Concetti Fondamentali di Biologia: Struttura della Vita e Proprietà Essenziali

Scienze Biologiche

Principali branche delle scienze biologiche:

• Genetica: Studio dell'eredità biologica e della variazione.
• Citologia: Studio della struttura e del funzionamento della cellula.
• Istologia: Studio della struttura dei tessuti.
• Botanica: Studio delle piante, alghe e alcuni batteri fotosintetici.
• Zoologia: Studio degli animali, del loro sviluppo e dell'interazione con l'ambiente.
• Anatomia: Studio della struttura macroscopica che compone il corpo degli organismi viventi, come organi e sistemi di organi.
• Embriologia: Studio dello sviluppo degli organismi dallo zigote all'organismo adulto.
• Biochimica: Studio delle proprietà chimiche delle cellule e degli organismi viventi.
• Ecologia: Studio dei rapporti tra gli esseri viventi e il loro ambiente.
• Tassonomia: Classificazione sistematica degli esseri viventi.
• Paleontologia: Studio dei fossili.

Caratteristiche degli Esseri Viventi

Gli esseri viventi presentano le seguenti caratteristiche fondamentali:

• Sono composti da cellule e possiedono una struttura complessa e organizzata.
• Rispondono agli stimoli dell'ambiente in maniera attiva.
• Mantengono la loro struttura complessa e il loro ambiente interno stabile (omeostasi).
• Ottengono e utilizzano materiali ed energia dal loro ambiente (metabolismo).
• Crescono e si riproducono.
• Evolvono nel tempo come popolazioni.

Atomi e Molecole

Atomi

Gli atomi sono le unità di base della materia. Sono costituiti da:

• Nucleo Atomico: Contiene protoni (con carica positiva +) e neutroni (senza carica).
• Elettroni: Particelle con carica negativa (-) che orbitano attorno al nucleo.

Definizioni importanti:

• Numero Atomico: Il numero di protoni nel nucleo, che definisce l'elemento chimico.
• Isotopo: Atomi dello stesso elemento (stesso numero di protoni) ma con un numero diverso di neutroni.
• Elemento: Una sostanza pura costituita da atomi con lo stesso numero atomico, che non può essere scomposta in sostanze più semplici mediante processi chimici ordinari.

Legami Chimici

I legami chimici sono forze di attrazione che tengono uniti gli atomi per formare molecole.

• Legame Ionico: Si forma quando un atomo cede uno o più elettroni a un altro atomo. Gli atomi diventano ioni con cariche opposte (uno positivo, uno negativo) che si attraggono.
• Legame Covalente: Si forma quando due atomi condividono una o più coppie di elettroni.

Proprietà dell'Acqua (H₂O)

Polarità e Legami Idrogeno

L'acqua è una molecola polare, il che significa che ha una distribuzione non uniforme della carica elettrica (l'ossigeno è parzialmente negativo, gli idrogeni parzialmente positivi). Questa polarità permette alle molecole d'acqua di formare legami idrogeno tra loro.

I legami idrogeno sono attrazioni relativamente deboli che si formano tra l'atomo di idrogeno (parzialmente positivo) di una molecola d'acqua e l'atomo di ossigeno (parzialmente negativo) di un'altra molecola vicina. Molte sostanze biologiche importanti, come gli amminoacidi, sono polari e interagiscono bene con l'acqua (idrofile), mentre sostanze come oli e grassi sono non polari (idrofobe).

La polarità e i legami idrogeno conferiscono all'acqua proprietà uniche e le permettono di esistere nei tre stati fisici (solido, liquido, gassoso) alle temperature compatibili con la vita sulla Terra.

Coesione e Tensione Superficiale

• Coesione: È la tendenza delle molecole d'acqua a rimanere unite tra loro, dovuta ai legami idrogeno. Questa proprietà è fondamentale, ad esempio, per il trasporto dell'acqua nelle piante.
• Tensione Superficiale: È una misura della forza necessaria per rompere o stirare la superficie di un liquido. L'acqua ha un'elevata tensione superficiale, sempre a causa della forte coesione data dai legami idrogeno. Questo fa sì che la superficie dell'acqua si comporti come una sorta di pellicola elastica.

Regolazione del pH e Temperatura

• Sistemi Tampone (Buffers): Sono soluzioni che resistono alle variazioni di pH quando vengono aggiunti acidi o basi. Nei sistemi biologici, aiutano a mantenere il pH stabile, essenziale per le funzioni cellulari. Un esempio è il sistema acido carbonico/bicarbonato (H₂CO₃ / HCO₃^-) nel sangue umano. L'acido carbonico può cedere ioni H⁺, mentre lo ione bicarbonato può accettarli.
• Resistenza alle Variazioni di Temperatura (Elevato Calore Specifico): L'acqua richiede una grande quantità di energia termica per aumentare la sua temperatura. Questo è dovuto ai legami idrogeno, che assorbono calore quando si rompono e lo rilasciano quando si formano. Grazie a questa proprietà, l'acqua modera le temperature ambientali (es. vicino a grandi masse d'acqua) e aiuta gli organismi a mantenere una temperatura interna stabile.

Distinzione tra Calore e Temperatura

• Calore: È l'energia termica totale associata al movimento degli atomi e delle molecole in un corpo o in una sostanza.
• Temperatura: È una misura dell'intensità media dell'energia cinetica (velocità media) delle molecole in una sostanza. Non dipende dalla quantità totale di sostanza.