/<1991>/ E' secreto nella cavità dello stomaco da ghiandole situate nella parete dello stomaco stesso (figura 15.4). Il succo gastrico contiene acido cloridrico che contribuisce alla scissione delle proteine in polipeptidi. Gli enzimi digestivi che catalizzano questa scissione richiedono un valore basso (acido) di pH per un efficace funzionamento. L'acido cloridrico del succo gastrico determina l'instaurarsi di un ambiente adatto nello stomaco. Per mezzo del mescolamento dell'azione del succo gastrico e degli enzimi digestivi il contenuto dello stomaco, il cibo, diventa presto una massa semiliquida. Il cibo parzialmente digerito è trattenuto nello stomaco dalla contrazione della valvola pilorica, lo sfintere tra stomaco e intestino tenue. Il piloro funziona a ritmi alterni, di contrazione e rilassamento, spingendo nell'intestino tenue, un po' alla volta, il cibo in parte digerito e vuotando lo stomaco in circa 4 ore. A questo punto, il cibo ha già compiuto un certo percorso; è stato frantumato fino a diventare una miscela densa ed è stato, in parte, digerito. Ora il cibo entra nell'intestino tenue, un tubo di circa 6 metri dove viene completata la digestione chimica ed ha luogo l'assorbimento di sostanze nutritizie. L'assorbimento si verifica mentre i prodotti finali della digestione passano attraverso il rivestimento cellulare dell'intestino tenue ed entrano nella circolazione sanguigna. Il sangue trasporta i nutrienti alle cellule, dove finalmente il cibo diventa parte integrante del corpo. Le molecole di nutrienti vengono scisse chimicamente nell'intestino tenue. Si ricorderà (vedere capitolo 4) che vi sono 4 tipi di molecole utilizzate da tutte le cellule come materiale per lo sviluppo e come fonte di energia: i carboidrati, le proteine, i grassi (lipidi) e gli acidi nucleici. Queste sono le molecole di cui il corpo umano ha bisogno e che il cibo deve fornire. Ecco perché il corpo umano non può utilizzare direttamente le proteine animali, i carboidrati del pane o il DNA di una patata. Proprio come una vecchia costruzione in mattoni può essere demolita ed i mattoni riutilizzati per pavimentare un portico o per costruire un caminetto, così il corpo umano scinde le macromolecole del cibo per formare i «mattoni» di cui ha bisogno. Solo questi «mattoni» possono essere assorbiti; solo essi possono essere usati per sintetizzare le specifiche molecole che costituiscono l'organismo. Questi cosiddetti «mattoni» sono piccole molecole che compongono le quattro macromolecole biologiche di cui si è parlato prima. I carboidrati sono catene di zuccheri semplici, le proteine sono composte da aminoacidi ed i grassi sono costituiti da una molecola di glicerolo e da tre acidi grassi. L'intestino tenue completa l'azione di degradazione delle grandi molecole di nutrienti attraverso l'azione degli enzimi digestivi. Gli enzimi ed i succhi digestivi entrano nella parte superiore dell'intestino tenue da pancreas, fegato ed intestino stesso. Tutti hanno un valore di pH alto (basico) per neutralizzare l'acido cloridrico della massa semiliquida proveniente dallo stomaco; e ciò perché gli enzimi dell'intestino tenue richiedono un ambiente neutro. Il pancreas, attraverso il dotto, riversa nell'intestino tenue il succo pancreatico, che contiene numerosi enzimi che catalizzano la digestione dei polipeptidi, dei grassi e dei polisaccaridi (figura 15.4). Il succo intestinale, secreto da ghiandole nelle pareti dell'intestino tenue, contiene altri enzimi attivi nella digestione dei dipeptidi e dei disaccaridi. I grassi devono essere pretrattati prima di poter essere digeriti. Questa funzione è riservata alla bile, che è secreta dal fegato ed immagazzinata nella cistifellea. La bile scinde le gocce di grasso in goccioline che possono essere meglio raggiunte dagli enzimi pancreatici che, poi, digeriscono i grassi e li scindono in acidi grassi e glicerolo. Molti fattori ambientali influenzano la fotosintesi e la respirazione cellulare. Molti fattori ambientali influenzano i ritmi di respirazione cellulare e di fotosintesi. Se uno di questi fattori è presente a livelli inferiori a quelli ottimali, quel fattore limita il livello della reazione. Per esempio, a temperature e concentrazioni di anidride carbonica ottimali, la capacità di fotosintesi è limitata dalla intensità luminosa. Se temperatura ed intensità luminosa sono ottimali, diventa allora fattore limitante la concentrazione di anidride carbonica. E se intensità luminosa e concentrazione di anidride carbonica sono di valore appropriato, la temperatura controlla la capacità fotosintetica totale. Si può verificare come alcuni di questi fattori interferiscano sull'efficienza fotosintetica nella ricerca 19.3. In generale, le temperature elevate accelerano il divenire delle reazioni chimiche, mentre le basse temperature lo rallentano. Per esempio le patate costituiscono un buon prodotto per l'ldaho, ma non per il Sud della Florida, a causa della temperatura delle due regioni durante la stagione di crescita. Il livello della fotosintesi si abbassa bruscamente a temperature maggiori di 20 C, mentre il ritmo della respirazione cellulare continua ad aumentare, come si vede nel grafico in figura 19.14. Questo significa che la respirazione cellulare brucia una quantità di zuccheri maggiore di quella prodotta dalla fotosintesi e, quindi, il tubero di patata può accumulare poco zucchero sotto forma di amido. Nel Nord più freddo, invece, il livello di fotosintesi nelle patate è più alto di quello della respirazione cellulare e le patate crescono molto bene. Inoltre, le basse temperature stimolano la pianta ad accumulare nutrimento nei tuberi o nei fusti. La fotosintesi fornisce sia i composti di carbonio per edificare le cellule che l'energia chimica di cui si serve la respirazione cellulare per produrre molecole di ATP. A loro volta, queste molecole di ATP vengono utilizzate per la nutrizione e la crescita delle cellule all'interno della pianta. Lo sviluppo di una pianta è controllato da numerosi regolatori di crescita, chiamati ormoni vegetali. Nel paragrafo seguente vengono descritti gli ormoni più importanti e come essi interagiscano con i fattori ambientali. 1. Confrontare i quantitativi di energia forniti sotto forma di ATP dalla respirazione aerobica e dalla fermentazione. 2. Come viene sfruttato dai produttori di vino il processo di fermentazione? 3. Perché alcuni organismi possono vivere sfruttando solo la fermentazione? 4. Quali sono alcuni dei fattori ambientali che influenzano respirazione cellulare e fotosintesi? Capacità fotosintetica. Descrizione. Vi sono numerosi metodi per misurare la capacità fotosintetica, o livello di fotosintesi. In questa ricerca si utilizza l'Elodea, una comune pianta acquatica. Si possono anche raccogliere ed usare altre piante acquatiche; se si è vicini alla costa marina si può provare a misurare la capacità fotosintetica dell'alga marina; dopo tutto, la maggior parte della fotosintesi sulla Terra ha luogo soprattutto nell'oceano. Materiali e strumentazione (per gruppo di lavoro). 2 tappi di gomma con 2 buchi. 2 tubi di vetro di 8 cm di lunghezza. Migrazione degli uccelli ed orologi biologici. Il volo degli uccelli migratori verso il Sud, in Inverno, e verso il Nord, in Primavera, è noto a tutti. Cosa guida questi uccelli verso climi più caldi, in Inverno, e li fa tornare verso la propria terra di origine, in Primavera? Due risposte vengono generalmente date a questa domanda. Una è che la migrazione è innescata da fattori esterni come le variazioni di temperatura ed i fotoperiodi, cioè il numero di ore di luce diurna da una stagione all'altra. L'altra è che esistono fattori interni, determinati geneticamente, che controllano questo comportamento stagionale. Negli ultimi venti anni, studiosi del comportamento animate hanno esaminato, nella Germania meridionale, gli spostamenti di diverse specie di uccelli canori che migrano durante la notte e riposano durante il giorno. I ricercatori hanno osservato che questi uccelli, in cattività, sono assai attivi di notte, durante l'Autunno o la Primavera. Questo comportamento, definito irrequietezza migratoria, può essere misurato ed utilizzato per determinare l'inizio e la fine del periodo migratorio. Dapprima i biologi studiarono tre gruppi di uccelli canori. Un gruppo fu allevato in laboratorio, a temperatura costante e fotoperiodo costante di 19 ore di luce al giorno. Un secondo gruppo fu trasferito in un ambiente a temperature invernali (per gli uccelli). Il terzo gruppo fu tenuto in laboratorio per tutto l'inverno a temperatura costante, ma con variazioni di fotoperiodo tipiche delle zone temperate. Tutti i gruppi mostrarono il comportamento tipico degli uccelli canori in libertà. Nel corso di ulteriori esperimenti, i ricercatori esposero ciascuno dei tre gruppi a fotoperiodi diversi, di lunghezza costante, per alcuni anni. L'irrequietezza migratoria continuò, con il tipico andamento annuale, in tutti i gruppi. Per tutta la durata dell'esperimento. Inoltre i biologi osservarono che la muta si verificava come negli animali in libertà. Questi esperimenti hanno chiaramente dimostrato che fattori interni controllano l'inizio della migrazione negli uccelli canori. Questi ritmi cronobiologici interni sono definiti orologi biologici. Molti altri organismi viventi hanno ritmi annuali simili a quelli degli uccelli. In condizioni ambientali costanti, l'intervallo di tempo su cui paiono regolati questi orologi biologici non è esattamente di un anno. Negli uccelli canori in cattività, ad esempio, la muta si verifica ogni dieci mesi, invece che dodici. Inoltre, in natura, le evenienze stagionali, come la muta e la migrazione, si verificano sempre in uno stesso periodo dell'anno. Quale fattore può sincronizzare i ritmi interni, approssimativamente annuali, con l'anno solare? Altri esperimenti hanno dimostrato che il sincronizzatore è il fotoperiodo. Quando l'ambiente esterno, in cui vivono gli uccelli canori in cattività, simula quello della loro terra di origine, essi vanno incontro ad irrequietezza migratoria e mutano ad intervalli esatti di un anno. Inoltre se il fotoperiodo viene aumentato e diminuito ogni sei mesi, invece che ogni dodici mesi, anche il ritmo interno dimezza la sua durata. Sembra, quindi, evidente che fattori interni, sincronizzati da fattori esterni, particolarmente il fotoperiodo, controllino la migrazione degli uccelli. Via via, vengono raccolti sempre più dati che dimostrano che ciò è vero anche per i comportamenti annuali di altri organismi viventi. Nel sistema immunitario possono insorgere molti problemi. Il principale ruolo del sistema immunitario è quello di distinguere ciò che è proprio (endogeno) dell'organismo da ciò che è estraneo (esogeno) all'organismo. Durante lo sviluppo embrionale di un organismo il sistema immunitario impara a riconoscerne come endogene le componenti chimico-biologiche. Alcune volte questo riconoscimento fallisce ed il sistema immunitario produce anticorpi contro le proprie cellule, nell'individuo. Ciò crea disturbi conosciuti come malattie autoimmunitarie. In una malattia autoimmunitaria vengono formati anticorpi che interferiscono sulla stimolazione nervosa dei muscoli, dando come risultato una riduzione della forza di contrazione muscolare. In altri casi vengono prodotti anticorpi contro il DNA endogeno, con la conseguente distruzione di molte funzioni del corpo. Si sospetta che vi sia una risposta autoimmunitaria in altre malattie, come l'artrite reumatoide e la sclerosi multipla. Le allergie sono apparentemente una mal adattata risposta del sistema immunitario verso cibi o altre sostanze comunemente presenti nell'ambiente, come pollini o polvere. Individui sensibili producono una classe di anticorpi che si combinano con cellule specializzate presenti nella pelle, nelle mucose di occhi, naso, bocca, tratto respiratorio ed intestino. Queste cellule, a loro volta, rilasciano istamina ed altre sostanze che causano congestione, starnuti, il tipico prurito della febbre da fieno o crampi e diarrea nel caso di allergie alimentari. La terapia consiste nel somministrare antiistaminici, che sopprimono alcuni dei sintomi dell'allergia, ma causano effetti collaterali come sonnolenza. Problemi possono insorgere con i diversi gruppi sanguigni. Si è appreso nel capitolo 8° che il sangue umano presenta gruppi sanguigni del sistema ABO. I differenti gruppi sanguigni non sono compatibili e la trasfusione di sangue di un tipo, nel sangue di un altro tipo, può causare una reazione fatale. L'incompatibilità nasce dal fatto che gli anticorpi presenti nel plasma di un determinato tipo di sangue reagiscono con gli antigeni presenti nei globuli rossi del sangue di un altro tipo. La reazione provoca l'agglutinazione dei globuli rossi. Contrariamente ad altri anticorpi, che vengono prodotti solo in risposta ad un antigene, gli anticorpi dei gruppi sanguigni del sistema ABO si sviluppano spontaneamente e sono normalmente presenti nel sangue. Ogni gruppo sanguigno è caratterizzato dalla presenza di un particolare antigene e differenti anticorpi. Le cellule delle pareti tubulari hanno anche la funzione di riassorbire sostanze utili dal filtrato per immetterle, nuovamente, in circolo. Il glucosio, gli aminoacidi, ioni essenziali come sodio e potassio, la maggior parte dell'acqua vengono riassorbiti in questo modo. Secrezione e riassorbimento richiedono la presenza di trasporti attivi che consentano lo scambio di sostanze. I nefroni mantengono un adeguato valore di concentrazione dello zucchero nel sangue mediante il processo di riassorbimento. Se la concentrazione plasmatica di glucosio (glicemia) diviene troppo elevata, come nei diabetici, non tutto il glucosio può essere riassorbito ed una parte viene eliminata con l'urina. Se la glicemia è bassa o normale, quasi tutto il glucosio viene riassorbito e non se ne troverà traccia importante nell'urina. L'equilibrio idrico-salino è regolato all'estremità distale del tubulo e nei dotti collettori. Qui circa il 99% dell'acqua, che ha lasciato i capillari ed è entrata nei nefroni, viene riassorbita e riimmessa in circolo. Il meccanismo è complesso e comporta il mantenimento di un'alta concentrazione salina nei tessuti che circondano il tubulo ed i dotti collettori. Come risultato l'acqua abbandona i dotti collettori per osmosi. Il riassorbimento dell'acqua avviene sotto controllo ormonale e la concentrazione finale dell'urina avviene nel dotto collettore. Come risultato dell'attività del rene si ha la regolazione del livello di zucchero nel sangue, la rimozione del sangue dei rifiuti azotati, la regolazione dell'equilibrio idrico-salino (ed il riassorbimento dell'acqua da parte del sangue), l'eliminazione dei sali in eccesso. Tuttavia i reni non possono eliminare alte concentrazione di sali né lo possono le ghiandole della pelle attraverso la traspirazione. Normalmente, in una dieta contenente cibi poco raffinati, non vengono ingerite molte sostanze ad alta concentrazione salina. Tuttavia i naufraghi, in mare, possono morire per disidratazione bevendo acqua di mare poiché invece di rifornire di acqua il loro organismo ne perderanno ancor più perché i reni tenteranno di eliminare i sali in eccesso. I reni hanno anche altre funzioni come, ad esempio, la regolazione del pH; ma le tre funzioni appena discusse (regolazione della glicemia, bilancio idrico-salino ed eliminazione dei prodotti azotati di scarto) sono quelle più importanti. Gli antropologi esaminano le testimonianze trovate in associazione con i reperti fossili scheletrici; studiano, ad esempio, strumenti litici, raccolte di ossa, resti di cibo animale (che permettono di stabilire se un animale ucciso altrove era trasportato al campo base e, quindi, suddiviso), tracce di carboni da fuochi di campi, capacità di ricavare ripari in scogliere o caverne, sepolture (a testimonianza della pratica del culto dei morti). Gli strumenti litici non indicano, di per sé, la presenza di esseri umani; ma strumenti litici in associazione con ossa animali sono considerati prova sperimentale della loro presenza. Se, inoltre, congiuntamente sono stati ritrovati carboni, costruzioni o sepolture allora i fossili sono considerati con sicurezza umani. Le caratteristiche fisiologiche aiutano a definire gli esseri umani in modo altrettanto valido delle caratteristiche strutturali; anche le caratteristiche comportamentali sono altrettanto importanti nel definire gli esseri umani. Un tipico comportamento umano è la tendenza a vivere in comunità piuttosto che in isolamento. Come singolo individuo, ogni persona è spesso debole (si immagini la condizione di una persona sola nelle foreste europee durante uno dei periodi glaciali); a gruppi, i primi esseri umani riuscirono, invece, a sopravvivere. Il comportamento sociale degli esseri umani può essere, in parte, correlato alla lunga durata del periodo di crescita. Durante questo periodo di dipendenza dai genitori, i bambini vengono inseriti nel gruppo sociale. La trasmissione delle conoscenze dipende dalla comunicazione tra gli individui. Gli esseri umani sono capaci di comunicare mediante gesti, ma, in genere, i gesti sono solo un complemento del linguaggio. Il linguaggio umano è assai più complicato di ogni altra forma di comunicazione e risulta essere una peculiarità tipica della specie umana. Il linguaggio è reso possibile da specifiche caratteristiche sia del cervello che delle corde vocali umane. Non è noto quando e come gli esseri umani abbiano iniziato a parlare. L'Homo sapiens è dotato di un cervello voluminoso. Quando, nel 1871, Charles Darwin pubblicò «The Descent of Man» la paleontologia ancora non esisteva; almeno un cranio fossile di ominide era già stato trovato, ma di esso non era stato compreso il significato. Il reperto era costituito da un cranio misterioso rinvenuto, nel 1856, in Germania, nella valle di Neander. Questo reperto (ed i numerosi reperti trovati successivamente ed indicati come neandertaliani) viene oggi classificato all'interno della specie umana, come sottospecie H. sapiens neanderthalensis. La presenza dei neandertaliani divenne rilevante quando, all'incirca tra 150000 e 200000 anni fa, l'H. erectus lasciò il posto all'H. sapiens. I ritrovamenti successivi hanno dimostrato che i neandertaliani possedevano una notevole cultura. Essi vissero all'aperto, in caverne ed in tende di pelle, sparsi ovunque in Europa e nel Medio Oriente. In alcune loro sepolture sono stati ritrovati resti di mazzetti di fiori. Inizialmente i neandertaliani convissero con l'H. erectus; alla fine, prima della loro scomparsa avvenuta circa 50 000 anni fa, essi coesistettero con la sottospecie H. sapiens sapiens, identificata negli esseri umani di Cro-Magnon. La foresta pluviale tropicale ha un clima molto uniforme. La foresta pluviale tropicale (figura 22.18) si distende su tre zone geografiche separate lungo l'Equatore. Il bioma prende il nome dalla collocazione geografica, trovandosi tra il tropico del Cancro ed il tropico del Capricorno. La più grande foresta tropicale si trova nel bacino del Rio delle Amazzoni, in Sud America. La seconda, per estensione, si trova nell'Asia Sud-orientale e la più piccola nel bacino del Congo, in Africa. Sulla foresta pluviale tropicale il sole, a mezzogiorno, è quasi verticale per tutto l'anno. Così la quantità di energia raggiante è notevole ed abbastanza costante. La pioggia cade quasi tutti i giorni e l'umidità è sempre alta. Le precipitazioni atmosferiche medie si aggirano intorno ai 2 m l'anno. Le temperature variano pochissimo nell'arco dell'anno e, sotto la volta vegetale, sono quasi costanti. Nessun altro bioma terrestre ha un clima così uniforme. La vegetazione è densa; la volta a baldacchino raggiunge un'altezza media di circa 50 metri ed alcuni alberi possono arrivare anche ad una altezza di 80 metri o più. Così, gli alberi sono più alti di quelli della foresta decidua temperata (da 20 a 30 metri), della foresta di conifere (15 m) o della tundra (0,1 m al massimo). Sotto gli alberi più alti ve ne sono di più bassi che tollerano l'ombra. Sotto questi ve ne sono altri, ancor più adattati per l'ombra. Dai rami penzolano molte liane legnose. Lungo i tronchi ed i rami degli alberi e dei fusti delle piante rampicanti vivono le epifite, piante che usano i rami sui quali crescono come sostegno, ma non come nutrimento. Le epifite non hanno alcun contatto con il terreno, mentre hanno speciali adattamenti per procurarsi l'acqua ed i sali minerali. Alcune hanno radici aeree che assorbono il vapore acqueo dall'atmosfera allo stesso modo in cui la carta assorbente assorbe l'acqua. Molte raccolgono il fabbisogno d'acqua giornaliero in speciali foglie cave. Le zanzare, i coleotteri acquatici, altri insetti acquatici ed anche una specie di rana (figura 22.20) vivono in tali pozzanghere in cima agli alberi. Il denso fogliame degli alberi assorbe la maggior parte della luce.