Gli organismi viventi condividono molte proprietà peculiari, che non si trovano nel mondo inanimato:

• tutti gli organismi sono fatti di cellule;
• le cellule contengono informazioni ereditarie scritte in un linguaggio genetico universale (ovvero comune a tutte le diverse forme di organismi viventi), che trasmettono alla discendenza;
• le cellule ricavano dall’ambiente energia e nutrienti;
• gli organismi rispondono ai cambiamenti dell’ambiente esterno 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 descriveremo in questo paragrafo, introduce i temi fondamentali che incontrerai nel libro; tuttavia, un semplice elenco non può rendere giustizia dell’incredibile complessità e diversità dei viventi (▶figura 1). In alcune fasi della sua esistenza, inoltre, una forma di vita può non mostrare tutte queste caratteristiche. Per esempio, i semi di una pianta del deserto possono rimanere inattivi per anni senza estrarre energia dall’ambiente, regolare il proprio ambiente interno o riprodursi; eppure essi sono vivi, poiché appartengono a una specie i cui individui svolgono queste funzioni.

La biologia è lo studio scientifico di tutti esseri viventi, cioè di tutti quei numerosi e vari organismi che discendono da un antenato unicellulare comparso quasi quattro miliardi di anni fa.

La scoperta della cellula risale al Seicento ed è dovuta a Robert Hooke, uno studioso di fisica, paleontologia, chimica e architettura vissuto in Inghilterra dal 1635 al 1703. Hooke affiancò al lavoro di ricerca un’intensa attività di progettazione di strumenti scientifici; uno dei suoi risultati più famosi riguarda i perfezionamenti apportati al microscopio ottico (▶figura 2A). Grazie a nuovi sistemi ottici e ad un nuovo sistema di illuminazione, Hooke poté effettuare una serie di straordinarie osservazioni; in una di queste, egli esaminò alcune sottili fettine di sughero e notò che esse erano costituite da tante piccole cellette separate tra loro (▶figura 2B). Hooke chiamò queste singole unità cellule.

Ci vollero però più di cento anni prima che le conoscenze sulle cellule facessero progressi significativi. Nel 1838, i biologi tedeschi Mathias Schleiden e Theodor Schwann, che studiavano rispettivamente la struttura dei vegetali e quella degli animali, rimasero colpiti dalle somiglianze tra le loro osservazioni e conclusero che gli elementi strutturali dei vegetali e degli animali sono fondamentalmente gli stessi.

La cellula è la struttura più semplice in grado di svolgere tutte le funzioni vitali. Alcuni organismi, detti unicellulari, sono formati da una sola cellula; altri, i pluricellulari, sono composti da numerose cellule specializzate in funzioni diverse.

Questa conclusione costituisce la base della teoria cellulare che, nella sua forma moderna, afferma quanto segue:

• le cellule sono le unità strutturali e funzionali di tutti gli organismi viventi;
• tutte le cellule provengono da cellule preesistenti;
• le cellule sono simili per composizione chimica e ospitano molte delle reazioni del mondo vivente;
• tutte le cellule sono avvolte dalla membrana plasmatica, un involucro che delimita la cellula e seleziona le sostanze che entrano ed escono;
• l’ambiente interno alla membrana è costituito da una miscela di acqua e di altre sostanze chiamata citoplasma in cui avvengono moltissime reazioni chimiche;
• tutte le cellule posseggono un proprio materiale genetico, che contiene le informazioni ereditarie necessarie alla cellula per svilupparsi, accrescersi e riprodursi.

Tutte le cellule del tuo corpo sono costituite da molecole, a loro volta formate da atomi legati tra loro. Gli atomi sono le particelle di cui è costituita la materia; in natura esistono diversi tipi di atomi: una molecola è formata da due o più atomi, uguali o diversi, uniti insieme. Atomi e molecole presenti nelle cellule obbediscono alle stesse leggi della fisica e della chimica che governano il mondo inanimato.

Le cellule tuttavia posseggono due caratteristiche peculiari che le distinguono dai sistemi inanimati: si riproducono e si sviluppano secondo un «progetto interno». Ciò è reso possibile dalla presenza in tutte le cellule di due tipi di biomolecole complesse, costituite da piccole subunità: il DNA (o acido desossiribonucleico) e le proteine. Ogni molecola di DNA è una lunga sequenza di subunità chiamate nucleotidi; una proteina, invece, è una sequenza di amminoacidi. È interessante osservare che i nucleotidi e gli amminoacidi sono uguali in tutte le cellule di tutti gli organismi, ma sono organizzati in sequenze diverse per produrre molecole con funzioni differenti.

Le molecole di DNA presenti all’interno di una cellula costituiscono il suo patrimonio ereditario o genoma.

Il compito del DNA è duplice:

1. contiene le informazioni necessarie per costruire e far funzionare correttamente la cellula;
2. permette all’organismo di trasmettere le proprie caratteristiche alla discendenza.

Tratti specifici del DNA, chiamati geni, contengono l’informazione utilizzata dalla cellula per fabbricare le proteine. Le proteine, oltre a costituire gran parte della struttura dell’organismo, sono le molecole che guidano le attività cellulari. Ogni organismo possiede geni specifici e quindi produce proteine specifiche (▶figura 3).

Il genoma di un organismo è composto da migliaia di geni. Se si altera la sequenza nucleo­tidica di un gene, è facile che cambi anche la proteina da esso codificata. Le alterazioni dei geni si chiamano mutazioni. Le mutazioni si verificano spontaneamente, ma possono anche essere indotte da vari fattori esterni, come le radiazioni o certe sostanze chimiche. Per lo più le mutazioni sono dannose, ma ogni tanto un cambiamento nelle proprietà di una proteina ne altera la funzione in modo da migliorare l’efficienza dell’organismo nelle condizioni ambientali in cui si viene a trovare. Come vedremo, queste mutazioni vantaggiose sono la materia prima dell’evoluzione.

Tutti i viventi hanno bisogno di energia e materie prime per costruire le loro cellule e per mantenere la loro complessa organizzazione interna. Come vedremo, alcuni organismi utilizzano la luce del Sole o altre fonti di energia per produrre biomolecole (per esempio, zuccheri) a partire da molecole semplici presenti nell’ambiente esterno: diossido di carbonio (chiamato anche anidride carbonica) e acqua. Altri ricavano dall’ambiente sostanze dette nutrienti che li riforniscono di energia per svolgere le proprie attività e di materie prime per costruire strutture biologiche.

Parte del lavoro cellulare consiste nella trasformazione di un tipo di biomolecola in un altro. Per esempio, gli zuccheri potranno depositarsi nel corpo sotto forma di grassi (▶figura 4A). Un altro tipo di lavoro svolto dalle cellule è quello meccanico, come spostare le molecole da un punto all’altro della cellula o anche muovere intere cellule o tessuti, come nel caso dei muscoli (▶figura 4B).

La vita dipende da migliaia di reazioni chimiche che si svolgono nelle cellule; durante tali reazioni, le molecole dei reagenti vengono demolite e gli atomi che le costituivano sono usati per costruire le molecole dei prodotti.

Il complesso di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno di un essere vivente unicellulare o pluricellulare costituiscono il suo metabolismo.

Le reazioni metaboliche richiedono che lo scambio di materiali tra l’interno e l’esterno delle cellule avvenga in modo controllato. All’interno della cellula, le reazioni metaboliche sono interconnesse tra loro: i prodotti dell’una costituiscono le materie prime della reazione successiva. Perché questa complessa rete di reazioni si integri in modo corretto, deve esistere un preciso controllo della loro velocità. Gran parte dell’attività delle cellule è finalizzata a regolare le molteplici reazioni chimiche in continuo svolgimento al loro interno. Tale attività di regolazione prende il nome di omeostasi.

L’omeostasi è la capacità dei viventi di mantenere relativamente costanti le caratteristiche del proprio ambiente interno, anche al variare dell’ambiente esterno.

Gli organismi formati da più cellule presentano un ambiente interno costituito dai liquidi extracellulari da cui le singole cellule ricavano nutrienti e nei quali riversano rifiuti. Nell’evolvere funzioni specifiche, per esempio il movimento, le cellule degli organismi pluricellulari hanno perso gran parte delle funzioni svolte dagli organismi unicellulari; essi quindi dipendono, per i loro bisogni vitali, da quell’ambiente che esse stesse contribuiscono a mantenere.

Anche le cellule di uno stesso tipo collaborano fra loro. In molti casi infatti, per svolgere i loro compiti specifici, gruppi di cellule simili si organizzano in tessuti. Per esempio, una sola cellula muscolare non può sviluppare molta forza; ma quando più cellule muscolari si uniscono per formare il tessuto muscolare si può generare una forza considerevole, tale da produrre il movimento. In moltissimi organismi pluricellulari i vari tipi di tessuto si organizzano in organi, preposti a svolgere una precisa funzione. Esempi di organi sono il cuore, il cervello e lo stomaco. Gli organi che svolgono funzioni interconnesse possono essere raggruppati in sistemi o apparati (▶figura 5).

Cellule, tessuti, organi e apparati sono le parti integranti, strutturate in modo gerarchico, che costituiscono un organismo pluricellulare.

Oltre che con il proprio ambiente interno, gli organismi interagiscono continuamente anche con l’ambiente esterno nel quale si trovano a vivere.

Gli organismi che appartengono a una certa specie (per esempio l’elefante marino) e che vivono nella stessa regione geografica costituiscono una popolazione.

Tra i membri di una popolazione possono esistere interazioni di vario tipo; per esempio, alcuni organismi sono territoriali, cioè difendono risorse come il cibo, i siti di nidificazione o i partner sessuali, cercando di impedirne lo sfruttamento da parte dei conspecifici (▶figura 6A). In altre specie gli animali possono cooperare con altri membri della popolazione formando unità sociali quali le colonie di formiche, i banchi di pesci o i branchi di lupi. Interazioni di questo tipo hanno portato all’evoluzione di comportamenti sociali come la comunicazione (▶figura 6B).

Le interazioni tra le popolazioni danno origine a una comunità.

Un esempio di comunità è costituito dagli organismi che vivono in un prato (erbe, farfalle, cespugli, lombrichi). Come in una popolazione, anche all’interno di una comunità può esistere competizione per le risorse tra individui appartenenti a specie diverse; in altri casi, gli individui di una specie costituiscono il cibo di cui si nutrono i membri di un’altra specie.

In ciascuna località geografica, l’interazione tra le comunità viventi e l’ambiente in cui esse vivono forma un ecosistema.

Gli organismi di un ecosistema, come una foresta, possono modificare l’ambiente influenzando la vita degli altri organismi. Per esempio, le piante dominanti della foresta determinano le condizioni ambientali nelle quali si trovano a vivere gli animali e le altre piante.

La teoria dell’evoluzione per selezione naturale elaborata da Charles Darwin è forse il più importante principio unificante della biologia.

La teoria dell’evoluzione suggerisce che gli organismi viventi discendano da antenati comuni e quindi siano imparentati tra loro; per questo egli si riferiva al processo evolutivo come a una «discendenza con modificazioni».

Pur non disponendo delle conoscenze sui meccanismi dell’ereditarietà genetica, Darwin ne sospettò l’esistenza osservando che la prole assomigliava ai genitori sotto tanti aspetti. Questa semplice osservazione è alla base del concetto biologico di specie: un gruppo di organismi che si somigliano («morfologicamente simili») e che possono accoppiarsi tra loro generando prole feconda.

D’altra parte, i figli non sono del tutto identici ai genitori (▶figura 7). Qualsia­si popolazione di una specie vegetale o animale mostra una certa variabilità e, se si fanno accoppiare individui scelti per una determinata caratteristica, molto probabilmente nella prole quella caratteristica sarà più frequente che nel resto della popolazione. Darwin stesso allevava piccioni ed era al corrente di come fosse possibile selezionare caratteristiche insolite di piumaggio o forma del becco. Darwin si rese conto che se gli uomini riuscivano a selezionare dei tratti particolari, lo stesso poteva avvenire anche in natura.

Come funziona la selezione in natura? Darwin ipotizzò che ad agire fosse una diversa probabilità di sopravvivere e riprodursi con successo. Egli rifletté sul fatto che il potenziale riproduttivo delle piante e degli animali, se non fosse tenuto sotto controllo, provocherebbe una crescita illimitata delle popolazioni; in natura tale crescita illimitata non si osserva, quindi soltanto una piccola percentuale della progenie riesce a sopravvivere e riprodursi. Perciò qualsiasi carattere che conferisca a chi lo possiede un aumento, anche modesto, della probabilità di sopravvivere e riprodursi, sarà favorito e si diffonderà nella popolazione. Darwin chiamò questo fenomeno selezione naturale.

Poiché, in determinate condizioni, gli organismi provvisti di certe caratteristiche sopravvivono più a lungo e si riproducono con maggior successo, la selezione naturale favorisce la comparsa di adattamenti, cioè caratteristiche strutturali, fisiologiche o comportamentali che potenziano la probabilità di un organismo di sopravvivere e riprodursi nel proprio ambiente (▶figura 8).

Tutte le cellule, quindi, derivano da cellule preesistenti, e tutte le diverse specie di organismi che popolano la Terra sono imparentate perché discendono, con modificazioni, da un antenato comune; la fonte dell’informazione che si trasmette da cellula madre a cellula figlia e, a livello di organismo, dai genitori alla prole, è scritta nei loro geni. La molteplicità di ambienti e di comunità ecologiche alle quali gli organismi si sono adattati nel corso della storia evolutiva ha portato a una straordinaria biodiversità.

I biologi raggruppano le specie attualmente viventi in tre gruppi chiamati domini: archei, batteri, eucarioti.

Archei e batteri presentano processi metabolici differenti, ma condividono una caratteristica fondamentale: l’unità costitutiva di entrambi è la cellula procariotica, una cellula piccola, molto semplice che non presenta scomparti interni.

I procarioti (▶figura 9) sono per lo più organismi unicellulari microscopici, anche se talvolta possono formare colonie in cui le cellule si uniscono l’una all’altra. Vivono in quasi tutti gli ambienti terrestri, anche i più ostili; molti si sviluppano all’interno di organismi eucarioti, con effetti talvolta positivi, talvolta negativi.

Il dominio degli eucarioti comprende quattro regni: animali, piante, funghi e protisti. Gli organismi che appartengono a questi regni sono formati da cellule eucariotiche.

La cellula eucariotica differisce da quella procariotica per diverse ragioni:

• il DNA è contenuto in uno scomparto chiamato nucleo, delimitato da una membrana;
• nel citoplasma sono presenti diversi organuli, sempre delimitati da membrane, che svolgono specifiche funzioni;
• la cellula eucariotica è molto più grande di quella procariotica.

I quattro regni degli organismi eucariotici si distinguono in base a quattro criteri:

1. Il regno dei protisti raccoglie tutti gli organismi che non rientrano negli altri regni. Si tratta quasi sempre di forme di vita unicellulari che possono essere sia autrotrofe sia eterotrofe (▶figura 10A).
2. Le piante sono organismi pluricellulari fotosintetici. Grazie alla fotosintesi, le piante sono in grado di produrre autonomamente i nutrienti partendo da molecole semplici che trovano nell’ambiente. Per questo le piante sono organismi autotrofi (▶figura 10B).
3. Anche i funghi, come gli animali, sono eterotrofi; questi organismi sono decompositori che si nutrono per assorbimento: dapprima il fungo secerne sostanze che demoliscono il materiale da digerire, poi le cellule assorbono i prodotti della digestione. I funghi sono sia unicellulari sia pluricellulari (▶figura 10C).
4. Gli animali sono organismi pluricellulari, che si nutrono ingerendo e digerendo il cibo. Poichè non sono in grado di prodursi autonomamente i nutrienti di cui hanno bisogno, gli animali sono detti eterotrofi (▶figura 10D,E).