I Fondamenti del Metabolismo: Nutrizione, Fotosintesi e Respirazione Cellulare negli Organismi Viventi

Parte 1: Le Funzioni Vitali Fondamentali

Nutrizione, Relazione e Riproduzione

La Nutrizione è l'assunzione di materia ed energia di cui il corpo ha bisogno per vivere. La Relazione è l'astrazione del contesto informativo che circonda l'organismo e il suo uso per la sopravvivenza. La Riproduzione crea nuove forme di vita con caratteristiche simili a quelle che le hanno generate.

Il Ruolo della Nutrizione

Il ruolo della nutrizione di un essere vivente è l'integrazione e la trasformazione di materia e di energia per svolgere le attività del corpo. I Nutrienti sono quegli elementi ambientali di cui gli esseri viventi hanno bisogno per svolgere le loro funzioni vitali.

Tipi di Nutrienti per Origine

1. Nutrienti Inorganici: Sono sostanze semplici che possono essere trovate sia negli organismi viventi sia nell'ambiente. Costituiscono una componente importante dei fluidi e degli scheletri degli organismi viventi e sono utilizzati nella respirazione e nella fotosintesi. Sono l'acqua, i gas e i sali minerali.
2. Sostanze Organiche: Sostanze complesse che possono essere prodotte solo da esseri viventi. Sono utilizzate per costruire strutture, per lo stoccaggio di energia, ecc. Sono classificate in:
   • Carboidrati: gli zuccheri.
   • Lipidi: i grassi.
   • Proteine: come l'emoglobina.
   • Acidi Nucleici: come il DNA.

Trasporto e Uso di Materia ed Energia

Gli organismi multicellulari di solito ricevono i nutrienti attraverso organi speciali come le radici e le foglie nelle piante, e gli stomaci negli animali.

Forme di Energia Sfruttate

Gli esseri viventi utilizzano diverse forme di energia:

• L'energia luminosa, sfruttata dalle piante attraverso la fotosintesi.
• L'energia chimica contenuta negli alimenti, sfruttata dagli animali.

Processi Fondamentali che Richiedono Energia

L'energia viene spesa dagli esseri viventi in tre processi fondamentali:

1. Mantenere le condizioni interne (Omeostasi): Gli organismi hanno bisogno di condizioni stabili per la sopravvivenza. Il corpo deve mantenere, ad esempio, la sua temperatura.
2. Sviluppo: Gli organismi aumentano di dimensioni, possono aumentare il numero delle cellule e riparare le strutture danneggiate.
3. Movimento.

Classificazione delle Molecole Organiche

Il materiale organico è formato da molecole organiche classificate in quattro gruppi:

• Carboidrati: Vengono usati per la liberazione immediata di energia e come riserve energetiche. I cereali sono alimenti con abbondanza di carboidrati.
• Lipidi: Utilizzati per ottenere e conservare l'energia, formano alcune strutture come le membrane cellulari.
• Proteine: Sono essenziali per la formazione di strutture e per il controllo delle reazioni chimiche cellulari. La carne è un alimento che contiene molte proteine.
• Acidi Nucleici: Contengono l'informazione genetica e dirigono l'attività cellulare, definendo la funzione di ogni cellula e il tempo per eseguirla (esempi: DNA e RNA).

Tipi di Nutrizione

Nutrizione in Base all'Origine della Materia

• Autotrofi: Gli organismi producono le proprie molecole organiche a partire da materia inorganica presente nell'ambiente (es. le piante).
• Eterotrofi: Gli organismi ottengono la materia organica da altri esseri viventi attraverso il cibo (es. gli animali).

Nutrizione in Base all'Estrazione di Energia

A seconda del modo in cui viene estratta l'energia, l'alimentazione può essere:

• Aerobica: Viene utilizzato l'ossigeno per rompere la molecola di glucosio. Questo processo si chiama Respirazione.
• Anaerobica: Non viene utilizzato ossigeno per rompere le molecole di glucosio. Questo processo è chiamato Fermentazione.

Parte 2: La Nutrizione nelle Piante

La nutrizione delle piante è di tipo autotrofo aerobico.

Processi Fondamentali nelle Piante

1. Ottenere i Nutrienti: La pianta ottiene sostanze inorganiche esterne per trasformarle in molecole organiche mediante il processo di Fotosintesi, dove l'energia luminosa è convertita in energia chimica.
2. Trasporto delle Sostanze Nutritive: Le molecole organiche ottenute dalla fotosintesi devono essere trasportate attraverso la linfa elaborata.
3. Ottenere Energia: Il glucosio viene estratto con energia chimica grazie all'ossigeno nel processo di respirazione.

Assorbimento dei Nutrienti

Piante Semplici e Complesse

Le piante semplici assorbono acqua, minerali o gas attraverso la superficie, come le alghe o i muschi.

Nelle piante più complesse, l'epidermide è formata da una cuticola impermeabile che impedisce il passaggio delle sostanze. Gli stomi sono piccole aperture sulla superficie delle piante che consentono lo scambio tra l'esterno e la pianta di anidride carbonica e altri gas. Gli stomi regolano la loro apertura e, in periodi di siccità, si chiudono per prevenire la perdita di acqua della pianta per evaporazione attraverso questi fori. Queste piante assorbono acqua e sali minerali dal terreno con i peli delle loro radici. La radice è costituita da superfici impermeabili come le foglie, ma è permeabile all'acqua.

Fotosintesi

La fotosintesi è il processo di sintesi di molecole organiche a partire da molecole inorganiche utilizzando l'energia del sole. La produzione di molecole organiche avviene a partire da molecole inorganiche assorbite dall'ambiente (anidride carbonica e acqua). L'energia necessaria per trasformare le molecole inorganiche in glucosio è ottenuta grazie a un pigmento verde, la clorofilla. Questo pigmento è in grado di immagazzinare energia dalla luce e trasformarla in energia chimica nella molecola di glucosio. Questo processo produce un residuo che viene espulso all'esterno del corpo: l'ossigeno. La clorofilla si trova all'interno dei cloroplasti, che si trovano solo nelle cellule vegetali.

Trasporto di Sostanze Nutritive

Diffusione e Vasi Conduttori

Nelle piante più semplici, il sistema di trasporto delle sostanze avviene per semplice diffusione: i nutrienti passano da una cellula all'altra senza bisogno di organi specifici.

Le Pteridofite e le piante da seme possiedono vasi conduttori per trasportare le sostanze alle cellule del corpo. Ci sono due tipi di vasi conduttori: lo Xilema e il Floema.

Xilema

Consiste in un circuito di cellule tubolari cave che formano vasi legnosi. Queste cellule sono morte. Trasporta la linfa grezza (acqua con sali minerali) che le radici hanno assorbito dal suolo. Lo xilema percorre la pianta dalle radici alle foglie.

Floema

È un circuito di conduzione formato da vasi composti da cellule viventi, comprendenti tubi cilindrici cribrosi. Trasportano la linfa elaborata (acqua con il glucosio prodotto dalla fotosintesi).

Ottenere Energia: La Respirazione Cellulare

L'energia viene estratta dalla decomposizione di molecole organiche come il glucosio, liberando l'energia chimica contenuta nei loro legami. Questo processo è chiamato Respirazione Cellulare.

La respirazione cellulare è un processo di decomposizione delle molecole di glucosio che produce energia grazie all'intervento di ossigeno. Si verifica nei mitocondri, organelli specializzati. All'interno di questo organello, una molecola di glucosio si combina con l'ossigeno, ottenendo anidride carbonica, acqua ed energia. L'energia ottenuta è divisa in una riserva energetica chiamata molecole di ATP, che vengono immagazzinate all'interno della cellula. L'ATP è distribuito in tutto l'interno delle cellule per i processi che necessitano di energia. L'anidride carbonica è un rifiuto che deve essere eliminato dal corpo, poiché se accumulata può diventare tossica. A differenza della fotosintesi, che richiede la luce per la sua realizzazione, la respirazione cellulare avviene continuamente nelle cellule e dipende solo dalla disponibilità di glucosio.

Stoccaggio di Energia

Le molecole di ATP sono responsabili della distribuzione dell'energia necessaria per la cellula. Nelle piante, l'energia autonoma si trova principalmente sotto forma di amido. La molecola di amido è una molecola molto grande composta da molte molecole di glucosio unite insieme (più di un migliaio di unità di glucosio). L'amido si trova nelle foglie, ma soprattutto in alcune strutture del corpo quali:

• Organi Sotterranei: Dedicati soprattutto alla riserva di energia (es. i tuberi).
• I Semi: Specificamente nell'albume o nell'endosperma, che contengono sostanze che nutrono l'embrione nei primi giorni.

Rimozione dei Rifiuti

I principali rifiuti gassosi sono l'anidride carbonica prodotta dalla respirazione e l'ossigeno prodotto dalla fotosintesi. Negli organismi semplici, la diffusione dei gas avviene direttamente da ogni cellula. Nelle piante, avviene attraverso gli stomi.

Alcune piante più grandi, come gli alberi, hanno un'epidermide molto indurita e impermeabile. In questi casi, gli stomi si trovano sotto questo strato e l'organismo sviluppa strutture per mettersi in contatto con l'ambiente esterno: le lenticelle. Le lenticelle sono interruzioni nel tessuto duro di alcuni gambi, visibili a occhio nudo, e hanno un aspetto simile a verruche.

Altri meccanismi di eliminazione dei rifiuti includono:

• Accumulo di lattice all'interno di ghiandole (es. nelle Euforbie).
• Espulsione del sale in eccesso nelle piante che abitano ambienti salmastri.