. Le strutture delle diverse specie possono essere profondamente modificate: spine, viticci, tuberi e rizomi testimoniano adattamenti a condizioni ecologiche differenti.

L'accrescimento deriva da regioni contenenti cellule meristematiche, cioè cellule che conservano capacità di divisione e generano nuovi tessuti. I meristemi apicali consentono l'allungamento di radici e fusti; in molte piante legnose i meristemi laterali permettono l'aumento del diametro. La pianta non cresce quindi come un materiale che si dilata uniformemente: la formazione di nuove cellule e il loro successivo allungamento sono distribuiti in regioni specifiche.

21.2 Tessuti vegetali e sistemi di trasporto

Lo xilema trasporta principalmente acqua e sali minerali dalle radici verso le parti aeree; il floema distribuisce prodotti organici della fotosintesi, come saccarosio, tra zone di produzione e di utilizzo o accumulo. I vasi xilematici sono spesso costituiti da cellule morte a maturità, con pareti resistenti; il floema contiene elementi cribrosi viventi assistiti da cellule specializzate. La direzione del trasporto nel floema può variare secondo il rapporto tra organi sorgente e organi pozzo.

L'acqua sale nello xilema grazie soprattutto al meccanismo di coesione-tensione. L'evaporazione dalle superfici interne delle foglie genera una tensione che viene trasmessa lungo colonne d'acqua, rese continue dalle proprietà coesive delle molecole. L'adesione alle pareti dei vasi contribuisce al fenomeno, ma non spiega da sola la risalita dell'acqua in alberi molto alti. Nel floema il trasporto può essere spiegato, in molte condizioni, attraverso differenze di pressione dovute all'accumulo e alla rimozione di soluti.

21.3 Gli stomi e l'equilibrio idrico

Gli stomi sono aperture dell'epidermide delle foglie controllate da cellule di guardia. Consentono l'ingresso della CO₂ necessaria alla fotosintesi, ma favoriscono anche la perdita di vapore acqueo, detta traspirazione. La loro apertura dipende da segnali luminosi, disponibilità di acqua, concentrazione di CO₂ e condizioni climatiche. Quando la pianta attraversa una situazione di stress idrico, segnali come l'ormone acido abscissico favoriscono la chiusura degli stomi, riducendo la perdita d'acqua ma anche l'ingresso di CO₂.

La relazione tra fotosintesi e acqua è quindi un compromesso fisiologico. Una foglia deve ottenere carbonio dall'atmosfera e allo stesso tempo limitare la disidratazione. La cuticola, rivestimento ceroso superficiale, riduce l'evaporazione non controllata. Le radici esplorano il suolo e assorbono acqua secondo differenze di potenziale idrico; la presenza di funghi mutualistici, chiamati micorrize, può migliorare l'acquisizione di nutrienti in numerosi contesti. L'efficienza dell'assorbimento dipende dalla specie, dal suolo e dallo stato idrico.

21.4 Regolazione della crescita e ormoni vegetali

Le piante rispondono agli stimoli attraverso reti chimiche di regolazione. Le auxine partecipano all'allungamento cellulare e a diverse risposte direzionali; le gibberelline promuovono numerosi processi di crescita e germinazione; le citochinine influenzano divisione cellulare e sviluppo; l'etilene, un ormone gassoso, è coinvolto nella maturazione di molti frutti e nelle risposte agli stress; l'acido abscissico partecipa a dormienza e risposta alla carenza d'acqua. Non bisogna immaginare un ormone associato a un'unica funzione: gli effetti dipendono dal tessuto e dalle interazioni con altri segnali.

Il fototropismo è la crescita orientata rispetto alla luce; il gravitropismo è la risposta direzionale alla gravità. In molti fusti la distribuzione asimmetrica delle auxine provoca una maggiore crescita su un lato, curvando l'organo. Il fotoperiodismo descrive le risposte biologiche alla durata relativa del giorno e della notte, importanti per la fioritura di numerose piante. Gli organismi vegetali non possiedono sistema nervoso come quello animale, ma possono percepire condizioni esterne e reagire in modo sofisticato attraverso segnali chimici, elettrici e meccanici.

22. Riproduzione e sviluppo delle piante

22.1 Alternanza delle generazioni

Il ciclo vitale delle piante terrestri comprende un'alternanza di generazioni tra una fase diploide, lo sporofito, che produce spore mediante meiosi, e una fase aploide, il gametofito, che produce gameti mediante mitosi. Le spore non sono gameti: una spora può svilupparsi in un gametofito senza fondersi con un'altra cellula, mentre i gameti si uniscono nella fecondazione. La prevalenza relativa di sporofito e gametofito è cambiata nel corso dell'evoluzione dei principali gruppi vegetali.

Nelle briofite, come molti muschi, il gametofito è la generazione più appariscente, mentre nelle piante vascolari domina lo sporofito. Nelle piante con seme il gametofito è fortemente ridotto e si sviluppa in relazione alle strutture riproduttive dello sporofito. Questa organizzazione rende possibile proteggere meglio le cellule riproduttive e, attraverso polline e semi, ridurre la dipendenza diretta da acqua libera per la fecondazione rispetto a molte piante più antiche.

22.2 Fiori, impollinazione e fecondazione

Nelle angiosperme il fiore contiene le strutture riproduttive. Gli stami producono polline nelle antere, mentre il carpello comprende strutture associate allo stigma, allo stilo e all'ovario, nel quale si trovano gli ovuli. L'impollinazione è il trasferimento del polline a una superficie ricettiva e può essere favorita dal vento, dall'acqua o da animali. Non coincide con la fecondazione, che avviene successivamente, quando i nuclei gametici maschili raggiungono le cellule femminili appropriate.

Nelle angiosperme si verifica una doppia fecondazione: uno dei nuclei spermatici si unisce alla cellula uovo formando lo zigote; l'altro partecipa alla formazione dell'endosperma, tessuto che nutre l'embrione in sviluppo. Dopo la fecondazione l'ovulo può trasformarsi in seme e l'ovario in frutto. Il frutto protegge i semi e in molte specie ne favorisce la dispersione. La diversità di fiori e frutti deriva da strategie riproduttive e rapporti ecologici differenti, spesso modellati dall'evoluzione congiunta con gli impollinatori.

22.3 Semi, dormienza e germinazione

Un seme contiene un embrione, riserve nutritive in forma e quantità variabili e rivestimenti protettivi. Può attraversare un periodo di dormienza, durante il quale non germina anche se alcune condizioni sembrano favorevoli. La dormienza può dipendere da barriere fisiche, segnali ormonali o necessità di specifici intervalli di temperatura e luce. Favorisce la sopravvivenza in stagioni sfavorevoli e permette di distribuire la germinazione nel tempo.

La germinazione richiede normalmente assorbimento d'acqua, riattivazione metabolica e disponibilità di ossigeno, con esigenze specifiche per ciascuna specie. La radichetta è spesso una delle prime strutture ad emergere, permettendo l'ancoraggio e l'assorbimento idrico. Le riserve del seme sostengono lo sviluppo iniziale finché la giovane pianta non raggiunge sufficiente autonomia fotosintetica. I semi sono una delle grandi innovazioni evolutive delle spermatofite, categoria che comprende gimnosperme e angiosperme.

22.4 Riproduzione vegetativa e applicazioni

Molte piante possono riprodursi senza formazione e fusione di gameti, attraverso riproduzione vegetativa. Stoloni, rizomi, bulbi, tuberi e frammenti di fusto possono generare nuovi individui. In agricoltura si utilizzano talee, innesti e colture in vitro per propagare varietà con caratteristiche desiderate. La propagazione clonale conserva molte caratteristiche genetiche della pianta di origine, ma non impedisce completamente mutazioni o cambiamenti epigenetici.

La capacità di alcune cellule vegetali di rigenerare tessuti e perfino organismi interi viene spesso descritta attraverso il concetto di totipotenza, che va inteso nel contesto delle condizioni sperimentali e dei tipi cellulari. Le colture in vitro richiedono nutrienti, condizioni sterili e combinazioni di regolatori della crescita capaci di orientare la formazione di radici, germogli o calli. Le tecniche di propagazione sono utili per conservazione, ricerca e produzione agricola, ma la riduzione della variabilità genetica delle colture può aumentarne la vulnerabilità a determinati patogeni o cambiamenti ambientali.

23. Tessuti, organi e omeostasi

23.1 Dalle cellule ai tessuti

Un tessuto è un insieme organizzato di cellule, spesso associate a una matrice extracellulare, che svolge funzioni coordinate. Nei vertebrati si distinguono quattro grandi categorie: epiteliale, connettivo, muscolare e nervoso. I tessuti epiteliali rivestono superfici e cavità e formano numerose ghiandole; i connettivi offrono sostegno, connessione, protezione e trasporto; i muscolari producono forza attraverso contrazione; il tessuto nervoso riceve, elabora e trasmette informazioni mediante segnali elettrici e chimici.

Un organo combina più tessuti in una struttura con funzioni riconoscibili: la parete dell'intestino contiene epitelio assorbente, connettivo, tessuto muscolare e strutture nervose. Un apparato o sistema riunisce più organi che cooperano. La distinzione linguistica tradizionale tra sistema e apparato non è sempre applicata nello stesso modo da tutti i testi, ma l'idea funzionale è chiara: le attività dell'organismo emergono dall'integrazione di organi specializzati.

23.2 Tessuti epiteliali e connettivi

Gli epiteli sono formati da cellule strettamente associate, con una superficie libera detta apicale e una superficie basale che poggia sulla membrana basale. Possono essere semplici, con un solo strato cellulare, o pluristratificati, con più strati. Un epitelio semplice e sottile favorisce gli scambi, come negli alveoli polmonari; uno pluristratificato offre maggiore protezione meccanica, come nell'epidermide. Le cellule epiteliali sono in genere avascolari, cioè prive di vasi sanguigni al loro interno, e ricevono nutrienti dai tessuti sottostanti.

I tessuti connettivi possiedono una quantità variabile di matrice extracellulare, che può essere fluida, gelatinosa o mineralizzata. Tra questi rientrano tessuto connettivo propriamente detto, adiposo, cartilagine, osso e sangue, ciascuno con caratteristiche particolari. Il collagene conferisce resistenza alla trazione, mentre l'elastina permette deformazioni reversibili in numerosi tessuti. I fibroblasti producono componenti della matrice. La cartilagine sostiene superfici articolari e altre strutture, mentre il tessuto osseo combina una matrice organica con sali minerali che ne aumentano la rigidità.

23.3 Omeostasi e sistemi di feedback

L'omeostasi è la capacità di mantenere entro intervalli compatibili con la vita importanti variabili interne, nonostante le modificazioni dell'ambiente. Temperatura corporea, pH, glicemia, pressione arteriosa e concentrazione degli ioni sono controllati da reti di regolazione. Un feedback negativo riduce lo scostamento di una variabile dal valore o intervallo di riferimento: se la glicemia aumenta, per esempio, vengono attivate risposte che tendono a diminuirla. Il feedback positivo rafforza invece una variazione e si osserva in alcuni processi che devono raggiungere una conclusione, come particolari fasi del parto o della coagulazione.

Un circuito regolatorio comprende spesso un sensore, capace di rilevare il cambiamento, un centro integratore, che confronta l'informazione con le esigenze dell'organismo, e un effettore, che realizza la risposta. Non sempre queste parti sono collocate in organi distinti; a livello cellulare molte reti svolgono funzioni analoghe. Le variabili biologiche non sono completamente immobili: possono oscillare secondo ritmi circadiani, attività fisica, alimentazione e sviluppo. Per questo la normalità fisiologica è spesso un intervallo dinamico, non un numero invariabile.

24. Apparato tegumentario, scheletrico e muscolare

24.1 Cute e protezione

La cute costituisce una barriera fondamentale tra l'organismo e l'ambiente. L'epidermide, formata da epitelio pluristratificato cheratinizzato, possiede cellule che maturano progressivamente verso la superficie, creando uno strato resistente alla perdita d'acqua e all'ingresso di molti agenti esterni. Il derma, ricco di connettivo, contiene vasi, nervi, recettori e strutture associate ai follicoli piliferi e alle ghiandole. Al di sotto è presente il tessuto sottocutaneo, spesso ricco di adipociti, che partecipa all'isolamento e alla riserva energetica.

La cute contribuisce anche alla termoregolazione: i vasi superficiali possono dilatarsi o restringersi, modificando la dispersione di calore; la sudorazione favorisce il raffreddamento attraverso evaporazione. I melanociti producono melanina, pigmento che contribuisce alla protezione dalle radiazioni ultraviolette. La cute ospita comunità microbiche e cellule immunitarie specializzate, per cui non è una semplice copertura meccanica ma un organo che partecipa alla difesa e alla comunicazione sensoriale.

24.2 Ossa, articolazioni e rimodellamento

Lo scheletro umano adulto comprende normalmente 206 ossa, con possibili variazioni anatomiche. Le ossa sostengono il corpo, proteggono organi e costituiscono leve per il movimento. Il tessuto osseo è vivo e continuamente rimodellato: gli osteoblasti producono nuova matrice, gli osteoclasti riassorbono tessuto osseo e gli osteociti partecipano al controllo della risposta meccanica e metabolica. La matrice contiene collagene e cristalli minerali di idrossiapatite, che conferiscono caratteristiche complementari di resistenza e rigidità.

Le articolazioni mettono in relazione segmenti scheletrici. Nelle articolazioni sinoviali, come ginocchio e spalla, cartilagine, liquido sinoviale e capsule articolari favoriscono movimenti controllati con attrito limitato. I legamenti collegano ossa tra loro; i tendini collegano muscoli e ossa. La formazione e il mantenimento dello scheletro dipendono da segnali ormonali, attività fisica, disponibilità di nutrienti e fattori genetici. La salute ossea non può essere ridotta alla sola assunzione di calcio: conta l'equilibrio complessivo tra formazione e riassorbimento.

24.3 Le fibre muscolari e il sarcomero

Il tessuto muscolare comprende muscolo scheletrico, cardiaco e liscio. Il muscolo scheletrico è generalmente sotto controllo volontario e formato da fibre multinucleate; il cardiaco possiede cellule collegate funzionalmente e attività ritmica; il liscio è presente nelle pareti di numerosi organi e vasi e regola movimenti involontari. La contrazione dipende dall'interazione tra filamenti di actina e miosina, proteine che convertono energia chimica in movimento.

Nel muscolo striato l'unità contrattile è il sarcomero. Durante la contrazione i filamenti sottili di actina scorrono rispetto a quelli spessi di miosina, riducendo la lunghezza del sarcomero senza accorciare le singole proteine filamentose. Gli ioni Ca²⁺ si legano a proteine regolatrici e permettono il ciclo delle interazioni tra actina e miosina; l'ATP è necessario sia per il movimento sia per il distacco dei ponti molecolari. La forza generata dipende da numero di unità attive, frequenza di stimolazione e condizioni fisiologiche.

24.4 Energia muscolare e allenamento

Durante un'attività muscolare l'ATP viene consumato rapidamente e deve essere rigenerato. Il sistema della fosfocreatina contribuisce alle richieste molto intense e brevi; la glicolisi fornisce ATP rapidamente; il metabolismo ossidativo sostiene attività prolungate con disponibilità di ossigeno e nutrienti. Questi sistemi lavorano contemporaneamente, ma la loro importanza relativa cambia con intensità e durata dello sforzo. La produzione di lattato non coincide con la totale assenza di ossigeno e non è l'unica causa della fatica muscolare.

L'allenamento provoca adattamenti che possono comprendere aumento della capacità ossidativa, variazioni nelle dimensioni delle fibre e miglioramento dell'efficienza neuromuscolare. L'ipertrofia è l'aumento delle dimensioni delle fibre muscolari, mentre l'incremento del numero delle cellule muscolari ha un ruolo più limitato nei normali adattamenti umani. La crescita del tessuto richiede sintesi proteica, recupero e disponibilità energetica. L'immobilità, al contrario, favorisce perdita di massa e di funzione. Le risposte dipendono da età, stato di salute e caratteristiche individuali.

25. Nutrizione, digestione e assorbimento

25.1 Nutrienti e fabbisogno energetico

Gli alimenti forniscono macronutrienti — carboidrati, lipidi e proteine — e micronutrienti, cioè vitamine e minerali necessari in quantità generalmente minori. L'acqua svolge funzioni essenziali e deve essere continuamente reintegrata. I carboidrati apportano energia e alcuni costituiscono fibre non digeribili dagli enzimi umani; i lipidi sono necessari per membrane e segnali, oltre che come riserva; le proteine forniscono amminoacidi per la costruzione e il ricambio delle strutture corporee. Le vitamine partecipano a specifiche funzioni regolatorie, mentre i minerali possono avere ruoli strutturali o agire come ioni e cofattori.

Il metabolismo basale indica il consumo energetico dell'organismo in condizioni standardizzate di riposo e comprende attività essenziali come respirazione, circolazione e mantenimento dei gradienti cellulari. Al consumo totale si aggiungono attività fisica, termogenesi alimentare e altri componenti. Le esigenze individuali variano con dimensioni corporee, composizione, età e condizioni fisiologiche. Un'alimentazione equilibrata non deriva dalla classificazione rigida di un singolo nutriente come buono o cattivo, ma dall'adeguatezza dell'insieme e dalla qualità della dieta nel tempo.

25.2 Bocca, esofago e stomaco

La digestione comprende processi meccanici, che frammentano e mescolano il cibo, e processi chimici, nei quali enzimi idrolizzano macromolecole. Nella bocca la masticazione aumenta la superficie disponibile, mentre la saliva lubrifica il bolo e contiene enzimi come l'amilasi salivare. La deglutizione trasferisce il bolo verso l'esofago, dove movimenti coordinati della muscolatura, chiamati peristalsi, lo spingono verso lo stomaco. La peristalsi dipende dall'organizzazione della muscolatura liscia e dalle reti nervose dell'apparato digerente.

Nello stomaco il contenuto alimentare viene mescolato a secrezioni acide ed enzimi. L'acido cloridrico contribuisce a denaturare proteine, limitare molti microrganismi e fornire le condizioni appropriate alla pepsina, enzima coinvolto nella digestione proteica. Il rivestimento gastrico possiede meccanismi protettivi, tra cui muco e bicarbonato, per ridurre il danno da acidità. Il contenuto parzialmente digerito, chiamato chimo, passa gradualmente nel duodeno attraverso il piloro. La velocità di svuotamento dipende anche dalla composizione del pasto e dai segnali provenienti dall'intestino.

25.3 Intestino, pancreas e fegato

L'intestino tenue è la sede principale della digestione finale e dell'assorbimento della maggior parte dei nutrienti. La sua superficie è ampliata da pieghe, villi e microvilli. Il pancreas esocrino produce enzimi digestivi e bicarbonato, che contribuisce a neutralizzare l'acidità del chimo; il fegato produce bile, mentre la cistifellea la concentra e la rilascia in risposta ai pasti. I sali biliari favoriscono l'emulsione dei grassi, permettendo agli enzimi lipolitici di lavorare su superfici più ampie.

Monosaccaridi e amminoacidi vengono assorbiti attraverso sistemi di trasporto specifici e raggiungono prevalentemente la circolazione portale, diretta al fegato. Molti prodotti della digestione dei lipidi vengono invece incorporati negli enterociti, riassemblati in trigliceridi e confezionati in chilomicroni, particelle che entrano soprattutto nei vasi linfatici intestinali. Il colon riassorbe acqua ed elettroliti e ospita comunità microbiche coinvolte nella fermentazione di determinati componenti alimentari. L'apparato digerente è dunque anche una complessa superficie di interazione immunitaria ed ecologica.

25.4 Regolazione della glicemia

La glicemia è la concentrazione di glucosio nel sangue. Dopo un pasto contenente carboidrati, l'assorbimento intestinale tende ad aumentarla. Le cellule β delle isole pancreatiche rilasciano insulina, ormone che promuove l'utilizzo e l'immagazzinamento del glucosio in numerosi tessuti e riduce determinati processi di produzione epatica del glucosio. In condizioni di digiuno, il glucagone prodotto dalle cellule α del pancreas favorisce la disponibilità di glucosio attraverso azioni soprattutto epatiche.

Il fegato può immagazzinare glucosio come glicogeno e liberarlo quando necessario; può inoltre sintetizzare glucosio da precursori non glucidici attraverso la gluconeogenesi. Il controllo della glicemia coinvolge anche sistema nervoso, ormoni dello stress e segnali intestinali. Il diabete mellito comprende condizioni caratterizzate da iperglicemia cronica, ma le sue forme hanno cause differenti: nel tipo 1 prevale la distruzione immunomediata delle cellule β, mentre nel tipo 2 intervengono in varia misura resistenza all'insulina e insufficiente compensazione secretoria.

26. Sangue, cuore e circolazione

26.1 Il sangue come tessuto di trasporto

Il sangue è un tessuto connettivo fluido costituito da plasma e componenti cellulari. Il plasma contiene acqua, elettroliti, proteine, nutrienti, ormoni e numerose sostanze trasportate. I globuli rossi, o eritrociti, contengono emoglobina e trasportano gran parte dell'ossigeno; i globuli bianchi, o leucociti, svolgono funzioni immunitarie; le piastrine sono frammenti cellulari coinvolti nell'emostasi. Negli esseri umani maturi gli eritrociti non hanno nucleo, caratteristica che permette di utilizzare gran parte del volume per il trasporto dei gas.

L'emoglobina è una proteina che lega reversibilmente l'ossigeno e ne facilita il trasporto dai polmoni ai tessuti. La sua affinità per l'ossigeno dipende anche da pH, temperatura e concentrazione di specifici metaboliti. L'anidride carbonica viene trasportata in parte disciolta, in parte legata a proteine e soprattutto dopo trasformazione in bicarbonato. Il sangue distribuisce inoltre calore, molecole segnale e componenti della risposta immunitaria. Non è quindi soltanto un liquido che porta ossigeno.

26.2 Anatomia del cuore e doppia circolazione

Il cuore è un organo muscolare formato da quattro cavità: atrio destro, ventricolo destro, atrio sinistro e ventricolo sinistro. Il sangue povero di ossigeno proveniente dai tessuti raggiunge l'atrio destro, passa nel ventricolo destro e viene spinto attraverso le arterie polmonari verso i polmoni. Dopo gli scambi gassosi, il sangue ritorna alle cavità sinistre tramite le vene polmonari; il ventricolo sinistro lo pompa nell'aorta e nella circolazione sistemica.

Si distinguono quindi circolazione polmonare, tra cuore e polmoni, e circolazione sistemica, tra cuore e altri organi. Le valvole cardiache impediscono il reflusso durante le diverse fasi del ciclo cardiaco. Il miocardio, tessuto muscolare del cuore, viene irrorato dalle arterie coronarie, poiché non può dipendere dall'ossigeno presente nel sangue all'interno delle cavità. Le cellule del muscolo cardiaco sono collegate da dischi intercalari, che contribuiscono alla coordinazione della contrazione.

26.3 Ciclo cardiaco e pressione arteriosa

Il ciclo cardiaco comprende fasi di rilassamento, chiamate diastole, e di contrazione, dette sistole. In diastole i ventricoli si riempiono; durante la sistole ventricolare il sangue viene espulso nelle grandi arterie. Un sistema di conduzione specializzato, con nodo senoatriale, nodo atrioventricolare e altre strutture, coordina l'attivazione elettrica. Il nodo senoatriale genera spontaneamente impulsi e funziona normalmente come pacemaker fisiologico. L'elettrocardiogramma registra differenze di potenziale prodotte dall'attività elettrica complessiva del cuore.

La gittata cardiaca è il volume di sangue pompato da un ventricolo in un minuto ed è pari al prodotto tra frequenza cardiaca e gittata sistolica, cioè volume espulso a ogni battito. La pressione arteriosa dipende da più fattori, tra cui portata cardiaca e resistenza dei vasi. Le arteriole regolano una parte importante della resistenza periferica attraverso modificazioni del diametro; i capillari offrono superfici sottili che favoriscono gli scambi con i tessuti. Il sistema linfatico recupera una parte del liquido interstiziale e lo riporta verso la circolazione sanguigna.

26.4 Emostasi e coagulazione

Quando un vaso sanguigno è lesionato, l'organismo attiva l'emostasi, insieme di processi che limitano la perdita di sangue. Una prima fase comprende vasocostrizione e adesione delle piastrine alla superficie danneggiata. Le piastrine si attivano, cambiano forma e aggregano, formando un tappo iniziale. Contemporaneamente una rete di reazioni enzimatiche, chiamata cascata della coagulazione, conduce alla trasformazione del fibrinogeno in fibrina, le cui fibre stabilizzano il coagulo.

La coagulazione deve essere efficace nel luogo del danno ma limitata negli altri distretti, per evitare ostruzioni vascolari non necessarie. Esistono quindi sistemi anticoagulanti e meccanismi di fibrinolisi, che favoriscono la degradazione della fibrina quando il coagulo non serve più. Un trombo è un coagulo formatosi all'interno del sistema cardiovascolare in condizioni patologiche; può ostruire localmente il flusso o dare origine a emboli. Il corretto funzionamento dell'emostasi richiede un equilibrio tra formazione e rimozione dei coaguli.

27. Respirazione polmonare e scambi gassosi

27.1 Le vie respiratorie

L'apparato respiratorio convoglia aria dall'ambiente alle superfici di scambio dei polmoni. Le cavità nasali riscaldano, umidificano e filtrano parte dell'aria; faringe e laringe mettono in comunicazione i distretti superiori con la trachea. La trachea si divide nei bronchi principali, che proseguono in ramificazioni sempre più piccole fino ai bronchioli e alle regioni alveolari. Le pareti di numerose vie respiratorie possiedono epitelio ciliato e cellule che producono muco: il movimento delle ciglia contribuisce ad allontanare particelle verso la faringe.

Gli alveoli polmonari sono piccole strutture aerifere delimitate da pareti molto sottili e strettamente associate ai capillari. La loro ampia superficie complessiva favorisce il trasferimento di ossigeno e anidride carbonica. Le cellule alveolari di tipo II producono surfattante, una miscela che riduce la tensione superficiale e contribuisce a prevenire il collasso degli alveoli. La barriera tra aria e sangue è sottile, ma deve allo stesso tempo limitare il passaggio non controllato di liquidi e microrganismi.

27.2 Meccanica dell'inspirazione e dell'espirazione

La ventilazione polmonare è il movimento dell'aria dentro e fuori dai polmoni. Durante l'inspirazione tranquilla il diaframma si contrae e si abbassa, mentre altri muscoli possono contribuire all'espansione toracica. L'aumento di volume determina una diminuzione della pressione interna rispetto a quella atmosferica, per cui l'aria entra. Durante l'espirazione tranquilla il diaframma si rilassa e il ritorno elastico di polmoni e gabbia toracica favorisce l'uscita dell'aria. Nell'espirazione forzata intervengono muscoli addizionali.

La quantità d'aria movimentata dipende da volumi e capacità polmonari. Il volume corrente è l'aria inspirata o espirata in un respiro normale; la capacità vitale è la massima quantità d'aria mobilizzabile tra un'inspirazione massimale e un'espirazione massimale. Una parte dell'aria occupa vie di conduzione dove non avvengono scambi significativi e costituisce lo spazio morto anatomico. La ventilazione efficace degli alveoli dipende quindi da frequenza respiratoria, volume corrente e quantità di aria che non raggiunge le superfici di scambio.

27.3 Diffusione dei gas e loro trasporto

Ossigeno e anidride carbonica attraversano le superfici respiratorie principalmente per diffusione, guidata dalle differenze di pressione parziale. La pressione parziale di un gas rappresenta il contributo che esso fornisce alla pressione totale della miscela. Negli alveoli, in condizioni normali, l'ossigeno passa verso il sangue venoso dei capillari polmonari, mentre l'anidride carbonica si muove prevalentemente nella direzione opposta. Gli scambi sono facilitati dall'ampia superficie, dalla barriera sottile e dal continuo rinnovo di aria e sangue.

Nei tessuti la direzione dei gradienti tende a invertirsi per l'ossigeno: le cellule lo consumano, mantenendo una pressione parziale inferiore a quella del sangue arterioso. L'emoglobina lega l'ossigeno in modo cooperativo; la relazione tra pressione parziale e saturazione è descritta da una curva sigmoide. In condizioni di pH più basso e maggiore concentrazione di CO₂, il rilascio dell'ossigeno ai tessuti può essere facilitato, fenomeno noto come effetto Bohr. Respirazione polmonare e respirazione cellulare sono processi diversi ma strettamente integrati.

27.4 Il controllo del ritmo respiratorio

Il ritmo respiratorio è regolato da reti nervose situate prevalentemente nel tronco encefalico e modulate da segnali chimici e meccanici. I chemiorecettori centrali rispondono soprattutto a variazioni legate alla CO₂ e al pH, mentre quelli periferici rilevano anche condizioni di diminuzione dell'ossigeno arterioso. L'aumento della CO₂ costituisce un importante stimolo per incrementare la ventilazione. Il controllo volontario può modificare temporaneamente il respiro, ma i meccanismi automatici garantiscono la continuità dell'attività respiratoria.

Durante l'esercizio fisico la ventilazione aumenta per sostenere gli scambi, in coordinazione con le variazioni della circolazione. La regolazione non dipende da un solo sensore, ma dall'integrazione di informazioni sui gas del sangue, sull'attività muscolare e sullo stato dell'organismo. Le condizioni che riducono la superficie di scambio, ostacolano il flusso aereo o alterano la perfusione polmonare possono compromettere l'efficienza respiratoria con meccanismi differenti. Per questo dispnea, ipossiemia e ipoventilazione sono termini che descrivono fenomeni correlati ma non identici.

28. Apparato urinario e bilancio dei liquidi

28.1 Reni e struttura del nefrone

I reni filtrano il sangue e regolano acqua, elettroliti, equilibrio acido-base ed eliminazione di numerosi prodotti del metabolismo. Ogni rene contiene un grande numero di unità funzionali chiamate nefroni. Un nefrone comprende un glomerulo, rete di capillari dove inizia la filtrazione, una capsula che raccoglie il filtrato e un sistema di tubuli lungo i quali vengono riassorbite o secrete specifiche sostanze. Il filtrato iniziale non è urina definitiva: contiene molta acqua e piccole molecole che saranno in gran parte recuperate.

La barriera di filtrazione glomerulare limita il passaggio delle cellule sanguigne e di molte proteine plasmatiche, ma consente il passaggio di acqua e numerosi soluti di piccole dimensioni. La filtrazione glomerulare dipende dalle forze pressorie nei capillari e dalle proprietà della barriera. La sua velocità, spesso indicata come GFR, è un parametro importante per descrivere la funzione renale. Non coincide però con il volume finale di urina: la maggior parte dell'acqua filtrata viene riassorbita lungo i tubuli.

28.2 Filtrazione, riassorbimento e secrezione

Nel tubulo prossimale vengono recuperate grandi quantità di acqua, sodio, bicarbonato, glucosio e altre sostanze utili. L'ansa di Henle contribuisce alla formazione di un gradiente osmotico nella regione midollare del rene, favorendo la capacità di concentrare l'urina. Il tubulo distale e il sistema dei dotti collettori completano la regolazione della composizione del filtrato in risposta ai bisogni dell'organismo. Alcune sostanze vengono inoltre trasferite dal sangue al liquido tubulare attraverso secrezione tubulare.

L'escrezione finale di una sostanza può essere descritta come quantità filtrata meno quantità riassorbita più quantità secreta. Questo bilancio aiuta a comprendere perché una sostanza possa comparire nelle urine in quantità molto piccole pur essendo abbondantemente filtrata. Il glucosio, per esempio, in normali condizioni fisiologiche viene quasi completamente riassorbito; quando i sistemi di trasporto raggiungono la loro capacità massima o risultano alterati, può essere presente nell'urina. La funzione renale è quindi un processo selettivo, non un semplice setaccio.

28.3 Ormoni renali e pressione arteriosa

L'ormone antidiuretico, o vasopressina, favorisce il riassorbimento di acqua attraverso l'inserimento di particolari canali, le acquaporine, nelle membrane di cellule del dotto collettore. L'aldosterone favorisce in molti distretti renali il riassorbimento del sodio e la secrezione di potassio. Il sistema renina-angiotensina-aldosterone partecipa al controllo del volume circolante e della pressione arteriosa. I peptidi natriuretici, prodotti soprattutto in risposta alla distensione delle cavità cardiache, tendono in generale a favorire eliminazione di sodio e acqua.

Il rene produce inoltre eritropoietina, ormone che stimola la produzione dei globuli rossi nel midollo osseo, e contribuisce all'attivazione della vitamina D. Per regolare il pH del sangue, i tubuli possono riassorbire bicarbonato, secernere ioni idrogeno e produrre nuovo bicarbonato. L'apparato renale è così strettamente collegato a circolazione, respirazione, metabolismo minerale e produzione delle cellule del sangue, dimostrando l'integrazione dei sistemi fisiologici.

28.4 Vie urinarie e principali alterazioni

L'urina prodotta nei reni raggiunge la pelvi renale, percorre gli ureteri, viene raccolta nella vescica ed è espulsa attraverso l'uretra. La minzione richiede coordinazione tra la contrazione del muscolo detrusore, i meccanismi sfinterici e i circuiti nervosi. Il riempimento della vescica produce segnali sensoriali che raggiungono il sistema nervoso centrale; nell'adulto molti aspetti della minzione possono essere controllati volontariamente, pur essendo organizzati su riflessi automatici.

Una riduzione della funzione renale può compromettere eliminazione di prodotti metabolici, concentrazione delle urine ed equilibrio idroelettrolitico. L'insufficienza renale acuta si sviluppa in tempi relativamente brevi, mentre la malattia renale cronica viene definita sulla base di alterazioni persistenti della struttura o funzione renale. Le cause sono numerose e i meccanismi differenti. Quando il danno è grave possono essere necessari trattamenti sostitutivi, come dialisi o trapianto, che però non riproducono tutte le funzioni endocrine e regolatorie del rene naturale.

29. Sistema nervoso: neuroni, sinapsi e cervello

29.1 Struttura del neurone e cellule gliali

Il sistema nervoso permette di ricevere informazioni dall'ambiente e dall'organismo, elaborarle e coordinare risposte. Le cellule specializzate nella trasmissione dei segnali sono i neuroni, generalmente costituiti da un corpo cellulare, da dendriti che ricevono numerosi segnali e da un assone che porta il segnale verso altre cellule. Le cellule gliali svolgono funzioni di supporto metabolico, isolamento, difesa e regolazione dell'ambiente extracellulare. Nel sistema nervoso centrale gli oligodendrociti formano mielina intorno a determinati assoni, mentre nel periferico la stessa funzione è svolta dalle cellule di Schwann.

La mielina è un rivestimento ricco di lipidi che limita la dispersione di corrente e aumenta la velocità di conduzione. Gli spazi non mielinizzati, chiamati nodi di Ranvier, ospitano un'elevata concentrazione di canali ionici che permettono la rigenerazione del segnale. La mielinizzazione non è una semplice copertura passiva: deriva dall'interazione tra assoni e cellule gliali e può modificarsi durante sviluppo e adattamento. La velocità di un segnale nervoso dipende anche dal diametro dell'assone e dalle sue proprietà elettriche.

29.2 Potenziale di membrana e potenziale d'azione

Le membrane dei neuroni separano soluzioni con concentrazioni diverse di ioni. La combinazione dei gradienti ionici e della permeabilità selettiva genera un potenziale di membrana, cioè una differenza di potenziale elettrico tra interno ed esterno. In un neurone a riposo l'interno è normalmente negativo rispetto all'esterno. La pompa sodio-potassio contribuisce a mantenere i gradienti, mentre canali ionici aperti anche a riposo determinano una parte importante del valore istantaneo del potenziale.

Un potenziale d'azione è una rapida variazione del potenziale che può propagarsi lungo l'assone. Quando uno stimolo porta la membrana a una soglia sufficiente, molti canali del sodio dipendenti dal voltaggio si aprono: il sodio entra e la membrana si depolarizza. In seguito i canali del sodio si inattivano e si aprono canali del potassio, favorendo ripolarizzazione e talvolta una breve iperpolarizzazione. Il periodo refrattario limita la frequenza con cui la stessa regione può generare nuovi potenziali e contribuisce alla direzionalità della propagazione.

29.3 Sinapsi chimiche ed elettriche

Una sinapsi è una regione specializzata di comunicazione tra neuroni o tra un neurone e un'altra cellula. Nelle sinapsi chimiche l'arrivo del potenziale d'azione al terminale nervoso apre canali del calcio; l'ingresso di Ca²⁺ favorisce la fusione di vescicole contenenti neurotrasmettitori con la membrana presinaptica. I neurotrasmettitori raggiungono recettori della cellula postsinaptica e ne modificano l'attività. Il segnale termina attraverso ricaptazione, degradazione enzimatica o diffusione lontano dalla sinapsi.

Le sinapsi possono produrre effetti eccitatori o inibitori, a seconda dei recettori e delle proprietà della cellula bersaglio. Molecole come glutammato, GABA, acetilcolina, dopamina e serotonina partecipano a circuiti diversi, ma non possono essere ridotte a etichette semplicistiche come “ormone della felicità”. Nelle sinapsi elettriche, invece, strutture di collegamento consentono il passaggio diretto di corrente ionica tra cellule, favorendo comunicazioni rapide e spesso sincronizzate. L'elaborazione nervosa dipende dall'integrazione di migliaia di segnali in reti complesse.

29.4 Organizzazione del sistema nervoso

Il sistema nervoso centrale comprende encefalo e midollo spinale; il sistema nervoso periferico comprende nervi e gangli esterni al centrale. Nell'encefalo la corteccia cerebrale partecipa a funzioni sensoriali, motorie e cognitive; il cervelletto contribuisce a coordinazione, apprendimento motorio e precisione dei movimenti; il tronco encefalico ospita circuiti essenziali per funzioni vitali e vie di collegamento. Il midollo spinale conduce informazioni e contiene circuiti per molti riflessi.

Una componente del sistema periferico è il sistema nervoso autonomo, che regola numerose funzioni involontarie di cuore, ghiandole e muscolatura liscia. Le sue divisioni simpatica e parasimpatica hanno azioni che dipendono dall'organo e dal contesto; non sono semplicemente una parte che accelera tutto e una che rallenta tutto. Il sistema nervoso enterico, presente nella parete dell'apparato digerente, organizza molte funzioni locali di motilità e secrezione. Le attività nervose dell'organismo emergono dalla collaborazione di questi circuiti.

29.5 Plasticità, memoria e apprendimento

La plasticità nervosa è la capacità di modificare connessioni e proprietà funzionali in risposta all'esperienza, all'attività e a segnali biologici. Alcune sinapsi possono rafforzarsi o indebolirsi attraverso meccanismi di potenziamento e depressione a lungo termine. Queste modificazioni sono tra i processi studiati per comprendere apprendimento e memoria, ma la memoria non risiede in una singola sostanza o in un unico neurone. Coinvolge reti distribuite e cambiamenti a diversi livelli, dalle proteine alle connessioni tra regioni cerebrali.

L'ippocampo contribuisce in modo importante alla formazione di numerose memorie dichiarative, mentre altre forme di apprendimento coinvolgono circuiti differenti. Il sonno, l'attenzione, la ripetizione e il significato delle informazioni possono influenzare la memorizzazione. I neuroni non sono completamente immobili dal punto di vista funzionale: le spine dendritiche e le connessioni sinaptiche possono cambiare, e specifiche popolazioni cellulari hanno capacità di adattamento durature. La plasticità tuttavia non è illimitata e dipende da età, condizioni fisiologiche e caratteristiche delle reti coinvolte.

30. Organi di senso e percezione

30.1 Dallo stimolo al segnale nervoso

Un recettore sensoriale è una struttura capace di trasformare una forma di stimolo in un cambiamento elettrico o chimico che può essere interpretato dal sistema nervoso. Il processo prende il nome di trasduzione sensoriale. I recettori possono rispondere a luce, pressione, vibrazioni, sostanze chimiche, temperatura o danno tissutale. Il cervello non riceve direttamente immagini o suoni: riceve impulsi e segnali organizzati, dai quali costruisce percezioni attraverso l'elaborazione delle informazioni provenienti dagli organi di senso.

La sensazione è diversa dalla percezione. La prima riguarda l'acquisizione del segnale; la seconda comprende l'interpretazione in relazione al contesto, all'esperienza e all'attenzione. Per esempio, due stimoli visivi identici possono essere percepiti in modo differente se inseriti in sfondi diversi. La soglia sensoriale è il livello minimo di stimolazione necessario per generare una risposta definita secondo un criterio sperimentale. Molti recettori presentano adattamento, cioè diminuzione della risposta durante uno stimolo prolungato.

30.2 Occhio e visione

La luce entra nell'occhio attraverso la cornea, attraversa l'umor acqueo, la pupilla e il cristallino, per raggiungere la retina. Il cristallino modifica la propria forma durante l'accomodazione, favorendo la messa a fuoco a distanze diverse. Nella retina i bastoncelli sono particolarmente sensibili a basse intensità luminose, mentre i coni permettono una visione dettagliata e contribuiscono alla percezione dei colori. Questi fotorecettori trasformano l'energia luminosa in modificazioni dell'attività elettrica mediante molecole fotosensibili.

La trasmissione del segnale attraversa reti di cellule retiniche e raggiunge le cellule gangliari, i cui assoni formano il nervo ottico. Le vie visive si dirigono verso diverse regioni encefaliche, inclusa la corteccia visiva. Il punto cieco della retina corrisponde al luogo di uscita del nervo ottico, privo di fotorecettori; normalmente non lo percepiamo grazie all'integrazione dei segnali provenienti dai due occhi e all'elaborazione cerebrale. La visione dei colori nasce dal confronto tra risposte di tipi differenti di coni, non da un unico sensore universale di colore.

30.3 Orecchio, equilibrio e percezione dei suoni

L'orecchio esterno convoglia onde sonore verso la membrana timpanica, che vibra e trasmette il movimento agli ossicini dell'orecchio medio: martello, incudine e staffa. Nell'orecchio interno la coclea contiene liquidi e cellule sensoriali dotate di stereociglia. La vibrazione della membrana basilare sposta le stereociglia rispetto a strutture vicine e provoca modificazioni dei canali ionici, trasformando il movimento meccanico in segnali elettrici. Regioni diverse della coclea rispondono in modo preferenziale a frequenze differenti, realizzando una mappa tonotopica.

L'apparato vestibolare partecipa al senso dell'equilibrio e comprende canali semicircolari, utili a rilevare rotazioni della testa, e organi otolitici, sensibili a determinati movimenti lineari e alla gravità. Le informazioni vestibolari vengono integrate con quelle visive e propriocettive per stabilizzare postura e sguardo. L'equilibrio non dipende quindi esclusivamente dall'orecchio: si costruisce combinando segnali provenienti da differenti sistemi sensoriali.

30.4 Tatto, dolore, gusto e olfatto

I recettori cutanei permettono di percepire pressione, vibrazione e deformazione attraverso meccanismi differenti. I termorecettori rispondono a intervalli di temperatura, mentre i nocicettori rilevano stimoli potenzialmente dannosi. La nocicezione è il processo di rilevazione e trasmissione di questi stimoli, mentre il dolore è un'esperienza complessa che comprende aspetti sensoriali, emotivi e cognitivi. Per questo intensità di uno stimolo e intensità del dolore non sono sempre proporzionali.

Il gusto dipende da recettori presenti soprattutto nei bottoni gustativi, capaci di contribuire alla percezione di qualità come dolce, salato, acido, amaro e umami. L'olfatto rileva molecole volatili attraverso neuroni recettoriali specializzati della mucosa olfattiva. Il sapore di un alimento deriva dall'integrazione di gusto, olfatto, temperatura e sensazioni meccaniche. Il sistema sensoriale rappresenta dunque un esempio di come la percezione emerga dall'incontro tra struttura biologica, elaborazione nervosa e contesto.

31. Sistema endocrino e coordinamento ormonale

31.1 Che cosa sono gli ormoni

Gli ormoni sono messaggeri chimici prodotti da cellule o ghiandole che influenzano l'attività di altre cellule dotate di recettori specifici. Nella segnalazione endocrina i messaggeri raggiungono bersagli distanti attraverso il sangue; nella segnalazione paracrina agiscono soprattutto su cellule vicine; nella segnalazione autocrina influenzano la stessa cellula che li ha prodotti. Gli ormoni possono essere peptidi, derivati di amminoacidi o lipidi steroidei e non attraversano tutti le membrane nello stesso modo.

Gli ormoni peptidici si legano generalmente a recettori di membrana e attivano vie di segnalazione intracellulari; numerosi ormoni steroidei attraversano la membrana e si legano a recettori capaci di influenzare l'espressione dei geni. La risposta dipende dalla concentrazione dell'ormone ma anche dal numero e dall'attività dei recettori, dall'interazione con altri segnali e dal tipo di tessuto. Una stessa molecola può dunque produrre effetti differenti in cellule diverse.

31.2 Ipotalamo e ipofisi

L'ipotalamo è una regione dell'encefalo che integra segnali nervosi e ormonali. Regola molti aspetti dell'omeostasi, come fame, sete, termoregolazione e attività endocrina. L'ipofisi o ghiandola pituitaria è collegata all'ipotalamo e comprende regioni con attività differenti. L'adenoipofisi produce ormoni come TSH, ACTH, GH, prolattina, FSH e LH, che regolano altre ghiandole o tessuti bersaglio. La neuroipofisi rilascia nel sangue ossitocina e vasopressina, sintetizzate da neuroni ipotalamici.

Numerosi assi endocrini sono organizzati come circuiti di feedback negativo. Nell'asse ipotalamo-ipofisi-tiroide, per esempio, segnali ipotalamici stimolano la secrezione di TSH, che favorisce la produzione di ormoni tiroidei; concentrazioni adeguate di questi ultimi limitano a loro volta la stimolazione a monte. La regolazione permette di evitare variazioni eccessive, ma può essere modificata da ritmi biologici, condizioni di stress e bisogni fisiologici.

31.3 Tiroide, surreni e pancreas endocrino

La tiroide produce ormoni contenenti iodio, principalmente T₄ e T₃, che influenzano il metabolismo, lo sviluppo e la risposta di molti tessuti. Le paratiroidi producono paratormone, importante nel controllo dell'equilibrio del calcio e del fosfato. Le ghiandole surrenali comprendono una corticale che produce ormoni steroidei, tra cui cortisolo e aldosterone, e una midollare che rilascia soprattutto catecolamine come adrenalina. La loro attività partecipa alla regolazione dello stress, della pressione e del metabolismo.

Il pancreas endocrino contiene cellule organizzate in isole che producono insulina, glucagone e altri messaggeri. Il cortisolo influenza il metabolismo dei nutrienti e le risposte allo stress; l'aldosterone contribuisce alla regolazione renale di sodio e potassio; l'adrenalina modifica rapidamente numerose attività cardiovascolari e metaboliche. Nessuno di questi ormoni agisce isolatamente: gli effetti fisiologici sono il risultato di reti nelle quali i messaggeri interagiscono in tempi e organi differenti.

31.4 Ritmi biologici e adattamento

Molte secrezioni ormonali presentano una ritmicità. Un ritmo circadiano è un'oscillazione biologica con periodo di circa ventiquattro ore, coordinata negli esseri umani anche da segnali luminosi. Il nucleo soprachiasmatico dell'ipotalamo partecipa alla sincronizzazione di numerosi orologi corporei. La melatonina è prodotta principalmente dalla ghiandola pineale secondo segnali di regolazione collegati al ciclo luce-buio e contribuisce alla comunicazione del tempo biologico.

Gli orologi circadiani influenzano temperatura, metabolismo, vigilanza e secrezione di diversi ormoni. Il cortisolo, per esempio, segue in condizioni normali un andamento giornaliero, sebbene con forti differenze individuali e influenze del sonno e dello stress. I ritmi biologici non sono soltanto risposte passive alla luce: derivano da sistemi molecolari oscillatori che possono continuare temporaneamente anche senza segnali esterni. Quando gli orologi interni e gli orari sociali risultano disallineati, varie funzioni fisiologiche possono risentirne.

32. Sistema immunitario e difesa dell'organismo

32.1 Barriere e immunità innata

Il sistema immunitario protegge l'organismo da numerosi agenti potenzialmente dannosi, ma svolge anche funzioni di sorveglianza e mantenimento dell'equilibrio dei tessuti. La prima difesa comprende barriere fisiche e chimiche: cute, muco, movimenti ciliari, acidità gastrica e sostanze antimicrobiche. Se un microrganismo supera queste barriere può incontrare l'immunità innata, insieme di risposte relativamente rapide che riconoscono caratteristiche molecolari comuni a molti gruppi di agenti infettivi o segnali di danno cellulare.

Le cellule innate comprendono neutrofili, macrofagi, cellule dendritiche, cellule natural killer e altre popolazioni. Alcune inglobano materiale estraneo attraverso fagocitosi; altre rilasciano segnali che richiamano cellule di difesa o inducono risposte antimicrobiche. Le proteine del complemento possono contribuire al riconoscimento e all'eliminazione di microrganismi. La febbre e l'infiammazione sono risposte fisiologiche regolate; possono favorire la difesa, ma se eccessive possono danneggiare anche i tessuti dell'ospite.

32.2 Immunità adattativa e linfociti

L'immunità adattativa è caratterizzata da riconoscimento altamente specifico e capacità di generare memoria immunologica. I principali protagonisti sono i linfociti B e T. I linfociti B possono differenziarsi in plasmacellule che producono anticorpi, proteine capaci di legare strutture molecolari chiamate antigeni. I linfociti T includono popolazioni helper, che coordinano risposte attraverso segnali, e popolazioni citotossiche, capaci di eliminare cellule che presentano determinati antigeni associati a condizioni anomale o infezioni.

Le cellule dell'organismo presentano frammenti proteici mediante molecole del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC). I linfociti T riconoscono specifiche combinazioni di peptide e MHC attraverso il proprio recettore. Quando una risposta adattativa viene attivata, pochi linfociti specifici possono proliferare, generando molte cellule effettrici: questo processo prende il nome di espansione clonale. Una parte delle cellule può persistere come memoria, facilitando risposte più rapide o efficaci in incontri successivi con lo stesso antigene.

32.3 Anticorpi, vaccinazione e immunizzazione

Un anticorpo, o immunoglobulina, possiede regioni variabili che riconoscono l'antigene e regioni costanti che interagiscono con altri componenti immunitari. Gli anticorpi possono neutralizzare tossine o virus, favorire la fagocitosi e attivare particolari meccanismi del complemento. Esistono classi diverse, come IgM, IgG, IgA e IgE, coinvolte in contesti fisiologici differenti. La risposta anticorpale non è l'unico modo con cui l'organismo sviluppa protezione: l'immunità mediata dai linfociti T svolge ruoli fondamentali contro numerosi patogeni.

La vaccinazione espone il sistema immunitario a un antigene o alle istruzioni per produrlo in modo controllato, con lo scopo di favorire una memoria protettiva senza dover affrontare il rischio della malattia naturale. L'immunizzazione passiva fornisce invece anticorpi già formati e può offrire protezione più immediata ma normalmente meno duratura. I diversi vaccini hanno meccanismi, indicazioni e profili di efficacia specifici. Una protezione efficace non implica necessariamente l'impossibilità assoluta di infezione: può anche manifestarsi come riduzione della probabilità di malattia grave.

32.4 Allergie, autoimmunità e immunodeficienza

Un'allergia è una risposta immunitaria inappropriata verso sostanze generalmente innocue per la maggior parte delle persone. In molte reazioni allergiche immediate sono coinvolte IgE e mastociti, che rilasciano mediatori come istamina. Le malattie autoimmuni si verificano quando risposte immunitarie contribuiscono ad attaccare componenti dell'organismo stesso. Le cause sono multifattoriali, legate a predisposizioni genetiche e fattori ambientali, e i meccanismi differiscono molto tra le patologie.

Le immunodeficienze sono condizioni nelle quali componenti della difesa risultano assenti o insufficienti; possono essere congenite oppure acquisite. Il sistema immunitario deve mantenere un delicato equilibrio tra capacità di riconoscere minacce e tolleranza immunologica verso strutture proprie e numerosi segnali innocui. Un'attività immunitaria eccessiva non è sinonimo di salute migliore: può produrre allergia, infiammazione cronica e danno tissutale. L'obiettivo della regolazione immunitaria è una risposta adeguata al contesto, non un'attivazione indiscriminata.

33. Riproduzione umana e sviluppo embrionale

33.1 Apparato riproduttore e gametogenesi

La riproduzione sessuata umana richiede la formazione di gameti aploidi e la loro eventuale fusione. Nei testicoli la spermatogenesi produce spermatozoi a partire da cellule germinali attraverso mitosi, meiosi e maturazione. Le cellule di Sertoli sostengono il processo nei tubuli seminiferi, mentre le cellule di Leydig producono testosterone in risposta a segnali ormonali. Lo spermatozoo maturo possiede una testa contenente il nucleo, un acrosoma con componenti necessarie alla fecondazione, una regione ricca di mitocondri e un flagello per la motilità.

Nelle ovaie l'ovogenesi ha un andamento differente. Le cellule germinali iniziano il processo meiotico prima della nascita e numerosi ovociti rimangono arrestati in una fase della meiosi per un periodo prolungato. Durante i cicli riproduttivi alcuni follicoli iniziano a maturare, ma in genere uno raggiunge l'ovulazione in un ciclo spontaneo tipico. L'ovocita secondario completa la meiosi II normalmente soltanto in seguito alla fecondazione. I prodotti meiotici sono asimmetrici perché la maggior parte del citoplasma viene conservata in una sola cellula funzionale.

33.2 Ciclo ovarico e ciclo uterino

Il ciclo ovarico comprende una fase follicolare, l'ovulazione e una fase luteale. L'FSH stimola la crescita e la maturazione dei follicoli ovarici; un picco di LH contribuisce a innescare l'ovulazione. Il follicolo residuo si trasforma in corpo luteo, che produce soprattutto progesterone e anche estrogeni. In assenza di gravidanza il corpo luteo regredisce e diminuisce il sostegno ormonale all'endometrio. Il ciclo uterino comprende modificazioni dell'endometrio, rivestimento interno dell'utero, che si prepara a un'eventuale gravidanza.

Le mestruazioni sono la perdita di una parte del rivestimento endometriale in risposta alla riduzione dei segnali ormonali. La durata del ciclo varia tra individui e anche tra cicli della stessa persona: ventotto giorni rappresentano un esempio didattico, non una regola biologica universale. L'ovulazione non avviene necessariamente al quattordicesimo giorno; il suo momento può variare in relazione alla lunghezza della fase follicolare. La regolazione coinvolge feedback tra ipotalamo, ipofisi, ovaie ed endometrio.

33.3 Fecondazione e prime divisioni

La fecondazione avviene normalmente nel tratto ampollare di una tuba uterina, quando uno spermatozoo riesce a fondersi con l'ovocita. Il riconoscimento tra gameti, le modificazioni delle membrane e l'attivazione dell'ovocita impediscono, in condizioni normali, la fusione efficace con spermatozoi aggiuntivi. Si forma uno zigote diploide che inizia divisioni mitotiche successive, chiamate segmentazione. Nelle prime fasi le cellule risultanti, dette blastomeri, diventano più numerose mentre il volume complessivo dell'embrione cambia relativamente poco.

L'embrione attraversa una fase di morula e successivamente raggiunge lo stadio di blastocisti, caratterizzato da una cavità interna e da gruppi cellulari con destini differenti. Nelle condizioni appropriate la blastocisti può impiantarsi nell'endometrio. L'impianto richiede una comunicazione complessa tra tessuti embrionali e materni. Durante la gravidanza si sviluppa la placenta, organo temporaneo che consente numerosi scambi e produce ormoni; il sangue materno e quello fetale normalmente non scorrono come un unico circuito indistinto.

33.4 Gastrulazione, foglietti embrionali e organogenesi

Durante la gastrulazione si stabiliscono tre principali foglietti embrionali: ectoderma, mesoderma ed endoderma. L'ectoderma contribuisce tra l'altro alla formazione dell'epidermide e del sistema nervoso; il mesoderma a numerosi tessuti muscolari, scheletrici e circolatori; l'endoderma ai rivestimenti interni di varie parti dell'apparato digerente e respiratorio. Questa ripartizione è una guida generale: il destino preciso di ciascuna regione dipende da spostamenti cellulari e segnali di sviluppo molto articolati.

L'organogenesi è il processo mediante il quale si formano organi e sistemi. Le cellule embrionali ricevono segnali che ne regolano proliferazione, migrazione, forma e differenziamento. La neurulazione contribuisce alla formazione del tubo neurale, precursore di gran parte del sistema nervoso centrale. L'apoptosi svolge ruoli fisiologici nello sviluppo, aiutando a modellare alcune strutture. Lo sviluppo umano non è soltanto l'ingrandimento di un organismo già formato, ma una sequenza regolata di cambiamenti nella distribuzione e nelle proprietà delle cellule.

33.5 Contraccezione e salute riproduttiva

I metodi contraccettivi riducono la probabilità di una gravidanza attraverso meccanismi differenti. I metodi barriera, come i preservativi, ostacolano l'incontro tra gameti; quelli ormonali possono influire sull'ovulazione, sul muco cervicale o sull'endometrio secondo formulazione; i dispositivi intrauterini hanno meccanismi che dipendono dal tipo di dispositivo. I metodi differiscono per efficacia con uso perfetto e uso tipico, reversibilità, controindicazioni e protezione dalle infezioni trasmesse sessualmente.

Le infezioni a trasmissione sessuale possono essere causate da batteri, virus e altri agenti, e spesso non producono sintomi immediati. La prevenzione comprende informazione, metodi barriera quando appropriati, vaccinazioni disponibili e accesso a test e cure. Le tecniche di procreazione medicalmente assistita possono supportare persone o coppie con difficoltà riproduttive e comprendono procedure differenti, come inseminazione e fecondazione in vitro. La biologia aiuta a comprendere le possibilità tecniche, ma le decisioni sanitarie richiedono una valutazione clinica individuale.

34. Integrazione fisiologica e risposta agli stress

34.1 Coordinazione tra sistemi

Nell'organismo nessun apparato funziona realmente in isolamento. Durante una corsa il sistema nervoso incrementa l'attività motoria e coordina il movimento; il sistema cardiovascolare redistribuisce il sangue; i polmoni aumentano la ventilazione; il metabolismo muscolare rigenera ATP con maggiore rapidità. Le ghiandole endocrine modificano la disponibilità dei combustibili e il rene contribuisce alla regolazione più lenta di acqua e sali. La fisiologia integrata studia proprio queste interazioni tra livelli differenti.

Un esempio rilevante è la risposta a una riduzione del volume circolante: i recettori di pressione inviano segnali nervosi, il cuore e i vasi modificano la loro attività, l'ormone antidiuretico contribuisce al risparmio di acqua e il sistema renina-angiotensina-aldosterone regola il recupero di sodio e la resistenza vascolare. L'effetto complessivo non coincide con la somma indipendente di ogni organo, perché i sistemi si influenzano reciprocamente mediante segnali di feedback.

34.2 Termoregolazione ed equilibrio energetico

La temperatura corporea dipende dalla produzione interna di calore e dagli scambi con l'ambiente. Il calore può essere trasferito per conduzione, convezione, irraggiamento ed evaporazione. L'ipotalamo integra segnali di temperatura e regola risposte come sudorazione, vasodilatazione cutanea e brivido muscolare. Le alterazioni della temperatura non sono tutte equivalenti: la febbre dipende da una modificazione regolata del set-point termico, mentre l'ipertermia si verifica quando la temperatura aumenta oltre la capacità dei meccanismi di dissipazione.

L'equilibrio energetico del corpo riguarda energia assunta, trasformazioni metaboliche, attività fisica e immagazzinamento. Il tessuto adiposo è un organo metabolicamente attivo, non una semplice riserva inerte, e produce anche molecole segnale. Il sistema nervoso centrale integra informazioni su disponibilità energetica, stato nutrizionale e ambiente. Le sensazioni di fame e sazietà dipendono da segnali multipli e non possono essere spiegate con un solo ormone o con la pura volontà individuale.

34.3 Stress acuto e adattamento cronico

Una risposta di stress acuto può mobilitare rapidamente risorse in presenza di una minaccia o di una richiesta impegnativa. L'attività simpatica e il rilascio di catecolamine contribuiscono ad aumentare attenzione, frequenza cardiaca e disponibilità di combustibili. L'asse ipotalamo-ipofisi-surrene regola anche la produzione di glucocorticoidi, tra cui cortisolo. Queste risposte sono fisiologicamente utili quando proporzionate, ma un'attivazione persistente può interferire con sonno, metabolismo e altre funzioni.

L'adattamento a una stimolazione ripetuta dipende da intensità, durata e possibilità di recupero. Il termine allostasi descrive il mantenimento della stabilità attraverso cambiamenti regolati, mentre il carico allostatico si riferisce ai possibili costi di un'attivazione prolungata dei sistemi di adattamento. Non esiste un singolo esame o marcatore che riassuma ogni componente dello stress. La relazione tra segnali fisiologici, ambiente e salute è complessa e va studiata considerando cause multiple.

34.4 Invecchiamento biologico e senescenza

L'invecchiamento biologico comprende modificazioni progressive che interessano molecole, cellule, tessuti e capacità di risposta dell'organismo. Tra i processi studiati figurano danni macromolecolari, alterazioni della proteostasi, disfunzioni mitocondriali, modificazioni dell'attività delle cellule staminali e fenomeni di senescenza cellulare. Una cellula senescente interrompe stabilmente la proliferazione in determinate condizioni, ma può restare metabolicamente attiva e produrre segnali che influenzano il tessuto circostante.

L'invecchiamento non va confuso con una singola malattia e la sua velocità dipende da fattori genetici, ambientali e comportamentali. Le popolazioni umane mostrano un'enorme variabilità nei percorsi di salute durante la vita. Numerose ipotesi di ricerca indagano se intervenire su processi cellulari possa migliorare funzioni e prevenire patologie, ma la dimostrazione di un effetto in cellule o animali non garantisce automaticamente lo stesso risultato nelle persone. La distinzione tra ricerca di base, prove cliniche ed efficacia dimostrata rimane fondamentale.

35. Ecologia delle popolazioni e delle comunità

35.1 Individui, popolazioni e nicchia ecologica

L'ecologia studia le relazioni tra organismi e tra organismi e ambiente. Una popolazione comprende individui della stessa specie presenti in una determinata area e in un certo periodo, mentre una comunità include le popolazioni di specie differenti che interagiscono. L'ambiente comprende fattori biotici, come organismi e loro interazioni, e fattori abiotici, come luce, temperatura, acqua e caratteristiche del suolo. La distribuzione degli organismi dipende dalla combinazione di questi fattori e dalla loro storia evolutiva.

La nicchia ecologica descrive le condizioni, le risorse e le relazioni che caratterizzano il modo di vivere di una specie. Non coincide semplicemente con il luogo fisico occupato, che viene spesso chiamato habitat. Due specie possono abitare la stessa foresta ma utilizzare risorse differenti o avere ruoli ecologici diversi. Distinguere habitat e nicchia permette di capire perché la presenza di un ambiente apparentemente adatto non garantisca che una popolazione possa insediarvisi: possono mancare risorse essenziali o essere presenti competitori e predatori.

35.2 Crescita delle popolazioni

La dimensione di una popolazione cambia in funzione di nascite, morti, immigrazione ed emigrazione. Nel modello di crescita esponenziale, in condizioni ideali e senza limitazioni rilevanti, il tasso di incremento è proporzionale alla dimensione della popolazione. Si può descrivere con dN/dt = rN, dove N è il numero di individui e r è un parametro di crescita per unità di tempo. Nel mondo reale risorse limitate, competizione, predazione e malattie modificano questo andamento.

Il modello logistico introduce una capacità portante K e viene espresso come dN/dt = rN(1 − N/K). Il parametro K rappresenta la dimensione intorno alla quale, nel modello, la crescita netta rallenta per effetto delle limitazioni. La capacità portante non è necessariamente costante nella natura: può variare con le stagioni, il clima e le interazioni ecologiche. Anche le popolazioni reali possono oscillare, collassare o mostrare ritardi nelle risposte, per cui il modello logistico è uno strumento di ragionamento e non una legge matematica valida senza eccezioni.

35.3 Competizione, predazione e mutualismo

La competizione si verifica quando organismi differenti utilizzano risorse limitate, riducendone reciprocamente la disponibilità o l'accesso. Può avvenire tra individui della stessa specie, competizione intraspecifica, oppure tra specie diverse, competizione interspecifica. La predazione implica il consumo di un organismo da parte di un altro; l'erbivoria riguarda il consumo di materiale vegetale; il parassitismo comporta beneficio per il parassita e danno per l'ospite, spesso senza ucciderlo immediatamente.

Nel mutualismo entrambe le specie ottengono benefici, come accade in numerose associazioni tra radici e funghi micorrizici oppure tra fiori e impollinatori. Nel commensalismo una specie trae beneficio mentre l'altra non riceve un vantaggio o uno svantaggio rilevante nelle condizioni considerate. Le categorie descrivono effetti biologici osservabili e possono cambiare secondo l'ambiente. Un'interazione utile con abbondanza di risorse può diventare meno vantaggiosa in condizioni differenti.

35.4 Reti trofiche e dinamiche delle comunità

Una catena alimentare rappresenta una sequenza di trasferimento di materia ed energia tra organismi. I produttori primari trasformano energia esterna, di solito luminosa, in energia chimica contenuta in molecole organiche; i consumatori ricavano materia organica da altri organismi; decompositori e detritivori partecipano al riciclo dei materiali. Nella natura le relazioni sono raramente lineari e vengono rappresentate più adeguatamente come reti trofiche, nelle quali una specie può occupare posizioni differenti.

Un livello trofico descrive una posizione generale nella rete di trasferimento dell'energia. A ogni passaggio una parte dell'energia viene utilizzata per il metabolismo e dissipata come calore, per cui l'energia disponibile ai livelli superiori è solitamente minore. La regola didattica del 10% è una media molto semplificata, non un valore costante valido per ogni ecosistema. Un effetto a cascata trofica si verifica quando il cambiamento di una popolazione produce conseguenze indirette su più livelli della comunità.

36. Ecosistemi, energia e cicli biogeochimici

36.1 Ecosistema e produttività biologica

Un ecosistema comprende le comunità viventi, le componenti fisiche dell'ambiente e i flussi di materia ed energia che le collegano. I sistemi possono essere terrestri, acquatici o di transizione e possono essere descritti a scale differenti. La produttività primaria lorda rappresenta l'energia chimica fissata dai produttori in un intervallo di tempo; la produttività primaria netta è quanto resta dopo avere sottratto l'energia utilizzata dagli stessi produttori per la respirazione. Questa quota può contribuire all'accumulo di biomassa e alimentare altri livelli trofici.

La biomassa è la quantità di materia organica vivente presente in un sistema o in una sua parte. La produttività non coincide necessariamente con la biomassa: un ambiente può avere organismi che crescono rapidamente ma accumulano poca materia stabile, perché questa viene consumata o trasformata in tempi brevi. I nutrienti minerali e l'energia seguono percorsi diversi: la materia può circolare tra organismi e ambiente, mentre l'energia fluisce attraverso il sistema e viene progressivamente dispersa sotto forma di calore.

36.2 Il ciclo dell'acqua

Il ciclo idrologico descrive i trasferimenti dell'acqua tra atmosfera, superficie terrestre, oceani, suolo e organismi. L'evaporazione trasforma acqua liquida in vapore; la traspirazione porta acqua dalle piante verso l'atmosfera; la condensazione contribuisce alla formazione delle nubi; le precipitazioni riportano acqua verso la superficie. Una parte dell'acqua scorre in superficie, una si infiltra nel terreno e può raggiungere acquiferi sotterranei; un'altra viene immagazzinata temporaneamente come neve e ghiaccio.

La velocità e la distribuzione dei flussi dipendono da temperatura, circolazione atmosferica, geologia, vegetazione e uso del suolo. L'urbanizzazione può ridurre l'infiltrazione e aumentare il deflusso superficiale, mentre la perdita di vegetazione può modificare evapotraspirazione e stabilità del suolo. Il ciclo dell'acqua non implica che ogni regione riceva sempre la stessa quantità di precipitazioni: l'energia climatica e la circolazione atmosferica possono generare forti differenze stagionali e geografiche.

36.3 Il ciclo del carbonio

Il carbonio circola tra atmosfera, organismi, suoli, oceani e rocce. La fotosintesi incorpora CO₂ in composti organici, mentre respirazione, decomposizione e combustione restituiscono carbonio all'ambiente in forme differenti. L'oceano scambia CO₂ con l'atmosfera e contiene grandi quantità di carbonio disciolto sotto forma di bicarbonato e altre specie chimiche. Su scale temporali molto lunghe processi geologici, come sedimentazione e alterazione delle rocce, contribuiscono a regolare i serbatoi di carbonio.

La combustione di combustibili fossili trasferisce rapidamente nell'atmosfera carbonio che era stato accumulato e isolato per tempi geologici. La deforestazione e alcune modificazioni dell'uso del suolo influiscono sui flussi e sugli accumuli terrestri. L'aumento della CO₂ atmosferica modifica il bilancio radiativo della Terra e contribuisce al riscaldamento climatico. Gli organismi e gli ecosistemi non sono semplici spettatori di tali cambiamenti: rispondono alle nuove condizioni e possono amplificare o attenuare alcuni processi attraverso retroazioni ecologiche e biogeochimiche.

36.4 Il ciclo dell'azoto e del fosforo

L'azoto è essenziale per proteine e acidi nucleici, ma molti organismi non possono utilizzare direttamente l'azoto atmosferico N₂. La fissazione dell'azoto converte N₂ in forme chimiche assimilabili ed è svolta da particolari microrganismi oppure da processi industriali. L'ammonificazione restituisce azoto organico a forme ammoniacali, mentre la nitrificazione trasforma ammonio in nitrito e nitrato attraverso processi microbici. La denitrificazione può riportare azoto verso l'atmosfera come gas azotati in determinate condizioni.

Il fosforo è presente in ATP, acidi nucleici e membrane; il suo ciclo è fortemente legato a suolo, rocce, acque e organismi, con un ruolo atmosferico molto meno diretto rispetto all'azoto. L'eccesso di nutrienti in laghi e zone costiere può favorire l'eutrofizzazione, processo caratterizzato da aumento della produzione primaria e possibili condizioni di carenza di ossigeno quando la biomassa viene decomposta. La gestione dei nutrienti agricoli e degli scarichi ha quindi conseguenze importanti per la qualità delle acque e per gli ecosistemi.

37. Cambiamento ambientale e conservazione

37.1 Il clima e le risposte biologiche

Il clima descrive le condizioni statistiche dell'atmosfera considerate su intervalli di tempo sufficientemente lunghi, mentre il tempo meteorologico riguarda gli stati e le variazioni a breve termine. Il riscaldamento globale altera temperature medie, frequenza di alcuni eventi estremi, regimi delle precipitazioni e molte condizioni oceaniche. La risposta degli organismi dipende da tolleranza fisiologica, capacità di spostamento, cicli vitali e interazioni con altre specie. Alcune popolazioni modificano distribuzione geografica o periodi di fioritura e riproduzione, mentre altre non riescono ad adattarsi abbastanza rapidamente.

La fenologia studia la tempistica di eventi biologici stagionali, come germinazione, migrazione o fioritura. Se un impollinatore e una pianta rispondono in modo diverso alla temperatura, i periodi delle loro attività possono diventare meno sincronizzati. Le variazioni climatiche interagiscono con frammentazione degli habitat, inquinamento e sfruttamento delle risorse, producendo conseguenze che non si comprendono considerando un fattore alla volta. La conservazione richiede quindi un approccio che integri dinamiche ecologiche e attività umane.

37.2 Distruzione degli habitat e specie invasive

La perdita e la frammentazione degli habitat riducono la superficie disponibile e possono isolare le popolazioni. Piccoli gruppi isolati rischiano una diminuzione della variabilità genetica e possono diventare più vulnerabili a eventi casuali. I corridoi ecologici e le reti di aree naturali possono facilitare movimenti e flusso genico quando progettati in modo coerente con le esigenze delle specie. La sola esistenza di uno spazio verde non assicura, tuttavia, che esso svolga una funzione ecologica adeguata per tutti gli organismi.

Una specie esotica è stata introdotta fuori dal proprio areale originario, spesso attraverso attività umane. Diventa invasiva quando si stabilisce e diffonde causando impatti rilevanti sull'ambiente, sull'economia o sulla salute. Non tutte le specie esotiche sono invasive, ma alcune possono competere con specie native, modificare reti trofiche o introdurre patogeni. Gli interventi più efficaci comprendono prevenzione delle introduzioni, controllo precoce e gestione basata sulla conoscenza del territorio e delle conseguenze ecologiche.

37.3 Biodiversità e servizi ecosistemici

Gli ecosistemi contribuiscono a numerosi processi utili alle società umane, spesso descritti come servizi ecosistemici. Tra questi figurano impollinazione di colture, regolazione idrica, formazione e conservazione del suolo, accumulo di carbonio e disponibilità di risorse biologiche. Il concetto mette in evidenza i collegamenti tra benessere umano e funzionamento della biosfera, ma non significa che il valore di una specie debba essere misurato esclusivamente dal beneficio economico immediato che produce.

Conservare la biodiversità richiede attenzione a specie, popolazioni, diversità genetica e qualità degli habitat. Gli strumenti comprendono aree protette, ripristino ecologico, regolazione dei prelievi, riduzione delle fonti di inquinamento e monitoraggio delle popolazioni. Il ripristino ecologico non coincide necessariamente con riportare un ambiente a uno stato storico identico: può significare recuperare processi, funzioni e capacità di persistenza in condizioni ormai mutate. Gli interventi devono essere valutati nel tempo e adattati sulla base dei risultati.

37.4 Sostenibilità come problema biologico e sociale

La sostenibilità riguarda la possibilità di soddisfare bisogni umani senza compromettere le basi ecologiche e sociali necessarie alle generazioni future. Dal punto di vista biologico richiede di considerare rigenerazione delle risorse, capacità degli ecosistemi di assorbire perturbazioni e limiti dei cicli naturali. Le scelte energetiche, agricole, industriali e urbane possono modificare flussi di materia e produrre effetti su specie e comunità. Anche gli interventi pensati per ridurre un impatto ambientale possono creare nuove pressioni e devono essere valutati con criteri complessivi.

L'approccio ecosistemico cerca di tenere conto delle interazioni tra processi naturali e azioni umane. La valutazione del ciclo di vita analizza impatti associati a produzione, uso e smaltimento di beni e servizi, mentre il principio di precauzione viene richiamato quando sussistono rischi potenzialmente gravi e incertezze scientifiche rilevanti. La biologia non produce automaticamente una singola soluzione politica o economica, ma offre dati, modelli e limiti fisici essenziali per confrontare alternative in modo trasparente.

38. Collegamenti tra i grandi temi della biologia

38.1 Dalla molecola all'organismo

La biologia molecolare, la fisiologia e l'ecologia studiano aspetti diversi di uno stesso fenomeno: la vita organizzata. Una membrana cellulare utilizza le proprietà dei lipidi per creare una separazione selettiva; le proteine di membrana trasformano questa separazione in un sistema di trasporto e comunicazione; le cellule coordinate costruiscono tessuti che realizzano scambi su scala corporea. La diffusione dell'ossigeno, per esempio, compare sia a livello della membrana del mitocondrio sia nell'epitelio alveolare, ma con organizzazioni e vincoli differenti.

Anche la regolazione si ripete a più livelli. I prodotti di una via metabolica possono inibire gli enzimi che ne favoriscono la sintesi; gli ormoni possono modificare la produzione di metaboliti; la retroazione negativa può stabilizzare pressione e glicemia; le interazioni tra popolazioni possono ridurre la crescita quando le risorse scarseggiano. I meccanismi non sono identici, ma il riconoscimento di schemi comuni aiuta a comprendere concetti nuovi senza ridurli a definizioni isolate.

38.2 Informazione, ereditarietà e ambiente

Il DNA contiene istruzioni molecolari, ma l'espressione di queste istruzioni dipende dalla presenza di fattori regolatori, dall'ambiente cellulare e dalla storia dello sviluppo. Le mutazioni introducono nuove varianti; la meiosi e la riproduzione sessuata ne riorganizzano le combinazioni; la selezione naturale e gli altri meccanismi evolutivi modificano le frequenze delle varianti nel tempo. La relazione tra genotipo e fenotipo richiede quindi di seguire passaggi che vanno dalla struttura chimica del DNA fino alle pressioni ecologiche sulle popolazioni.

Il termine informazione genetica non implica che un organismo sia il risultato inevitabile e completo di un programma immutabile. La stessa variante genetica può avere effetti differenti secondo combinazioni con altri geni, condizioni nutrizionali, segnali cellulari e fattori ambientali. Allo stesso tempo, l'ambiente non cancella a piacimento i vincoli molecolari: le possibilità di sviluppo dipendono dalle proprietà del sistema biologico. Un approccio rigoroso evita sia il determinismo genetico assoluto sia l'idea opposta secondo cui ogni caratteristica sia indipendente dal patrimonio ereditario.

38.3 Perché conoscere i meccanismi conta più delle definizioni

Memorizzare che il mitocondrio produce ATP è un primo passo, ma comprendere la sua funzione richiede di spiegare come il trasferimento degli elettroni genera un gradiente protonico e come tale gradiente alimenta ATP sintasi. Analogamente, conoscere il nome “selezione naturale” non basta: bisogna ricostruire il collegamento tra variazione ereditaria, differenze nel successo riproduttivo e modificazione delle frequenze alleliche. La conoscenza biologica diventa più solida quando ogni concetto viene collegato a una causa, a un meccanismo e a una conseguenza osservabile.

Per verificare la comprensione è utile provare a cambiare le condizioni di un problema. Che cosa succede a un globulo rosso in soluzione ipotonica? Perché l'ATP diminuisce se una catena respiratoria viene bloccata? In che modo un allele recessivo può essere trasmesso da un genitore che non manifesta il carattere? Quali conseguenze può avere la scomparsa di un grande predatore da una rete trofica? Rispondere richiede di usare i principi, non soltanto di ripetere parole. È questo l'obiettivo di uno studio autenticamente scientifico.

39. Laboratorio di ragionamento biologico

39.1 Come leggere un esperimento sulla crescita delle piante

Supponiamo di voler capire come l'intensità luminosa influenzi la crescita di una pianta. Prepariamo quattro gruppi di piantine della stessa specie, di età simile e coltivate in vasi con lo stesso terreno. Ogni gruppo riceve un'intensità luminosa differente; disponibilità d'acqua, temperatura e nutrienti vengono mantenute quanto più possibile costanti. Misuriamo l'altezza a intervalli regolari, ma possiamo registrare anche biomassa secca e numero delle foglie. L'altezza, infatti, non è sempre il miglior indicatore della crescita: una pianta può allungarsi alla ricerca della luce pur accumulando poca biomassa.

La nostra variabile indipendente è l'intensità luminosa e una delle variabili dipendenti è la biomassa. Servono più piante in ciascun gruppo per valutare la variabilità biologica. Se il gruppo più illuminato cresce meglio, possiamo ipotizzare che la luce abbia avuto un ruolo, ma dobbiamo valutare anche l'eventuale surriscaldamento e le condizioni idriche. Se la crescita diminuisce a intensità molto elevate, il risultato non smentisce la fotosintesi: potrebbe riflettere fotoinibizione o un diverso fattore limitante. L'interpretazione deve basarsi sul meccanismo e sui dati, non soltanto sulla direzione della curva.

39.2 Perché i gradienti sono così importanti

Consideriamo due contenitori comunicanti attraverso una membrana che lascia passare il potassio ma non grandi anioni organici. Se inizialmente la concentrazione di potassio è più alta nel primo contenitore, gli ioni K⁺ tendono a spostarsi verso il secondo. Lo spostamento produce però una separazione di carica elettrica, perché gli anioni non possono seguirli. La differenza di potenziale così generata finisce per ostacolare un ulteriore trasferimento degli ioni positivi. In condizioni di equilibrio elettrochimico il flusso netto è nullo anche se le concentrazioni restano differenti.

Questo esempio chiarisce perché un gradiente chimico non spieghi da solo il movimento degli ioni attraverso una membrana. Nelle cellule occorre considerare anche la componente elettrica. Per uno ione in condizioni semplificate, il potenziale di equilibrio può essere descritto dalla equazione di Nernst: E = (RT/zF) ln([ione] esterno/[ione] interno), con R costante dei gas, T temperatura assoluta, z valenza ionica ed F costante di Faraday. Non serve memorizzarne subito ogni parametro: l'idea cruciale è che la tensione elettrica capace di bilanciare una differenza di concentrazione dipende dal rapporto tra le concentrazioni e dalla carica dello ione.

39.3 Quando l'ATP cala improvvisamente

Immaginiamo una cellula che riceve ossigeno e glucosio, ma nella quale venga bloccato un complesso della catena di trasporto degli elettroni. Il trasferimento degli elettroni rallenta, il gradiente di protoni diminuisce e l'ATP sintasi dispone di meno energia per produrre ATP. Allo stesso tempo, il NADH si accumula e la disponibilità di NAD⁺ per le ossidazioni precedenti può diminuire. Le conseguenze non riguardano quindi soltanto la produzione finale di ATP: anche le tappe che forniscono elettroni possono rallentare perché non riescono a rigenerare i propri trasportatori.

La cellula può cercare di compensare aumentando il contributo della glicolisi, se dispone delle condizioni necessarie per rigenerare NAD⁺. La capacità di adattamento, però, varia tra tipi cellulari. Un tessuto con grande fabbisogno energetico e limitata flessibilità metabolica può subire danni particolarmente rapidi. Il ragionamento mostra un punto generale: in una rete metabolica, bloccare un passaggio può alterare sia i prodotti successivi sia i substrati e i cofattori dei passaggi precedenti.

39.4 Come interpretare una variazione genetica

Supponiamo di trovare una variazione di una singola base nel DNA di una persona. Non possiamo concludere immediatamente che provochi una malattia. Dobbiamo prima stabilire se sia localizzata in una regione codificante, in una regione regolatoria o in un tratto senza funzione attualmente riconosciuta. Se altera un codone, occorre capire se modifica un amminoacido; se lo modifica, bisogna valutare se la sostituzione comprometta la proteina. Anche quando un esperimento mostra un effetto molecolare, la sua importanza clinica può dipendere da altri geni e dall'ambiente.

L'interpretazione richiede dunque più livelli di evidenza: frequenza della variante nella popolazione, dati familiari, osservazioni cliniche, esperimenti funzionali e plausibilità biologica. Una variante rara non è automaticamente pericolosa, e una variante comune non è sempre priva di effetti. In laboratorio si può anche distinguere una mutazione germinale, presente fin dalla formazione dell'organismo o in linee germinali, da una alterazione somatica rilevabile soltanto in determinate cellule. Il dato genetico è l'inizio di un'indagine, non sempre la sua conclusione.

39.5 Un problema ecologico con più spiegazioni possibili

In un lago si osserva una rapida diminuzione dei pesci durante l'estate. Sarebbe prematuro attribuirla immediatamente a un predatore o a un agente patogeno. Un'ipotesi riguarda il calo dell'ossigeno disciolto, favorito da alte temperature e decomposizione di biomassa; un'altra riguarda l'ingresso di sostanze tossiche; una terza può coinvolgere malattie, alterazioni della rete trofica o fenomeni di fioritura algale. Le ipotesi producono previsioni diverse che possiamo confrontare con misure di ossigeno, temperatura, nutrienti, presenza di contaminanti e stato degli organismi.

Occorre inoltre distinguere causa immediata e causa di fondo. La mortalità potrebbe essere direttamente provocata da ipossia, mentre l'ipossia può derivare da eutrofizzazione determinata da apporti eccessivi di nutrienti. In questo caso intervenire soltanto sui pesci non risolverebbe il problema. L'analisi causale degli ecosistemi richiede di ricostruire catene di processi e di considerare che diversi fattori possano agire contemporaneamente.

40. Problemi di biologia con soluzione commentata

Problema 1 — Conversione delle unità di misura

Domanda. Un mitocondrio è lungo 2,5 µm. Quanti nanometri misura? Qual è il rapporto rispetto a una proteina di 5 nm?

Soluzione. Un micrometro corrisponde a mille nanometri: 2,5 µm = 2.500 nm. Dividendo 2.500 per 5 otteniamo 500. Il mitocondrio è quindi cinquecento volte più lungo della proteina lungo la dimensione considerata. Non significa che abbia un volume cinquecento volte maggiore: se due oggetti simili vengono ingranditi con lo stesso fattore lineare, il volume varia con il cubo del fattore. Occorre sempre distinguere misure di lunghezza, superficie e volume.

Problema 2 — Perché il rapporto superficie-volume diminuisce

Domanda. Due cellule sono rappresentate come sfere di raggio rispettivamente 5 µm e 10 µm. Come cambia il loro rapporto superficie/volume?

Soluzione. Per una sfera, superficie S = 4πr² e volume V = (4/3)πr³. Il rapporto S/V = 3/r. Con r = 5 µm risulta 0,6 µm⁻¹; con r = 10 µm risulta 0,3 µm⁻¹. Raddoppiare il raggio dimezza il rapporto tra superficie e volume. Poiché molti scambi con l'ambiente dipendono dalla superficie, le cellule grandi devono spesso sviluppare forme allungate, ripiegamenti o altri adattamenti che aumentino l'area disponibile.

Problema 3 — Concentrazione molare

Domanda. Si sciolgono 0,20 moli di una sostanza in acqua fino a ottenere 0,50 L di soluzione. Qual è la molarità?

Soluzione. La molarità è definita come numero di moli diviso volume della soluzione in litri: M = n/V. Otteniamo 0,20/0,50 = 0,40 mol/L. È importante utilizzare il volume della soluzione finale, non semplicemente il volume di acqua aggiunta, se i due valori differiscono. La molarità può essere impiegata per descrivere le concentrazioni di sostanze disciolte e costituisce una base necessaria per comprendere osmosi ed equilibri chimici.

Problema 4 — Una variazione di pH

Domanda. Una soluzione passa da pH 7 a pH 5. Come cambia approssimativamente l'attività degli ioni H⁺?

Soluzione. La scala del pH è logaritmica in base dieci. Una diminuzione di una unità comporta un aumento di dieci volte dell'attività degli ioni idrogeno; una diminuzione di due unità equivale quindi a un aumento di 10², cioè cento volte. La soluzione a pH 5 è approssimativamente cento volte più acida in termini di attività H⁺ rispetto a quella a pH 7. La relazione è immediata soltanto perché conosciamo il significato logaritmico del pH.

Problema 5 — Quale direzione segue l'acqua?

Domanda. Una cellula animale è immersa in una soluzione contenente molti soluti non permeanti, mentre il suo citoplasma ne contiene meno. Qual è il movimento netto iniziale dell'acqua?

Soluzione. La soluzione esterna è ipertonica rispetto al citoplasma: il potenziale chimico dell'acqua è in generale più basso all'esterno. L'acqua tende a uscire dalla cellula, che può restringersi. Per risolvere correttamente problemi di tonicità non basta confrontare indiscriminatamente ogni particella disciolta: bisogna considerare soprattutto i soluti che non attraversano rapidamente la membrana. Se un soluto esterno diffonde liberamente in cellula, il suo effetto prolungato sul volume può essere molto diverso.

Problema 6 — Legame glicosidico e funzione

Domanda. Perché una catena di glucosio può servire da riserva mentre un'altra costituisce fibre strutturali?

Soluzione. Le proprietà del polisaccaride dipendono non soltanto dal monomero, ma anche dai legami. Nell'amido prevalgono legami α che favoriscono organizzazioni compatibili con riserva e demolizione enzimatica; nella cellulosa i legami β(1→4) producono catene capaci di associarsi in fibre resistenti. L'uomo possiede enzimi per idrolizzare facilmente determinati legami α dell'amido, ma non cellulasi proprie per rompere in modo significativo i legami β della cellulosa. Cambiare il tipo di legame significa cambiare struttura e funzione.

Problema 7 — Complementarità del DNA

Domanda. Quale filamento è complementare al DNA 5′-ATGCCAT-3′?

Soluzione. Le basi si appaiano come A-T e G-C. Il filamento complementare, scritto antiparallelamente, è 3′-TACGGTA-5′. Se lo si vuole scrivere da 5′ a 3′ occorre invertirne l'ordine: 5′-ATGGCAT-3′. L'errore più comune consiste nello scrivere le basi complementari senza prestare attenzione alla direzione, oppure nel sostituire arbitrariamente U alla timina pur trattandosi di DNA e non di RNA.

Problema 8 — Dalla quantità di DNA al numero di cromosomi

Domanda. Una cellula somatica umana entra nella fase S con 46 cromosomi. Quanti cromosomi e cromatidi ha dopo la replicazione?

Soluzione. Il numero di cromosomi rimane 46 fino a quando i cromatidi fratelli non vengono separati. Dopo la fase S ciascun cromosoma è composto da due cromatidi, per un totale di 92 cromatidi. La quantità di DNA passa da 2C a 4C, ma la ploidia resta 2n. Un cromosoma non equivale automaticamente a una singola cromatide in ogni fase del ciclo: questa distinzione è essenziale per interpretare mitosi e meiosi.

Problema 9 — Bilancio della glicolisi

Domanda. Quante molecole di ATP vengono consumate e prodotte durante la glicolisi di una molecola di glucosio?

Soluzione. Nella fase preparatoria si consumano due ATP. Le reazioni successive portano alla produzione complessiva di quattro ATP attraverso fosforilazioni a livello del substrato. Il guadagno netto è dunque 4 − 2 = 2 ATP per glucosio. Si producono anche due molecole di NADH e due di piruvato. Per comprendere il bilancio occorre distinguere il numero di ATP formati da quello netto, che tiene conto dell'energia già investita.

Problema 10 — Perché la resa è circa 30-32 ATP

Domanda. Perché non esiste un numero identico di ATP per ogni glucosio in tutte le cellule eucariotiche?

Soluzione. Il risultato dipende dal modo in cui gli equivalenti riducenti prodotti nel citosol raggiungono il sistema mitocondriale, dalla quantità di energia impiegata per trasporti e dalla quota del gradiente protonico utilizzata per funzioni diverse dalla sintesi di ATP. Inoltre le stime dell'ATP prodotto da ciascun NADH e FADH₂ sono approssimative, poiché descrivono rapporti energetici che dipendono da più processi. Per una tipica cellula eucariotica si usa spesso un intervallo di circa 30-32 ATP, più corretto di un valore storico rigido.

Problema 11 — Variazione di velocità enzimatica

Domanda. Se la concentrazione di substrato aumenta, la velocità di un enzima cresce sempre proporzionalmente?

Soluzione. No. Quando il substrato è scarso, l'aumento della sua concentrazione può incrementare molto la frequenza delle interazioni con l'enzima. A concentrazioni elevate, però, i siti attivi risultano occupati per gran parte del tempo e la velocità si avvicina a un massimo. Un modello comune è l'equazione di Michaelis-Menten: v = Vmax[S]/(Km + [S]). Questa relazione descrive un comportamento ideale in condizioni definite e non si applica automaticamente a ogni enzima allosterico o a ogni via metabolica complessa.

Problema 12 — Probabilità di un allele recessivo

Domanda. Due genitori hanno genotipo Aa per un carattere autosomico con dominanza completa. Qual è la probabilità che un figlio abbia genotipo aa?

Soluzione. Ogni genitore produce, nel modello, gameti A e a con probabilità 1/2. L'unione di due gameti a ha probabilità (1/2) × (1/2) = 1/4, pari al 25%. Il quadrato di Punnett conferma le combinazioni AA, Aa, Aa e aa. La probabilità vale per ogni concepimento indipendente e non garantisce un numero preciso di figli con genotipo aa in una famiglia concreta.

Problema 13 — Un incrocio diibrido

Domanda. Due individui AaBb vengono incrociati. Se i loci assortiscono indipendentemente, qual è la probabilità di ottenere il genotipo aabb?

Soluzione. La probabilità di aa per il locus A è 1/4; quella di bb per il locus B è anch'essa 1/4. Assumendo indipendenza, la probabilità congiunta si ottiene moltiplicando: 1/4 × 1/4 = 1/16, ossia 6,25%. Se i loci sono strettamente associati sullo stesso cromosoma, la probabilità potrebbe essere diversa. Il problema dipende quindi da una precisa ipotesi genetica e non dalla sola conoscenza delle lettere degli alleli.

Problema 14 — Hardy-Weinberg

Domanda. In una popolazione ideale la frequenza di un allele recessivo a è q = 0,2. Qual è la frequenza attesa degli eterozigoti?

Soluzione. Nel modello di Hardy-Weinberg, in assenza delle condizioni che modificano significativamente le frequenze alleliche e assumendo accoppiamento casuale e altre ipotesi, vale p + q = 1 e le frequenze genotipiche sono p², 2pq e q². Se q = 0,2 allora p = 0,8. La frequenza attesa degli eterozigoti Aa è 2pq = 2 × 0,8 × 0,2 = 0,32, cioè il 32%. Il modello fornisce una base di confronto per studiare popolazioni reali, non pretende che tutte rispettino perfettamente le sue condizioni.

Problema 15 — Mutazione frameshift

Domanda. Che cosa succede se in una regione codificante viene inserito un nucleotide all'inizio della sequenza?

Soluzione. Poiché i codoni vengono letti in triplette, l'inserimento di un solo nucleotide modifica il raggruppamento delle basi a valle del punto di inserzione. Si produce un cambiamento della cornice di lettura, o frameshift, che può alterare molti amminoacidi successivi e generare un codone di stop prematuro. Non ogni frameshift causa necessariamente lo stesso effetto: contano posizione, lunghezza della sequenza, eventuale degradazione dell'mRNA e funzione del prodotto. L'inserimento di tre nucleotidi, invece, non modifica normalmente la cornice di lettura, anche se può cambiare la proteina.

Problema 16 — Mitosi e meiosi

Domanda. Una cellula diploide con 2n = 8 entra in meiosi. Quale numero cromosomico possiedono normalmente le quattro cellule finali?

Soluzione. Nella prima divisione meiotica vengono separati i cromosomi omologhi, riducendo il numero da 2n = 8 a n = 4. Nella seconda divisione si separano i cromatidi fratelli senza un ulteriore dimezzamento della ploidia. Ciascuna delle quattro cellule finali avrà quindi normalmente 4 cromosomi, salvo errori di segregazione. Una cellula equivalente sottoposta a mitosi produrrebbe invece due cellule con 8 cromosomi ciascuna, mantenendo la ploidia diploide.

Problema 17 — Probabilità di assortimento cromosomico

Domanda. Quante combinazioni cromosomiche sono possibili nei gameti umani considerando solo l'orientamento indipendente delle 23 coppie?

Soluzione. Ogni coppia può distribuire al gamete uno dei due omologhi. Con 23 coppie il numero teorico delle combinazioni è 2²³ = 8.388.608. Questo valore non comprende il crossing-over, che aggiunge numerose possibilità di ricombinazione all'interno degli stessi cromosomi. Neppure considera mutazioni o altre varianti strutturali. È dunque un limite inferiore molto semplificato della diversità che può derivare dal processo meiotico umano.

Problema 18 — Una catena trofica

Domanda. Un ecosistema incorpora 10.000 unità di energia nella produzione primaria. Se ipotizziamo, solo per esercizio, un'efficienza del 10% a ciascun passaggio trofico, quanta energia raggiunge il terzo livello di consumatori?

Soluzione. Se il primo livello di consumatori riceve 1.000 unità, il secondo ne riceve 100 e il terzo 10. Si applica quindi tre volte il fattore 0,1: 10.000 × 0,1³ = 10. La stima non descrive necessariamente un ecosistema reale perché l'efficienza del trasferimento è variabile. Il risultato serve a visualizzare perché le reti trofiche presentino normalmente una riduzione della disponibilità di energia ai livelli superiori.

Problema 19 — Crescita esponenziale

Domanda. Una popolazione ideale di 100 batteri raddoppia ogni 30 minuti. Quanti individui avrebbe teoricamente dopo 2 ore?

Soluzione. In due ore si verificano quattro intervalli di mezz'ora. Il numero teorico diventa N = 100 × 2⁴ = 1.600. Questo è un esempio di crescita esponenziale, valido se ogni cellula si divide regolarmente, non muore e dispone di risorse illimitate. Nelle colture reali l'aumento del numero degli individui è inizialmente limitato da una fase di adattamento e poi dalla disponibilità di nutrienti, dall'accumulo di prodotti di scarto e da altre condizioni ambientali.

Problema 20 — Gittata cardiaca

Domanda. Un cuore batte 70 volte al minuto e a ogni battito espelle 70 mL di sangue da un ventricolo. Qual è la gittata cardiaca?

Soluzione. Si moltiplica frequenza per gittata sistolica: 70 battiti/min × 70 mL/battito = 4.900 mL/min, cioè 4,9 L/min. È un valore indicativo compatibile con il riposo di un adulto, ma la portata reale varia con dimensioni, attività e condizioni fisiologiche. Durante l'esercizio la gittata può aumentare sia per incremento della frequenza sia per aumento del volume espulso a ogni contrazione.

Problema 21 — Filtrazione renale e diuresi

Domanda. Perché un valore elevato di filtrazione glomerulare non produce necessariamente un volume di urina altrettanto elevato?

Soluzione. Il liquido che attraversa la barriera glomerulare costituisce un filtrato iniziale. Lungo il nefrone viene riassorbita una parte molto grande dell'acqua insieme a sostanze utili; soltanto una piccola frazione del volume filtrato diventa urina definitiva. Il riassorbimento è controllato e può variare grazie all'azione di ormoni e ai gradienti osmotici renali. Per valutare la funzione renale occorre quindi distinguere produzione del filtrato, riassorbimento, secrezione e volume finale escreto.

Problema 22 — Il controllo della temperatura

Domanda. Perché la sudorazione raffredda il corpo più efficacemente in aria secca che in un ambiente molto umido?

Soluzione. L'evaporazione richiede energia, che viene sottratta al liquido e alla superficie corporea. In aria relativamente secca il gradiente di vapore favorisce l'evaporazione del sudore; in aria molto umida, vicina alla saturazione, l'evaporazione è ostacolata. Per questo il sudore può restare sulla pelle senza produrre la stessa perdita di calore. La risposta termoregolatoria dipende da ventilazione, temperatura e umidità e mostra che produrre sudore e disperdere efficacemente calore non sono la stessa cosa.

Problema 23 — Fattori limitanti della fotosintesi

Domanda. Una pianta riceve luce sempre più intensa, ma a un certo punto la sua fotosintesi non aumenta più. Significa che la luce non è importante?

Soluzione. No. Significa che nelle condizioni dell'esperimento la luce potrebbe non essere più il fattore che limita il processo. La disponibilità di CO₂, l'efficienza delle reazioni enzimatiche, la temperatura o l'acqua potrebbero impedire ulteriori incrementi. A intensità molto alte può inoltre comparire fotoinibizione. Per dimostrare quale fattore limiti la fotosintesi occorre progettare ulteriori prove cambiando singolarmente CO₂, temperatura o altre condizioni e misurando la risposta.

Problema 24 — Il principio della selezione naturale

Domanda. In una popolazione alcuni batteri resistono a un antibiotico prima che il farmaco venga utilizzato. Dopo il trattamento la popolazione resistente aumenta. Che cosa è successo?

Soluzione. Se la resistenza era ereditaria e i batteri resistenti sono sopravvissuti e si sono riprodotti più degli altri, il trattamento ha esercitato una pressione selettiva che ha aumentato la frequenza delle varianti resistenti. Non occorre ipotizzare che ogni batterio abbia sviluppato una mutazione favorevole perché ne aveva bisogno. Nuove mutazioni e trasferimenti di geni possono verificarsi e contribuire al fenomeno, ma il meccanismo fondamentale del caso descritto è la selezione di varianti già presenti prima dell'esposizione.

Problema 25 — Ecosistema e cambiamento climatico

Domanda. Se un aumento di temperatura anticipa la fioritura di una pianta ma non modifica nello stesso modo l'attività dei suoi impollinatori, quale rischio ecologico può emergere?

Soluzione. Può verificarsi un disallineamento fenologico: i fiori sono disponibili in periodi nei quali gli impollinatori appropriati sono meno attivi, riducendo l'efficacia del trasferimento del polline. Le conseguenze dipendono dalla presenza di altri impollinatori, dalla possibilità della pianta di autofecondarsi e dalla durata dei rispettivi periodi di attività. Il caso mostra come un cambiamento ambientale possa produrre effetti indiretti sulle reti ecologiche anche senza uccidere immediatamente nessun organismo.

41. Glossario essenziale ragionato

In questa sezione i termini fondamentali sono definiti in forma sintetica. Le definizioni vanno sempre lette insieme ai capitoli, dove ne sono spiegati il meccanismo e le applicazioni.