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Confronto fra piante e animali (pluricellulari)Materiali e appunti di biologia: II cl. (07-08/ agg. 2014)
Tiziano TerraniLiceo di Lugano 2CH-6942 SAVOSA
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 2
sommario
1. Modalità di nutrizione: auto- ed eterotrofia
2. Struttura del corpo delle piante
3. Movimento
4. Crescita
5. Risposta agli stimoli esterni
6. Omeostasi
7. Riproduzione
12
18
5
24
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
Parte introduttiva: elenco termini e concetti 3
Confronto fra piante e animali
25
26
27
Concetti accessori 28
Quante molecole di CO2 in 1 mm3 di aria?
Composizione e modello aria
23
20
Monomeri e polimeri
Dal glucosio agli altri composti biorganici 31
29
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 3
• Organismi più evoluti (significato): che cosa significa che una spugna è un organismo meno evoluto di un’ape?
• Confronto fra
Angiosperme (piante a fiore)
Insetti (Artropodi)/mammiferi (Cordati, Vertebrati)
• Sostanze organiche ( composti del C)
• Categorie di sostanze organiche presenti in tutti gli organismi viventi:
Carboidrati (o zuccheri)
Grassi o lipidi
Proteine
Acidi nucleici (DNA, RNA)
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
Appunti
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 4
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
virus
organismi unicellulariprocariotici:
eucariotici: p. es. protozoi, alghe verdi unicell.
organismi pluricellulari (sono tutti eucariotici!)
(aggregati di macromolecole, ma struttura non cellulare!)
batteri
contengono tutti le quattro categorie di sostanze organiche:
carboidrati
grassi
proteine
acidi nucleici
atomi
molecole
macromolecole (proteine, DNA, carboidrati)
vita
Dagli atomi agli organismi pluricellulari: concetto di organizzazione della materia
concetto di proprietà emergente: vita
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 5
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
Definizioni di autotrofo
1. “Organismo che si nutre da sé.” o “Organismo che si procura il cibo da sé.”
2. “Organismo che si costruisce (produce) il cibo da sé.”
3. “Organismo che si nutre di sostanze esclusivamente inorganiche e che da quest’ultime, con l’ausilio di una fonte di energia, costruisce le sostanze organiche necessarie alla vita.”
Discussione (-confronto) sulle definizioni:
• la 1 è fuorviante e quindi da evitare
• la 2 è quella classica, riportata anche da autorevoli manuali universitari di biologia; pone qualche problema di interpretazione
• la 3 è meno diffusa, ma ha il pregio della chiarezza e della coerenza!
ricorrenti nei libri testo scolastici
1. Modalità di nutrizione: auto- ed eterotrofia
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 6
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
Discussione (-confronto) sulle definizioni 2 e 3
Premesse:
a) modello di organismo vivente: sistema aperto, “scatola nera”, con scambi con l’esterno
b) Qualsiasi organismo vivente contiene (è costituito di) sostanze organiche
c) Negli eterotrofi, viene di regola chiamato cibo l’insieme dei materiali liquidi e solidi che sono ingeriti dall’organismo
amb. interno (dentro)
amb. esterno (fuori)
organismo vivente
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 7
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
La definizione 3 dice che il cibo (materiale) degli autotrofi è formato di sostanze inorganiche (CO2, H2O, sali minerali), mentre quello degli eterotrofi deve contenere anche sostanze organiche.
Il concetto di cibo è il medesimo nelle due categorie di organismi (è ciò che l’organismo prende dall’ambiente esterno e che fa entrare nel suo corpo per poter vivere),
cambia solo la sua composizione chimica.
Il corollario fondamentale della definizione 3 è che gli autotrofi sono capaci di trasformare al loro interno sostanze inorganiche in sostanze organiche
ciò che è precluso agli organismi eterotrofi (i quali sono comunque capaci di trasformare sostanze organiche del loro cibo in altre sostanze organiche tipiche del loro organismo!)
inorganico organicoorganicazione!
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 8
Fotosintesi
Il passaggio fondamentale della trasformazione delle sostanze inorganiche in organiche effettuata dagli autotrofi (vegetali) è la fotosintesi (costruzione per mezzo della luce). Per mezzo di questa reazione chimica 6 molecole di CO2 (fonte di C e di O) e 6 molecole di H2O (fonte di H) vengono ricombinate in una molecola di glucosio (C6H12O6) con uno scarto di 6 molecole di ossigeno (O2). La reazione può avvenire solo se al sistema viene fornita energia, portata dalla luce.
CO2 H2O O2
C6H12O6 6 6 6 + +
glucosio
+ LUCE
clorofilla
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 9
Fotosintesi
Per mezzo della fotosintesi vengono costruite (sintetizzate) molecole di glucosio a partire da CO2 e H2O
Parte dell’energia portata dalla luce è trasferita nelle molecole di glucosio
(energia chimica)
La fotosintesi può dunque essere così riassunta:
O2 C6H12O6 CO2 6 H2O 6 6 + +
energia
+ LUCE +energia termica
IR lontano
clorofilla
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 10
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
La definizione 2, invece, impone un doppio significato di cibo:
• negli animali è l’insieme delle sostanze organiche (sotto forma di altri organismi) introdotte nell’organismo
• nelle piante è il glucosio (le sostanze organiche in generale) costruito per mezzo della fotosintesi (Per questo motivo, un’altra versione della def. 2 dice che “le piante producono il cibo per gli animali.”).
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 11
Elaborazione del cap. “Lo studio delle piante” tratto da Longo C.. Biologia vegetale. UTET, Torino, 1992.
Riassumendo
autotrofi
eterotrofi
CO2 H2O
sali minerali
composti organici
(solo composti inorganici)
CIBO
CIBOcomposti organici
proteine, carboidrati, grassi, DNA, …
proteine, carboidrati, grassi, DNA, …
composti organici
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 12
Struttura di una pianta
• struttura modulare
• grande superficie direttamente a contatto con l’aria (S/V)
STRUTTURA: germoglio, parte aerea
La superficie “microscopica” della foglia a contatto con l’aria è ancora superiore a quella “macroscopica” (pagina
inferiore e superiore)
Struttura macroscopica della foglia
lamina fogliarepicciolo
nervature
gemma fogliare
margine
pagina superiore
pagina inferiore
stipole
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 13
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 14
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 15
Struttura microscopica della foglia
Natura delle luce
Aumento di energia
10–5 nm 10–3 nm 1 nm 103 nm 106 nm 1 m 103 m
Raggi gamma
Raggi X UV Infrarossi Microonde Onde radio
Luce visibile
400 500 600 700 750
650nm
Lunghezza d’onda della luce
(nm)
380
La luce solare è energia elettromagnetica, che viaggia nello spazio sotto forma di onde.
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 17
Struttura della pianta: radici
• struttura modulare
• grande superficie direttamente a contatto con la terra (l’acqua) (S/V)
STRUTTURA (app. radicale)
La superficie “microscopica” delle radici a contatto con l’acqua del suolo è fortemente amplificata grazie alla presenza dei peli radicali agli apici radicali
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 18
Apici radicali e peli radicali
In conclusione si può affermare che in una pianta molte cellule sono direttamente a contatto con l’ambiente esterno da cui traggono CO2 (cellule fotosintetiche nelle foglie), l’acqua e i sali minerali (peli radicali nelle radici).
Grande superficie di assorbimento
TT/2011-2012 Corpo umano: introduzione e generalità 19LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 19
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 20
suolo
aria
parte disperdente
parte assorbente
acqua che evapora dalle foglie
acqua assorbita dalle radici
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 21
suolo
aria
solo 2% ca. viene utilizzato per la
fotosintesi
acqua assorbita dalle radici
98% ca. evapora
100 %
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 22
Perché le piante non si spostano?
Conseguenze dell’essere autotrofi o eterotrofi
AUTOTROFI: non si cibano di altri organismi, ma di materiali diffusi e costantemente presenti nell’ambiente
ETEROTROFI (consumatori: sopratt. animali): si cibano di altri organismi, vivi
ETEROTROFI (decompositori: batteri e funghi): si cibano di altri organismi, morti
si spostano (di regola)
non si spostano
(su scala macroscopica!)
non hanno bisogno di spostarsi
MOVIMENTO
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 23
Perché le piante non si spostano?
aria: la concentrazione di CO2 è praticamente costante!
suolo: di regola la disponibilità di H2O è garantita sull’arco del periodo di vegetazione della pianta
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 24
Aria
Composizione dell’aria:
azoto (N2) ca. 78%
ossigeno (O2) ca. 21%
acqua (H2O) media ca. 0.5%
diossido di carbonio (CO2) ca. 0.04%
altri gas < 1%
modello aria
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 25
ARIARIA
Modello dell’aria
X 100 000 000
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 26
AZOTO N2
ca. 78%
OSSIGENO O2
ca. 21%
ACQUA H2O% variabile
BIOSSIDO DICARBONIO CO2
0.040%
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 27
esercizio
Quante molecole di CO2 in 1 mm3 di aria?
Che cosa sappiamo?
• che una mole (ca. 6.1023 particelle) di gas occupa un volume di 22.4 dm3 (o litri) in condizioni standard (questo concetto di mole si può applicare anche a un miscuglio di gas come l’aria!)
• che l’aria contiene lo 0.04% di CO2
• che 1 mm3 = 10-6 dm3
Quindi, in 1 mm3 di aria ci sono in totale:
2.7 x 1016 molecole
1 mm
6.1023 molecole : 22.4 dm3 = x molecole : 10-6 dm3
x molecole = 6.1023 molecole : 22.4 dm3 . 10-6 dm3
di cui sono molecole di CO2 :
2.7 x 1016 molecole x 0.04 : 100 = ca. 1013 molecole di CO2
1013 molecole di CO2 (cioè 10’000 miliardi!!!)
in 1 mm3 di aria ci sono
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 28
CRESCITA
- continua
- finita
“nascita” morte
tempo
dim
. or
gani
smo
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 29
Risposta agli stimoli
Le piante reagiscono mediamente in modo più lento agli stimoli rispetto agli animali di pari livello evolutivo
es. crescita di una pianta verso la luce
La necessità del movimento impone agli animali reazioni immediate e quindi elaborazione molto veloce delle informazioni sensoriali. Inoltre la coordinazione stessa del movimento è impresa ardua (pensare all’azione del camminare).
Nelle piante ormoni con funzione decentralizzata, negli animali sistema ormonale gerarchico e sistema nervoso!
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 30
Omeostasi
Mantenere costanti i parametri fisico-chimici dell’ambiente interno.
es.
• temperatura
• concentrazione acqua
Negli animali è più accentuata questa esigenza di omeostasi dell’organismo pluricellulare rispetto alle piante.
A livello cellulare, invece, la differenza è meno pronunciata o inesistente.
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 31
Riproduzione
R. asessuale
R. sessuale
presente nelle forme più primitive degli animali
è quasi sempre presente nelle piante (riproduzione vegetativa)
è sempre presente ed è l’unica forma di riproduzione nella maggior parte degli animali
è sempre presente nelle piante
Riproduzione sessuale (fiori) nelle piante angiosperme
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 32
Riproduzione vegetativa (asessuale) nelle piante
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 33
Riproduzione sessuale negli animali
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 34
Riproduzione asessuale negli animali
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 35
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 36
concetto generale!
Produttori: costruzione di polimeri
C6H12O6
glucosio
CO2 H2O +
altri
CARBOIDRATI
PROTEINE
ACIDI NUCLEICI
LIPIDI
…
cellulosa
amido
DNA
RNA
catene di aminoacidi
catene di nucleotidi
monomeri polimero
cellulosa nella parete cellulare dei vegetali
cellulosa e amido sono dei
polimeri del glucosio!
amido nei leucoplasticatene di glucosio
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 37
Modelli del glucosio
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 38
Produttori: dal glucosio alle altre sostanze organiche
C6H12O6
glucosio
CO2 H2O +
altri
CARBOIDRATI
PROTEINE
ACIDI NUCLEICI
LIPIDI
C, H, O
C, H, O, N, S
C, H, O, N, P
C, H, O, (P, N)
…
N, S , P, … provengono dai sali minerali che la pianta assorbe sotto forma di ioni sciolti nell’acqua!
+ sali minerali
equazione chimica incompleta e non bilanciata della fotosintesi!
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 39
esempi di ioni che le piante assorbono dal terreno
N, S , P, … provengono dai sali minerali che la pianta assorbe sotto forma di ioni sciolti nell’acqua del terreno!
NO3 - ione nitrato
PO4 3- ione fosfato
SO4 2- ione solfato
NH4 + ione ammonio
questi ioni sono normalmente presenti
anche nei concimi chimici!
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 40
Produttori: dal glucosio alle altre sostanze organiche
C6H12O6
glucosio
CO2 H2O +
altri
CARBOIDRATI
PROTEINE
ACIDI NUCLEICI
LIPIDI
C, H, O
C, H, O, N, S
C, H, O, N, P
C, H, O, (P, N)
…
tipi di atomi presenti
1° fase: organicazione attraverso la fotosintesi
2° fase: sintesi di tutti gli altri composti organici
composti inorganici composto organico
LiLu2, TT/agg. 2014 Cfr. Piante-Animali 41
Composti organici naturali
• CARBOIDRATI (o “zuccheri”), C, H, O
• LIPIDI (o grassi) C, H, O, (N e P)
• PROTEINE C, H, O, N, S
• ACIDI NUCLEICI (DNA, RNA) C, H, O, N, P
NEGLI ORGANISMI VIVENTI
• IDROCARBURI prevalentemente C, H derivanti dalla trasformazione di biomassa
NEL PETROLIO
E NEL GAS NATURALE