Table Of Contentcapitolo capitolo capitolo
1 2 3
A A A
La biologia
è la scienza La chimica Le biomolecole
della vita della vita e l’energia
1 La biologia studia i viventi A2 1 La vita dipende dall’acqua A20 1 I carboidrati: struttura
e funzioni A34
Chiavi di lettura Read & Answer
Cosa sono i virus? A10 Life in the ice age A25 2 I lipidi: struttura e funzioni A38
2 Il metodo scientifico: 2 Le proprietà delle
3 Le proteine: struttura
come i biologi studiano biomolecole A27
e funzioni A42
la vita A11
Esercizi A30 Read & Answer
Read & Answer Looking in the crystal sphere A47
Evolution in action A15 Verifiche interattive
4 Gli acidi nucleici: struttura
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Esercizi A16 e funzioni A48
Esercizi interattivi su ZTE
Verifiche interattive Sintesi di capitolo in italiano e in inglese 5 Gli organismi e l’energia A51
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6 L’origine delle biomolecole A54
Esercizi interattivi su ZTE
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese Esercizi A58
Per ripassare
I carboidrati
I lipidi
Le proteine
Gli acidi nucleici
Verifiche interattive
Costruisci la tua mappa interattiva
Esercizi interattivi su ZTE
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese
IV
capitolo capitolo
4 5
A A
Osserviamo Le membrane
la cellula cellulari
1 La cellula è l’unità La nostra salute 1 La struttura delle
elementare della vita A62 Le patologie mitocondriali A79 membrane biologiche A90
2 Le cellule procariotiche hanno 7 Le cellule si muovono: 2 Il ruolo della membrana
una struttura più semplice il citoscheletro, le ciglia nell’adesione tra le cellule A94
di quelle eucariotiche A65 e i flagelli A80
3 Le membrane regolano
3 Le caratteristiche delle 8 Le strutture extracellulari A82 gli scambi di sostanze in
cellule eucariotiche A67 entrata e in uscita dalla
La nostra salute
La matrice pensante A83 cellula A96
4 Il nucleo e i ribosomi elaborano
l’informazione genetica A70 9 L’origine delle cellule A84 4 Le macromolecole
entrano ed escono
5 Il sistema delle membrane Esercizi A86
dalla cellula per endocitosi
interne A72
Verifiche interattive ed esocitosi A102
La nostra salute
Costruisci la tua mappa interattiva Read & Answer
Il reticolo endoplasmatico
e i farmaci A73 Esercizi interattivi su ZTE A Troy’s horse to conquer
a cell A103
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese
6 Gli organuli che trasformano
Per capire meglio Esercizi A104
l’energia: i cloroplasti
e i mitocondri A77 La cellula Per ripassare
The cell
Read & Answer Trasporto passivo
Big eyes for the cell A79 L’osmosi
Il trasporto attivo
Endocitosi ed esocitosi
Verifiche interattive
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Esercizi interattivi su ZTE
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese
V
capitolo capitolo
6 7
A A
La divisione
Il metabolismo cellulare e la
energetico riproduzione
1 Il metabolismo del 1 La divisione cellulare nei Per capire meglio
glucosio A108 procarioti e negli eucarioti A126
La mitosi
Chiavi di lettura 2 La mitosi e il ciclo cellulare A128 Mitosis
Hans Krebs e lo studio La meiosi
del «suo» ciclo A114 Read & Answer Meiosis
Rock around the cell clock A129
2 La fotosintesi: energia Per ripassare
Per saperne di più
dal Sole A118
La spiralizzazione del DNA Il ciclo cellulare
Read & Answer ha un doppio ruolo A131 La duplicazione del DNA
Cells for solar cells A119 La mitosi
3 La meiosi è alla base della
La meiosi
3 La comparsa dell’ossigeno riproduzione sessuata A136
La morte cellulare programmata
sulla Terra A120
La nostra salute Il confronto tra mitosi e meiosi
Esercizi A122 Gli errori nella meiosi A141
Verifiche interattive
Per saperne di più
Per ripassare
L’apoptosi A142 Costruisci la tua mappa interattiva
La glicolisi
Esercizi interattivi su ZTE
4 Il significato evolutivo della
La fermentazione
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese
La respirazione cellulare riproduzione sessuata A144
La forza proton-motrice
5 Prevedere i risultati
La fotosintesi
della meiosi: la genetica
Verifiche interattive mendeliana A146
Costruisci la tua mappa interattiva Esercizi A152
Esercizi interattivi su ZTE
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese
VI
capitolo capitolo capitolo
8 9 10
A A A
La biodiversità:
L’evoluzione procarioti, protisti, La biodiversità:
degli esseri viventi piante, funghi gli animali
1 Le prime teorie scientifiche 1 La classificazione degli 1 Gli animali sono eterotrofi
sulla storia della vita A156 organismi A176 pluricellulari A208
2 Charles Darwin e la nascita 2 I procarioti abitano la Terra da 2 I vertebrati appartengono al
dell’evoluzionismo miliardi di anni A180 gruppo dei cordati A214
moderno A159
La nostra salute 3 I vertebrati terrestri A218
Read & Answer I batteri patogeni A182
Read & Answer
The jumping evolution A163
Read & Answer Fishing in the pond A222
Per saperne di più Extreme skin A184
Chiavi di lettura
Le cinque «sottoteorie»
3 Il regno dei protisti è il più Anche gli animali vivono in
della teoria di Darwin A164
antico regno degli eucarioti A185 società A224
Chiavi di lettura
La trasformazione della scienza A165 4 Le piante terrestri sono Esercizi A225
organismi pluricellulari
3 Il calendario della vita A166 Per ripassare
fotosintetici A188
Il ciclo vitale di un anfibio
Esercizi A172
5 I funghi sono organismi
Per ripassare eterotrofi che vivono in Verifiche interattive
ogni ambiente A201 Costruisci la tua mappa interattiva
LÕevoluzione di Biston betularia
Esercizi interattivi su ZTE
Chiavi di lettura
Verifiche interattive
Il batterio della speciazione A202 Sintesi di capitolo in italiano e in inglese
Costruisci la tua mappa interattiva
Esercizi A204
Esercizi interattivi su ZTE • Verso il CLIL A229
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese Per ripassare • Sviluppa le competenze A230
• Indice analitico A232
I cicli vitali di piante e funghi
Verifiche interattive
Costruisci la tua mappa interattiva
Esercizi interattivi su ZTE
Sintesi di capitolo in italiano e in inglese
capitolo lezione
1
1
A
La biologia studia i viventi
In questo capitolo studieremo le
caratteristiche della vita: quali sono, come
variano da un organismo all’altro, come
hanno avuto origine e in che modo ci
permettono di sopravvivere. Attraverso
le diferenti capacità di sopravvivere
La biologia
e riprodursi, gli organismi si adattano
è la scienza ai molti ambienti presenti nel pianeta.
L’evoluzione a partire da un antenato
della vita
comune ha generato la straordinaria varietà
di forme di vita che osserviamo oggi.
1
Le caratteristiche dei viventi
La biologia è la scienza che studia gli esseri viventi, cioè tutti gli
organismi che discendono da un antenato comune unicellulare
comparso sulla Terra quasi quattro miliar-
Biologia è un termine
di di anni fa.
coniato all’inizio
Nonostante siano molto diversi tra loro, dell’Ottocento, fondendo
i termini greci b’os,
i viventi condividono proprietà speciali,
«vita», e l—gos, «discorso,
che non si trovano nel mondo inanimato: studio».
•
tutti gli organismi sono fatti di cellule;
•
le cellule contengono informazioni ereditarie scritte in un
linguaggio genetico universale (cioè comune a tutte le di-
verse forme di organismi viventi), che trasmettono alla loro
discendenza;
•
le cellule ricavano dall’ambiente energia e nutrienti;
•
gli organismi rispondono ai cambiamenti dell’ambiente ester-
no regolando il proprio ambiente interno;
•
la vita è organizzata in livelli gerarchici;
•
gli esseri viventi interagiscono gli uni con gli altri;
•
tutti i viventi sono comparsi per evoluzione a partire da un
antenato comune.
L’elenco che hai appena letto introduce i temi fondamentali che
incontrerai nel libro; tuttavia, scoprirai presto che un semplice
elenco non è sufciente a descrivere le incredibili complessità e
diversità dei viventi.
Bisogna ricordare inoltre che in alcune fasi della sua esisten-
za una forma di vita può non mostrare tutte le proprietà che
A2 Capitolo A1 La biologia • la scienza della vita
abbiamo elencato. Per esempio, i semi di una pianta del deserto deschi Mathias Schleiden e Theodor Schwann, che studiavano
possono rimanere inattivi per anni senza consumare energia, rispettivamente la struttura dei vegetali e quella degli anima-
svilupparsi o riprodursi; eppure essi sono vivi, poiché appar- li, rimasero colpiti dalle somiglianze tra le loro osservazioni e
tengono a una specie i cui individui svolgono tutte le funzioni conclusero che sia i vegetali sia gli animali sono costituiti dallo
tipiche dei viventi. stesso elemento strutturale di base: la cellula.
Questa conclusione costituisce la base della teoria cellulare
Ricorda La biologia è lo studio scientifico degli esseri viventi, che
che, nella sua forma moderna, aferma quanto segue:
si distinguono dalla materia inanimata in base ad alcune •
le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli or-
caratteristiche comuni.
ganismi viventi;
•
2 tutte le cellule hanno origine da cellule preesistenti;
•
Gli organismi sono fatti di cellule le cellule sono simili per composizione chimica e ospitano
molte delle reazioni chimiche del mondo vivente;
La scoperta della cellula risale al Seicento ed è dovuta a Robert •
tutte le cellule sono delimitate dalla membrana plasmatica, un
Hooke, uno studioso di fsica, paleontologia, chimica e archi-
involucro che circonda la cellula e seleziona le sostanze che
tettura vissuto in Inghilterra dal 1635 al 1703. Hooke afancò
entrano ed escono;
al lavoro di ricerca un’intensa attività di progettazione di stru- •
l’ambiente interno alla membrana è costituito da una mi-
menti scientifci; uno dei suoi risultati più famosi riguarda i
scela di acqua e di altre sostanze chiamata citoplasma, in cui
perfezionamenti apportati al microscopio ottico (figura 1.1A).
avvengono moltissime reazioni chimiche;
Grazie a nuovi sistemi ottici e ad un nuovo sistema di illumi- •
tutte le cellule posseggono un proprio materiale genetico,
nazione, Hooke poté efettuare una serie di
Cellula è il diminutivo che contiene le informazioni ereditarie necessarie alla cellu-
straordinarie osservazioni. In una di que-
latino di cella. Il nome fu ideato la per svilupparsi, accrescersi e riprodursi.
nel 1665 dallo scienziato ste, egli esaminò alcune sottili fettine di
Gli organismi unicellulari sono formati da una sola cellula; gli
Robert Hooke. Ai suoi occhi le sughero e notò che esse erano costituite da
cellule apparvero come piccole organismi pluricellulari sono composti da numerose cellule spe-
tante piccole cellette separate tra loro (fi-
strutture che ricordavano le
cializzate in funzioni diverse.
celle di un convento. gura 1.1B). Hooke chiamò queste singole
unità cellule. Ricorda La cellula è la struttura più semplice in grado di svolgere
Ci vollero però più di cento anni prima che le conoscenze sulle tutte le funzioni vitali.
cellule facessero progressi signifcativi. Nel 1838, i biologi te-
Figura 1.1 Tutti i viventi
sono costituiti da cellule
A C
(A) Il microscopio con cui
il biologo Robert Hooke,
nel diciassettesimo
secolo, osservò per la
prima volta le cellule del
sughero (B); un moderno
microscopio ottico (C) e
alcune cellule vegetali (D).
B D
A3
Lezione 1 La biologia studia i viventi
3
Le cellule contengono informazioni
Il compito del DNA è duplice:
ereditarie
1. contiene le informazioni necessarie per costruire e far fun-
Tutte le cellule del tuo corpo sono costituite da molecole, che a zionare correttamente la cellula;
loro volta sono formate da atomi legati tra loro. Gli atomi sono le 2. permette all’organismo di trasmettere le proprie caratteristi-
particelle di cui è costituita la materia. In natura esistono diversi che alla discendenza.
tipi di atomi: una molecola è formata da Tratti specifci del DNA, chiamati geni, contengono l’informazio-
DNA è una sigla e deriva due o più atomi, uguali o diversi, uniti ne utilizzata dalla cellula per fabbricare le proteine (figura 1.2).
dal nome inglese dell’acido
desossiribonucleico insieme. Atomi e molecole presenti nel- Le proteine, oltre a costituire gran parte della struttura dell’orga-
(Deoxyribonucleic Acid). le cellule obbediscono alle stesse leggi nismo, sono le molecole che guidano tutte le attività cellulari.
della fsica e della chimica che governa- Ogni organismo possiede geni specifci e quindi produce protei-
no la materia inanimata. ne specifche.
Le cellule tuttavia posseggono due caratteristiche peculiari che Le molecole di DNA presenti all’interno di una cellula costi-
le distinguono dai sistemi inanimati: si riproducono e si svilup- tuiscono il suo patrimonio ereditario o genoma. Il genoma di
pano secondo un «progetto interno» archiviato sotto forma di un organismo è composto da migliaia di geni. Se si altera la se-
informazione genetica. Una cellula batterica, per esempio, si ac- quenza di un gene è facile che cambi anche la proteina da esso
cresce fno a che, raggiunta una certa dimensione, si divide in codifcata. Le alterazioni dei geni si chiamano mutazioni.
due cellule identiche alla cellula madre. Ciò è possibile grazie Le mutazioni si verifcano spontaneamente, ma possono an-
alla presenza in tutte le cellule di due tipi di grandi molecole: il che essere indotte da vari fattori esterni, come le radiazioni o
DNA (o acido desossiribonucleico) e le proteine. certe sostanze chimiche. Per lo più le mutazioni sono dannose,
Ogni molecola di DNA è una lunga sequenza di molecole ma ogni tanto un cambiamento nelle proprietà di una proteina
più piccole chiamate nucleotidi, legate tra loro come le perle che ne altera la funzione in modo da migliorare l’efcienza dell’or-
formano una collana. Allo stesso modo, una proteina è una se- ganismo nelle condizioni ambientali in cui si viene a trovare.
quenza di molecole più piccole dette amminoacidi. È interessante Come vedremo, queste mutazioni vantaggiose sono la materia
osservare che i tipi di nucleotidi e di amminoacidi sono uguali prima dell’evoluzione.
in tutte le cellule di tutti gli organismi ma sono organizzati in
Ricorda Il genoma di un organismo è l’insieme di tutti i suoi
sequenze diverse per produrre molecole con funzioni diferenti,
geni e contiene le informazioni ereditarie necessarie al
come le lettere dell’alfabeto che formano tante parole diverse.
funzionamento delle cellule.
Figura 1.2 Il DNA contiene le informazioni ereditarie Le istruzioni per lo
sviluppo degli esseri viventi sono contenute nelle sequenze nucleotidiche
delle molecole del DNA. Le sequenze del DNA costituiscono i geni, e
Quattro nucleotidi sono le
ogni gene fornisce alla cellula l’informazione per fabbricare una specifica
unità costitutive del DNA. Un nucleotide
proteina. La lunghezza media di un singolo gene umano è di circa 16 000
nucleotidi.
T
C
A
G
Un gene è costituito
da una sequenza
specifica di nucleotidi.
Gene
DNA
DNA
Amminoacidi
La sequenza
Proteina nucleotidica di
un gene contiene
Il DNA è composto da due le informazioni
filamenti, ciascuno dei quali per costruire
è una sequenza lineare di una determinata
nucleotidi uniti tra loro. proteina.
A4 Capitolo A1 La biologia è la scienza della vita
A B
Figura 1.3 L’energia che proviene dagli
alimenti può essere immagazzinata oppure
utilizzata immediatamente (A) Le cellule Figura 1.4 Le cellule mantengono
di questo scoiattolo hanno convertito le costanti le proprie condizioni
sostanze nutrienti in grassi, che sono stati interne Questa ameba è un
immagazzinati nel corpo come una riserva organismo acquatico unicellulare; in
energetica da usare durante i mesi freddi. ogni istante, deve adattare il proprio
(B) Le cellule dei muscoli demoliscono le metabolismo alle condizioni esterne,
molecole degli alimenti e usano l’energia come la temperatura dell’acqua o la
ricavata per produrre movimento. disponibilità di ossigeno.
4
Le cellule ricavano energia e nutrienti
dall’ambiente
Tutti i viventi hanno bisogno di energia e materie prime per
costruire le loro cellule e per mantenere la loro complessa orga-
nizzazione interna. Come vedremo, gli organismi fotosintetici
usano la luce del Sole per produrre molecole ricche di energia
(per esempio, zuccheri) a partire da molecole più semplici presen-
5
ti nell’ambiente esterno: diossido di carbonio (chiamato anche
I viventi rispondono ai cambiamenti
anidride carbonica) e acqua. Questi organismi sono chiamati au-
totrof, che in greco signifca «in grado di nutrirsi da sé» perché La vita dipende da migliaia di reazioni chimiche che si svolgono
non hanno bisogno di altri esseri viventi per il loro sostentamen- nelle cellule; durante tali reazioni, le molecole dei reagenti ven-
to, e comprendono alcuni batteri, piante e alghe. gono demolite e gli atomi che le costituivano sono usati per
Altri esseri viventi, come gli animali e i funghi, utilizzano le costruire le molecole dei prodotti.
sostanze nutrienti già presenti nell’ambiente per ricavare l’ener- Il complesso di tutte le reazioni chimiche che avvengono
gia necessaria a svolgere le proprie attività e le materie prime all’interno di un essere vivente unicellulare o pluricellulare co-
per costruire le proprie strutture biologiche. Questi sono gli ete- stituisce il suo metabolismo (figura 1.4).
rotrof, cioè organismi «che si nutrono di altri organismi». Le reazioni metaboliche richiedono che lo scambio di ma-
Gran parte del lavoro cellulare consiste nella trasformazione teriali tra l’interno e l’esterno delle cellule avvenga in modo
di un tipo di molecola in un altro. Per esempio, gli zuccheri po- controllato. All’interno della cellula, le re-
tranno essere immagazzinati sotto forma di grassi (figura 1.3A). azioni metaboliche sono interconnesse tra Omeòstasi è un termine
coniato dal fsiologo
Un altro tipo di lavoro svolto dalle cellule è quello meccanico, loro: i prodotti di una reazione costituisco- americano Walter Cannon
come spostare molecole da un punto all’altro della cellula o no le materie prime di quella successiva. nel 1932, sulla base delle
radici greche homos,
muovere intere cellule o tessuti, come nel caso dei muscoli (fi- Perché questa complessa rete di reazioni
«uguale», e stasis, «stabilità».
gura 1.3B). funzioni in modo coordinato, deve esiste-
re un preciso controllo della loro velocità.
Ricorda Tutti i viventi hanno bisogno di sostanze nutrienti e di
Tale attività di regolazione, che contribuisce a mantenere co-
energia: gli autotrofi fotosintetici sfruttano l’energia
stante l’ambiente intracellulare, prende il nome di omeostasi.
solare, l’acqua e il diossido di carbonio per produrre
zuccheri e altri nutrienti; gli eterotrofi si nutrono delle Ricorda L’omeostasi è la capacità dei viventi di adattare il proprio
sostanze prodotte da altri organismi. metabolismo alle variazioni dell’ambiente esterno.
A5
Lezione 1 La biologia studia i viventi
Figura 1.5 Lo studio della biologia coinvolge più livelli di organizzazione Le proprietà della
vita emergono quando il DNA, le proteine e le altre molecole sono organizzate in cellule,
Atomi che sono le unità minime costitutive degli organismi. Gli organismi formano le popolazioni
Le molecole sono
e interagiscono con individui di altre popolazioni formando le comunità, che a loro volta
costituite da atomi.
interagiscono con l’ambiente formando gli ecosistemi che compongono la biosfera.
Le cellule sono fatte
di molecole.
Molecole
Un tessuto è un raggruppamento
di molte cellule dotate di funzioni
simili e coordinate (come la
percezione degli odori).
Le comunità biologiche
Cellule di tipo diverso sono le
che condividono la
localizzazione geografica Cellula (neurone) componenti operative degli Tessuto (bulbo olfattivo)
organismi viventi.
formano gli ecosistemi.
Gli ecosistemi scambiano
energia e creano la
biosfera della Terra.
Gli organi
raggruppano
tessuti diversi
che lavorano
insieme. Gli
organi formano i
Biosfera sistemi, come il
Le comunità
sistema nervoso.
sono costituite Organo (cervello)
da popolazioni
di molte specie
diverse. Una popolazione è un gruppo Organismo (pesce farfalla)
numeroso di organismi della
stessa specie.
Un organismo è un individuo
riconoscibile, dotato di un
proprio confine corporeo.
Un organismo pluricellulare
presenta organi, sistemi e
Comunità (barriera corallina) Popolazione (banco di pesci) apparati.
6
Il mondo dei viventi è organizzato in
Molto spesso le cellule di uno stesso tipo collaborano fra loro.
livelli gerarchici
Per svolgere i loro compiti specifci, gruppi di cellule simili si or-
Gli organismi pluricellulari, che sono formati da molte cellule, ganizzano in tessuti. Per esempio, una singola cellula muscolare
possiedono un ambiente interno costituito dai liquidi extra- non può sviluppare molta forza; ma quando più cellule musco-
cellulari (come sangue, linfa e liquido interstiziale). Da qui le lari si uniscono per formare il tessuto muscolare si può generare
singole cellule ricavano i nutrienti e qui riversano i loro rifuti. una forza considerevole, tale da produrre il movimento di un
Nel corso dell’evoluzione, le cellule degli organismi pluricellu- animale grande come un elefante.
lari sono diventate via via più specializzate a svolgere compiti In moltissimi organismi pluricellulari i vari tessuti si organiz-
specifci e hanno perso gran parte delle funzioni che un organi- zano in organi, preposti a svolgere una precisa funzione. Esempi
smo unicellulare è in grado di svolgere da solo. Un neurone, per di organi sono il cuore, il cervello e lo stomaco. Gli organi che
esempio, non è in grado di muoversi rapidamente o di procurar- svolgono funzioni interconnesse possono essere raggruppati in
si i nutrienti, perché si è specializzato nel compito di generare sistemi o apparati (figura 1.5).
e trasmettere gli impulsi nervosi. Ogni cellula del nostro corpo
Ricorda Cellule, tessuti, organi e apparati sono le parti
quindi dipende, per i suoi bisogni vitali, da quell’ambiente che
integranti, strutturate in modo gerarchico, che
tutte le cellule insieme contribuiscono a mantenere.
costituiscono un organismo pluricellulare.
In altre parole, le cellule degli organismi pluricellulari han-
no pagato la loro specializzazione nelle varie funzioni vitali con
la perdita della capacità di condurre una vita autonoma.
A6 Capitolo A1 La biologia è la scienza della vita
