La grande varietà della vita sulla Terra è costellata di strutture e comportamenti davvero sorprendenti. Ecco alcuni esempi «estremi»: certe rane ingoiano i propri embrioni e, dopo un periodo di sviluppo, li espellono dalla bocca; in alcuni squali si osserva un comportamento chiamato «cannibalismo uterino», in cui i feti uccidono e mangiano i propri fratelli mentre si trovano ancora all’interno del corpo materno; alcuni fiori di orchidea assomigliano così tanto ad api femmine che le api maschio tentano di accoppiarsi con essi; i polpi e i calamari, nonostante il cervello di dimensioni ridotte, mostrano capacità di ragionamento notevoli; alcuni batteri vivono soltanto per 15 minuti, mentre è dimostrato che il pino Pinus longaeva, una specie nordamericana, può superare i 4000 anni di età.

Le forme di vita non sono soltanto assai variegate, ma anche estremamente diffuse e abbondanti, dalle profondità oceaniche all’atmosfera. Una delle esigenze primarie della biologia (la scienza della vita, da bios, vita) è quella di classificare in modo più ordinato possibile tutta questa varietà. Gli organismi viventi sono oggi raggruppati in base alle loro caratteristiche, te ne puoi fare una prima idea dando un’occhiata alla ▶figura 1.1. Partendo da sinistra, i batteri sono dei «microrganismi» (cioè organismi di dimensioni microscopiche) ampiamente diffusi; un paramecio è invece un protista (organismo più grande e complesso di un batterio) microscopico. Infine, gli organismi delle altre fotografie sono tutti più o meno complessi e osservabili a occhio nudo: essi si distinguono dal modo in cui si procurano il cibo. La spugnola, un fungo, digerisce gli alimenti all’esterno del corpo, il girasole è una pianta, compie infatti la fotosintesi (processo che produce cibo), mentre l’oca delle nevi ingerisce il cibo dall’esterno, come tutti gli animali.

L’unitarietà generale tra tutte le forme viventi si può osservare nel tipo di organizzazione di base. La ▶figura 1.2 illustra ben undici livelli di organizzazione biologica, ma per il nostro tipo di studio sono importanti in particolare tre di essi: la cellula, gli organismi pluricellulari e la biosfera. Una cellula è la struttura funzionale di base di ogni vivente; in altre parole, tutti gli organismi sono fatti di una o più cellule. In una cellula gli atomi dei vari elementi chimici sono combinati a formare le molecole. Certe cellule, come quelle dei parameci, vivono in modo indipendente, sono quindi organismi unicellulari; altre, come quelle dell’alga Volvox, si aggregano formando colonie.

Un elefante (o qualsiasi altro animale) è invece un organismo pluricellulare, in cui cellule simili si uniscono a formare un tessuto, per esempio il tessuto nervoso che forma il cervello e i nervi. I tessuti formano a loro volta gli organi, che si uniscono costituendo i sistemi di organi, per esempio il cervello funziona insieme al midollo spinale e a una rete di nervi nel sistema nervoso. I sistemi di organi sono infine uniti a formare un individuo vivente completo, cioè un organismo.

L’insieme dei membri di una data specie che occupano una certa area costituisce una popolazione, mentre le popolazioni di piante, animali ecc. di quell’area formano una comunità, le quali interagiscono con l’ambiente fisico, formando un ecosistema. Tutti gli ecosistemi della Terra vanno a disegnare la biosfera: è il livello di organizzazione biologica maggiore che comprende tutti gli organismi.

Per definire che cos’è un organismo vivente esaminiamo ora le principali caratteristiche condivise da tutte le forme di vita.

Ordine.

Il corpo di una formica, così come quello degli altri animali, è formato da cellule, che sono strutture ordinate e bene organizzate, riunite a loro volta in tessuti, organi e sistemi di organi che funzionano in modo coordinato a formare un organismo completo. L’occhio di una mosca (un altro insetto) è uno degli esempi più spettacolari dell’ordine strutturale tipico degli animali (▶figura 1.3A). L’ordine, nei suoi vari gradi, si riconosce anche in organismi molto meno complessi degli animali, anche in quelli unicellulari, come i batteri e i protisti.

Risposta agli stimoli.

Tutte le forme viventi interagiscono in vario modo sia con l’ambiente sia con altri organismi. Grazie al movimento di microscopiche appendici, simili a peli o a codine, certi batteri sono in grado di spostarsi verso la luce o sostanze chimiche, oppure di allontanarsene. Gli organismi pluricellulari reagiscono in modi più complessi; per esempio, un avvoltoio può captare la presenza di una carcassa lontana diversi kilometri e raggiungerla in volo per cibarsene; una farfalla monarca riesce a percepire l’avvicinarsi dell’autunno e dare inizio alla sua annuale migrazione verso Sud. L’abilità di rispondere a uno stimolo è tipica anche delle piante, che, per esempio, si orientano rispetto alla luce nel modo migliore per le proprie esigenze (▶figura 1.3B).

Una risposta appropriata, come allontanarsi da un pericolo, garantisce meglio la sopravvivenza di un organismo, permettendogli di svolgere le proprie attività quotidiane. Considerate nel complesso, tali attività (ricerca e competizione per l’energia, il cibo, i ripari e la riproduzione) sono definite comportamento.

Regolazione dell’ambiente interno.

Perché un organismo possa sopravvivere è indispensabile che mantenga un certo equilibrio interno, o omeostasi. Per esempio, la temperatura, il livello di idratazione, l’acidità e altri parametri corporei devono restare nell’intervallo di tolleranza tipico di ciascun organismo. L’omeostasi viene mantenuta da appositi sistemi che controllano le condizioni interne e compiono gli adeguamenti necessari senza che sia implicata alcuna attività consapevole. Se ci dimentichiamo di mangiare perché siamo assorti in una lettura molto coinvolgente, il nostro fegato inizia a demolire il glicogeno immagazzinato per rifornirci di energia, mantenendo il livello di zuccheri nel sangue entro limiti normali.

Molti organismi mantengono l’omeostasi anche con il comportamento: per esempio, l’iguana marina regola la temperatura esponendosi al sole (▶figura 1.3C) o stando all’ombra.

Acquisizione di materiali ed energia.

Nessun essere vivente può mantenere la propria organizzazione interna e svolgere le attività vitali senza usufruire di sostanze nutritive (o nutrienti) e di energia (▶figura 1.3D). Il cibo, infatti, fornisce i nutrienti, che sono usati sia per formare strutture corporee sia per ricavarne energia per svolgere le funzioni vitali. L’energia è definita in fisica come la capacità di svolgere un lavoro; nei viventi questo lavoro è il mantenimento dell’organizzazione delle cellule e dell’intero organismo. Quando le cellule usano le molecole nutritive svolgono delle reazioni chimiche, che nel loro insieme prendono il nome di metabolismo.

La fonte di energia che rifornisce quasi tutta la vita sulla Terra è il Sole. Infatti, le piante e alcuni altri organismi (batteri e protisti) sono in grado di «catturare» l’energia della luce solare e, attraverso la fotosintesi, produrre molecole energetiche. Questi organismi si definiscono autotrofi, perché immagazzinano energia in modo autonomo, diversamente dagli organismi eterotrofi, che, invece, acquisiscono l’energia di cui hanno bisogno cibandosi di altri organismi. L’energia solare viene dunque immagazzinata sotto forma di energia chimica (molecole organiche) che viene messa a disposizione degli altri organismi. Praticamente tutti i viventi acquisiscono energia metabolizzando le molecole energetiche prodotte con la fotosintesi.

Riproduzione e sviluppo.

Gli organismi viventi derivano esclusivamente da organismi preesistenti. Ogni forma di vita può infatti compiere la riproduzione, cioè produrre (con varie modalità) individui suoi simili (vedi la figura 1.3D). I batteri, i protisti e altri organismi unicellulari si riproducono in modo molto semplice, suddividendosi in due parti identiche. Nella maggior parte degli organismi pluricellulari, invece, la riproduzione è un processo più complesso che necessita l’unione di una cellula spermatica di un individuo con la cellula uovo di un individuo del sesso opposto (fecondazione).

Ereditarietà genetica.

L’embrione prodotto dalla fecondazione si sviluppa nell’individuo tipico di una specie, che sia una balenottera oppure un tulipano, grazie a precise «istruzioni» ereditate dai genitori. Tali istruzioni, che definiscono nei minimi dettagli l’organizzazione e il metabolismo di un individuo, sono contenute nei suoi geni: i geni sono costituiti da lunghe catene di una molecola organica chiamata DNA (acido deossiribonucleico), presente in tutti gli organismi viventi.

Adattamento evolutivo.

Gli adattamenti sono modificazioni che rendono gli organismi idonei allo stile di vita nel proprio ambiente. Per esempio, un uccello rapace che caccia conigli (come la poiana della figura 1.3D) è in grado di volare grazie a ossa cave molto leggere, muscoli alari potenti e penne che lo sostengono perfettamente; la grande manovrabilità nel volo permette inoltre le picchiate verso le prede, mentre gli artigli affilati ne consentono la cattura.

Gli adattamenti sono acquisiti dagli organismi attraverso l’evoluzione, quel processo in cui le caratteristiche di una specie (gruppo di individui simili che si riproducono tra loro producendo prole fertile) cambiano nel corso del tempo. Più o meno come tu puoi risalire alle generazioni degli avi che ti hanno preceduto (genitori, nonni, bisnonni ecc.), per le specie viventi si può risalire a specie antenate, teoricamente fino alle cellule primordiali. Uno dei princìpi cardine della teoria dell’evoluzione riconosce che tutte le forme di vita attuali e passate discendono da forme di vita precedenti, il che spiega anche perché tutti gli organismi abbiano le stesse caratteristiche di base.

Gli organismi si evolvono attraverso un processo chiamato selezione naturale, termine introdotto per la prima volta nel 1859 da Charles Darwin, il padre fondatore della teoria dell’evoluzione. La teoria dell’evoluzione, nella sua sintesi moderna, riesce a spiegare le diversificazione delle forme di vita ed è la chiave per una classificazione degli organismi basata sulle relazioni di discendenza.