Sistema Nervoso, Endocrino e Riproduzione: Esplorazione Dettagliata

Sistema Nervoso Umano

Il sistema nervoso nell'uomo è, dal punto di vista biologico, una macchina estremamente complessa. È suddiviso in sistema nervoso centrale e sistema nervoso periferico. Il sistema nervoso centrale è costituito dal cervello e dal midollo spinale.

Il Cervello

Il cervello deriva da tre vescicole iniziali: prosencefalo, mesencefalo e romboencefalo. Successivamente, nello sviluppo embrionale, si originano cinque vescicole. Il prosencefalo dà origine a telencefalo e diencefalo. Il mesencefalo non si divide. Il romboencefalo dà origine a metencefalo e mielencefalo.

Il telencefalo è suddiviso in due emisferi e contiene due lobi olfattivi, molto sviluppati nei pesci, ma gradualmente ridotti nei vertebrati più avanzati. Forma gli emisferi cerebrali. Il cervello dei mammiferi raggiunge il suo massimo sviluppo. Il cervello ha la capacità di controllare i movimenti, di raccogliere informazioni sensoriali, memorizzare ricordi ed elaborare risposte complesse, utilizzando anche i ricordi per modulare la risposta finale.

Il diencefalo è una piccola sezione che fa parte del cervello. Nell'epitalamo superiore, presente in pesci, anfibi e rettili, ha una funzione di fotorecettore. C'è anche il talamo, in cui sono regolati gli stimoli sensoriali. Nella regione inferiore si trova l'ipotalamo, che regola l'attività dell'ormone ipofisario e la temperatura corporea.

Nel mesencefalo compaiono i lobi ottici nei vertebrati inferiori. Nei mammiferi, come il collicolo inferiore. Il metencefalo dà origine al cervelletto, che controlla la postura e coordina il movimento. Questo si trova nel Ponte di Varolio, che sta attraversando le vie nervose, una zona in cui sono dirette le fibre dal lato destro del corpo verso il lato sinistro del cervello e viceversa.

Il mielencefalo origina il tronco encefalico allungato o midollare. Regola anche attività viscerali come la deglutizione, la frequenza cardiaca o la frequenza respiratoria.

Il Midollo Spinale

Il midollo spinale è situato all'interno della spina dorsale. Due aree si distinguono per il loro colore e composizione: la sostanza bianca, all'esterno, formata dagli assoni dei neuroni, e la sostanza grigia, più interna, a forma di farfalla, formata da corpi cellulari dei neuroni e con un foro interno chiamato ependima. La materia grigia a forma di farfalla è composta da corno dorsale (ali di farfalla di piccole dimensioni) in cui entrano le fibre sensoriali e corna ventrali (ali di farfalla di grandi dimensioni) da dove escono le fibre motorie.

Le funzioni del midollo spinale consistono nella trasmissione delle informazioni dalla zona sensibile al cervello e alle aree motorie. Svolge, inoltre, i riflessi, che sono risposte rapide senza l'intervento del cervello.

Il Sistema Nervoso Periferico

Il sistema nervoso periferico è composto da nervi che entrano ed escono dal sistema nervoso centrale e dai gangli nervosi. Il sistema nervoso periferico può inviare informazioni alla contrazione muscolare volontaria o regolare le funzioni vegetative. L'insieme dei gangli e dei nervi che controllano queste funzioni costituiscono il sistema nervoso autonomo o vegetativo.

Il sistema nervoso autonomo, a sua volta, è costituito da due sottosistemi: il sistema nervoso simpatico e il sistema nervoso parasimpatico. Entrambi i sistemi sono, per la maggior parte delle loro funzioni, antagonisti tra loro, vale a dire che quando un sistema è attivo, l'altro è inibito. L'attivazione delle funzioni del sistema nervoso simpatico, come il movimento cardiaco o respiratorio, è inibita dal sistema nervoso parasimpatico. Tuttavia, il sistema nervoso parasimpatico accelera l'attività intestinale e inibisce il sistema nervoso simpatico.

Sistema Endocrino

Il sistema endocrino è un sistema di coordinamento. Riceve segnali, elabora le informazioni ricevute e produce la risposta adeguata da effettuare tramite recettori ormonali. Il sistema endocrino produce risposte lente che si diffondono attraverso sostanze chimiche chiamate ormoni, che circolano nel sangue e agiscono sui corpi che riconoscono queste sostanze. Questi organi, chiamati organi bersaglio, producono risposte coerenti con la concentrazione di ormone rilevata nel sangue. L'esistenza di un ormone può portare alla comparsa di strutture che non si manifesterebbero senza la sua presenza. Esempi sono la cresta del gallo o il tessuto sessuale femminile dello scimpanzé.

Gli ormoni secreti dalle cellule sono solitamente raggruppati in organi chiamati ghiandole. A volte sono secreti dai neuroni. In questo caso, gli ormoni sono chiamati neuro-ormoni.

Feedback Negativo

Il sistema endocrino funziona tramite feedback negativo o inibizione (feedback):

1. La ghiandola riceve informazioni per la secrezione dell'ormone.
2. La ghiandola rilascia l'ormone.
3. L'ormone agisce sulla cellula o organo bersaglio, con un conseguente cambiamento nell'ambiente interno.
4. Il cambiamento dell'ambiente interno è percepito dalla ghiandola secernente e inibisce la secrezione dell'ormone fino a quando non riceve un nuovo ordine di rilascio.

Negli invertebrati, gli ormoni non sembrano autentici nelle ghiandole. Gli ormoni sono secreti dalle cellule nervose, per cui gli ormoni sono neurormoni. Questi ormoni sono responsabili della regolazione della crescita degli animali e della maturazione sessuale. Essi possono anche controllare i cambiamenti di colore, che permettono all'animale di fondersi con l'ambiente. Lo stimolo che produce la secrezione dell'ormone è visivo. I cambiamenti di luce sono rilevati dall'occhio.

Negli artropodi, la crescita degli animali implica che l'esoscheletro venga cambiato con uno nuovo, più grande. Questo processo è chiamato muta o ecdisi. La muta è controllata da meccanismi ormonali. I crostacei possiedono cellule neurosecretorie negli organi chiamati corpi X e Y. La secrezione di neurormone dal corpo X, situato nei peduncoli oculari, inibisce la muta. La secrezione di neurormone dal corpo Y, che si trova sulle antenne, attiva la muta.

Negli insetti appare un neuro-ormone secreto dal protocerebro chiamato neotenina, che promuove la formazione di strutture larvali e l'inibizione delle strutture sessuali. Sempre nel protocerebro, nel corpo cardiaco, c'è un altro neuro-ormone chiamato ecdisotropina, che agisce su una vera ghiandola, la ghiandola protoracica, e induce il rilascio di ecdisone. L'ecdisone stimola la formazione della muta pupale e l'aspetto dei caratteri adulti.

Ormoni e Crescita nei Vertebrati

Nei vertebrati, le aree più importanti di secrezione ormonale sono l'ipotalamo, l'ipofisi, la tiroide, le paratiroidi, il pancreas, le ghiandole surrenali, le gonadi e la placenta. Ci sono anche cellule che producono ormoni sparsi in tutto il tratto gastrointestinale, che producono la gastrina, la secretina e la colecistochinina nello stomaco, nel duodeno e nel digiuno. Il rene produce renina, che agisce regolando la pressione sanguigna. Angiotensina I e angiotensina II sono prodotte nel polmone.

Il meccanismo di azione è fondamentalmente il principio del feedback negativo. L'ipotalamo è il coordinatore di tutto il sistema. Inoltre, come parte del sistema nervoso, ha funzioni di controllo nervoso sulla temperatura corporea o sullo stato di veglia o di sonno, nel caso dei mammiferi. L'ipofisi, insieme all'ipotalamo, costituisce l'asse ipotalamo-ipofisario, che è il centro di controllo della produzione di ormoni. L'ipotalamo, dopo aver ricevuto le informazioni dall'organismo, rilascia un neuro-ormone chiamato fattore di rilascio, che agisce sulla ghiandola pituitaria, promuovendo la secrezione di un particolare ormone ipofisario. Gli ormoni ipofisari agiscono sui tessuti o sugli organi. Il risultato è un cambiamento metabolico nel tessuto o organo recettore dell'ormone. Nel caso in cui l'organo bersaglio sia una ghiandola, l'effetto sarà la produzione di un altro ormone. Il cambiamento dell'ambiente interno è rilevato dall'ipotalamo, che inibisce la produzione di neurormoni, bloccando la secrezione di ormoni da parte dell'ipofisi. Le condizioni dell'ambiente interno tornano alla situazione originale che ha attivato l'intero processo, per cui l'ipotalamo produce neurormone.

Riproduzione

L'inizio di una nuova vita può avvenire in modi diversi, ma in ogni caso, prima o poi porta alla morte dell'individuo. Se in tale intervallo di tempo, che noi chiamiamo vita, non si riproduce, la continuità degli individui della specie può essere compromessa. Pertanto, la riproduzione è un meccanismo per perpetuare la specie. La cosa importante non è la sopravvivenza dei genitori, ma la discendenza genetica e le informazioni in loro possesso. Gli animali hanno due possibili tipi di riproduzione: la riproduzione asessuata e la riproduzione sessuale.

Riproduzione Asessuata

La riproduzione asessuata è tipica degli organismi unicellulari, alghe, funghi e piante, ma alcuni animali ne sono capaci. In questo tipo di riproduzione, un genitore dà origine a un individuo geneticamente identico a esso, quindi è un clone del padre. I diversi tipi di riproduzione asessuata negli animali sono la gemmazione e la frammentazione.

• Gemmazione: alcune cellule del genitore si dividono attivamente, formando una gemma. Questa struttura può finire per separarsi dal genitore per formare un singolo individuo o rimanere unita come parte di una colonia. Presentano questo tipo di riproduzione le spugne e i polipi, solitari o coloniali, per esempio, i coralli.
• Divisione o Frammentazione: il genitore si rompe spontaneamente (longitudinale o trasversale), causando una divisione controllata. Questo tipo di riproduzione si verifica in polipi, meduse e platelminti.

Un caso particolare di frammentazione si verifica nella poliembrionia. Questo processo si verifica quando, da un embrione in via di sviluppo, vi è una separazione di gruppi di cellule. Ognuno di questi gruppi crea un individuo completo. In questo caso, i discendenti risultanti avranno lo stesso genotipo. La poliembrionia è tipica dell'armadillo (mammifero senza denti). È il processo attraverso il quale negli esseri umani nascono due gemelli identici.

La rigenerazione non è di solito un processo di riproduzione di un singolo individuo intero. Si tratta piuttosto di un meccanismo di difesa utilizzato da molti animali. Consiste nel perdere una parte del corpo con l'obiettivo di non essere catturati da un predatore. Più tardi, la parte persa del corpo si rigenera. Questo è il caso della coda della lucertola, delle strutture interne, come parte del tubo digerente dei cetrioli di mare, o delle braccia della stella marina. In quest'ultimo caso, a volte una nuova stella può emergere dal braccio mozzato. Questo si verifica solo se la sezione del braccio include una parte del disco orale dell'animale. Se è così, questa è una vera riproduzione asessuata.

Riproduzione Sessuale

La riproduzione sessuale è la modalità più comune di riproduzione effettuata dagli animali. È caratterizzata dalla presenza di cellule specializzate chiamate gameti, e dà origine a individui diversi dai genitori. I gameti maschili si chiamano spermatozoi e quelli femminili, uova. Queste cellule sono prodotte in organi specializzati chiamati gonadi. I testicoli sono le gonadi che producono gli spermatozoi. Le ovaie sono le gonadi che producono le uova. La formazione dei gameti è innescata da un meccanismo chiamato gametogenesi. Il processo di formazione degli spermatozoi è chiamato spermatogenesi e quello di formazione delle uova, oogenesi. Entrambi i processi implicano una fase di maturità e una divisione cellulare tramite meiosi. Alla fine del processo, i gameti formati hanno un numero di cromosomi dimezzato per permettere la fecondazione e la formazione di un nuovo essere con lo stesso numero di cromosomi dei loro genitori.

Nelle specie possono esserci individui di sesso diverso, maschi e femmine, oppure individui ermafroditi, che hanno la capacità di produrre sia gameti maschili che femminili. Nel caso degli ermafroditi, come i vermi o le lumache da giardino, si favorisce la fecondazione incrociata. In genere, i gameti si fondono in un processo chiamato fecondazione. Altre volte, non avviene la fecondazione e dal gamete femminile non fecondato nasce un nuovo animale. In questo caso abbiamo la partenogenesi.

Fecondazione e Sviluppo

Non è sempre presente l'unione dei gameti nella riproduzione sessuale, anche se è il meccanismo di riproduzione più comune. La fecondazione è l'unione di uno spermatozoo e un uovo. La cellula formata dopo la fecondazione subisce un processo chiamato embriogenesi, che è la formazione dell'embrione. A seconda di dove si esegue, può essere esterna o interna.

• Fecondazione Esterna: spermatozoi e uova sono uniti al di fuori dell'animale. Gli spermatozoi sono molto sensibili al loro ambiente. Devono essere in un ambiente con molta acqua per raggiungere l'uovo, per cui questo tipo di fecondazione deve essere fatto in acqua o in un ambiente molto umido, come nel caso dei lombrichi.
• Fecondazione Interna: si verifica all'interno dell'animale, separatamente nella specie di sesso femminile. Per fare questo, lo sperma deve entrare nell'ovidotto. Il modo per fare questo può avvenire attraverso un organo copulatore, come il pene, da uno stretto contatto tra ovidotto e spermiducto come copula negli uccelli, o con la produzione di spermatofore che sono introdotte nell'ovidotto.

La fecondazione risulta nella formazione della cellula uovo o zigote. Attraverso un complesso processo di divisioni mitotiche, chiamato sviluppo embrionale o embriogenesi, si formerà la nuova progenie.

Embriogenesi

L'embriogenesi è la formazione di un embrione dallo zigote formatosi al momento della fecondazione. Il processo si articola nelle seguenti fasi:

1. Segmentazione: lo zigote si divide più volte, formando una struttura detta morula. Il processo di formazione della morula è effettuato da successive divisioni mitotiche. Le cellule formate sono totipotenti e sono chiamate blastomeri.
2. Blastulazione: le cellule della morula continuano a dividersi e migrare verso l'esterno, formando un unico strato di cellule che circonda una cavità interna chiamata blastocele. La struttura formata è chiamata blastocisti.
3. Gastrulazione: le cellule della blastula continuano a dividersi. A un certo punto, le cellule si dividono a velocità diverse, portando alla formazione di una cavità all'interno della blastocisti. La struttura formata è chiamata gastrula e la cavità interna, arquénteron, che si apre verso l'esterno attraverso un'apertura detta blastoporo. Così, le cellule che rivestono l'arquénteron appartengono allo strato germinale chiamato endoderma, mentre le cellule esterne appartengono all'ectoderma. La gastrula si forma in modi diversi, a seconda del tipo di animale.
4. Triblásticos: negli animali, ancora in fase di gastrulazione, si crea un nuovo foglietto embrionale chiamato mesoderma, che si trova tra l'endoderma e l'ectoderma. Il modo di formazione del mesoderma varia in base al tipo di animale. A volte il mesoderma contiene una cavità interna chiamata celoma. Gli animali con questa cavità sono chiamati celomati.
5. Organogenesi: è la fase in cui si formano i vari tessuti ed organi che compongono l'animale. A seconda della specie, questa fase può essere molto complessa.

Sviluppo Embrionale

A seconda di dove si verifica lo sviluppo embrionale, gli animali sono classificati come:

• Ovipari: animali che si sviluppano all'interno di un uovo.
• Ovovivipari: animali che si sviluppano all'interno dell'uovo che è dentro il corpo della madre, ma senza contatto diretto.
• Vivipari: animali che si sviluppano all'interno della madre, stabilendo un contatto intimo con lei.

Dopo lo sviluppo embrionale e la nascita, lo sviluppo dell'animale continua. Lo sviluppo postembrionale può essere diretto o indiretto.

• Sviluppo Diretto: l'animale raggiunge la maturità sessuale senza apparenti cambiamenti morfologici, ma con un aumento delle dimensioni.
• Sviluppo Indiretto: l'animale proviene da una fase di uova e larve, e per passare alla fase adulta deve subire notevoli cambiamenti nella morfologia. A volte, ci sono diverse fasi larvali.

A volte, lo sviluppo può anche passare attraverso una fase in cui la larva non si alimenta ed è avvolta in una struttura di protezione, formando un bozzolo o pupa, costruito da lei stessa quando ha raggiunto l'età adulta. In questo caso, si dice che lo sviluppo è indiretto e complesso.

Clonazione

La clonazione è la produzione di un'unità geneticamente identica a un'unità predecessore, che viene clonata. L'unità può essere molecolare, la clonazione di un gene, un gruppo di geni, il DNA completo, una cellula, un tessuto, un organo o un intero individuo. I cloni sono prodotti naturalmente dalla divisione asessuata. La clonazione solleva una serie di problemi ancora irrisolti.

Clonazione Molecolare

La clonazione delle molecole può essere effettuata da due processi: la clonazione acellulare o la clonazione cellulare.

• Clonazione Acellulare: nota anche come meccanismo di amplificazione del DNA o RNA (PCR). Questa clonazione può avere due obiettivi: ottenere una grande quantità di DNA per scopi diversi, o per determinare la sequenza di una piccola porzione di DNA in soluzione. La sua applicazione è varia. È utilizzata per rilevare le sequenze del DNA, per il sequenziamento del DNA, per la ricerca di mutazioni, la diagnosi delle malattie (genitori o altro), per gli studi evolutivi, l'individuazione di cellule tumorali, l'amplificazione del DNA per la clonazione delle cellule, ecc.
• Clonazione Cellulare: questo sistema utilizza le cellule per clonare frammenti di DNA, non è un clone di cellule. A tal fine, in precedenza doveva essere amplificato (ad esempio, avere molte copie clonate) il DNA da clonare. Inserire quindi il DNA in veicoli, chiamati vettori, che viene trasportato e introdotto nelle cellule. Il nome dato a queste cellule è ospite, e le cellule da coltivare, cioè, da moltiplicare in un terreno di coltura. Le cellule poi si moltiplicano, replicando lo stesso DNA e il frammento che si desidera clonare. In questo modo si ottiene un gran numero di cellule contenenti il DNA che si desidera clonare, chiamato ricombinante. L'obiettivo di questo tipo di clonazione può essere l'amplificazione del DNA clonato, al fine di studiarne la sequenza, la struttura, per studi filogenetici o per l'identificazione di mutazioni. Inoltre, questo metodo è usato per studiare il meccanismo di regolazione genica, trascrizione e traduzione. Un'altra applicazione è di ottenere la proteina codificata dalla sequenza del DNA clonato, sia per analizzare la struttura della proteina, sia per modificarla o venderla in base alle loro proprietà. Questa è la tecnica utilizzata per ottenere l'insulina.

Clonazione di Cellule, Tessuti o Organi

La clonazione di cellule, tessuti o organi usando cellule staminali è possibile grazie alla loro totipotenza, che permette loro di formare altre cellule differenziate, che possono portare a organi o tessuti. Con questo tipo di clonazione si ottengono cellule compatibili con le cellule adulte in grado di differenziarsi in vari tipi di cellule, che formano un tessuto o un organo. Questa tecnica può essere utilizzata per le ustioni, per generare cellule epiteliali dalle cellule staminali e ridurre il rigetto di innesti cutanei. Si è tentato, nei casi di diabete, di far entrare le cellule staminali nel pancreas, con un gene produttore di insulina "normale". Queste cellule si differenziano per formare cellule del pancreas e vengono innestate nel paziente. Inoltre, questa tecnica è stata utilizzata in pazienti che hanno subito attacchi di cuore. Le cellule staminali adulte formano le cellule del muscolo cardiaco, si innestano sul cuore e integrano le cellule morte, rigenerando l'area danneggiata dal colpo.

Clonazione di Organismi Vegetali

La clonazione è stata fatta in agricoltura e giardinaggio per lungo tempo. Il metodo di coltivazione "di taglio" consiste nel prendere una dose (un ramo) di una pianta e metterlo a terra, in attesa che attecchisca e costruisca una radice. Così, le piante sono cloni ottenuti dalla pianta madre con le stesse caratteristiche. Per secoli abbiamo cercato di migliorare le razze animali, selezionando gli individui con più carne e migliori produttori di latte e lana. In agricoltura sono state selezionate le varietà vegetali più interessanti, più resistenti e più grandi. Il modo per ottenere questi nuovi individui è stato incrociando genitori con caratteristiche desiderabili, anche se questo non è sempre stato raggiunto. L'uso di ormoni per produrre un aumento della dimensione e una crescita più rapida negli animali destinati al consumo umano è attualmente proibito per le conseguenze negative che appaiono sulla salute dei consumatori.

Attualmente si utilizza la clonazione di organismi geneticamente modificati, noti ai non scienziati come GM. Si cerca di isolare i geni responsabili dell'ingrasso, della produzione di latte, della resistenza alle infezioni, della resistenza agli erbicidi... La tecnica consiste nell'ottenere cellule animali che contengono il gene responsabile per la caratteristica desiderata. Successivamente, il nucleo della cellula viene inserito in un uovo, a cui è stato precedentemente rimosso il nucleo. Poi si deve ottenere che la cellula diploide si divida per formare un nuovo individuo, come sarebbe uno zigote formato dalla fecondazione dell'uovo da parte dello spermatozoo. Infine, per sviluppare l'embrione deve essere impiantato nell'utero di una femmina.

È possibile modificare geneticamente il nucleo della cellula di un animale per la successiva clonazione. In questo caso, l'uovo a cui è stato estratto il nucleo viene iniettato nel nucleo con l'informazione genetica modificata. Nel caso delle piante si utilizzano cellule in grado di divisione. A queste si aggiungono i geni selezionati. Quindi, le cellule sono coltivate in laboratorio e da quelle ottenute, si ottengono piante con caratteristiche diverse per l'impianto iniziale. Le piante sono clonate.

Problemi Derivanti dalla Clonazione

I problemi derivano dalla clonazione molecolare, cellulare e dalla clonazione degli individui. La clonazione molecolare crea diversi tipi di problemi, a seconda del metodo utilizzato:

• Clonazione Molecolare Acellulare: al fine di clonare molecole acellulari è necessario conoscere la sequenza di DNA che abbiamo amplificato. Se questa sequenza non è nota, non si può eseguire la clonazione.
• Clonazione Cellulare di Molecole: per eseguire la clonazione di cellule di molecole è necessario effettuare le seguenti operazioni:
  • Conoscere la sequenza del DNA da clonare.
  • Scegliere un vettore efficiente sufficiente per inserire la sequenza di DNA.
  • Trovare le cellule che sono state ricombinate dal vettore.
  • Raccogliere il prodotto codificato da clonare.

La clonazione delle cellule ha anche degli inconvenienti. Bisogna ottenere cellule staminali. Le cellule staminali ottenute da:

• Cellule che generano tessuto specifiche, note come cellule multipotenti commesse o, come le cellule che producono le cellule del sangue nel midollo osseo.
• Cellule totipotenti, in grado di generare qualsiasi tessuto, in ogni linea cellulare. Le cellule staminali possono essere ottenute solo nei primi stadi di divisione cellulare nello sviluppo embrionale. Le cellule, a cui ci si riferisce, sono i blastomeri visualizzati dalla segmentazione dello zigote. Per utilizzarli è necessario lavorare con gli embrioni. Questo lavoro può essere fatto con cellule animali, ma non con gli esseri umani, il diritto attuale non permette l'uso di embrioni umani. La legge vuole, con questo divieto, che non si porti a sviluppare la tecnologia per la clonazione di individui umani. Tale divieto non include l'essere in grado di decifrare i meccanismi attraverso cui una cellula totipotente diventa un impegno, in grado di generare solo un tipo di linea cellulare. Il divieto impedisce anche di studiare terapie finora impossibili da curare, come la tetraplegia, oppure creare organismi progettati per ogni paziente, senza la comparsa di rigetto nei trapianti.

La clonazione di organismi geneticamente modificati pone due problemi:

• Problema Sociale: ha incoraggiato un rifiuto delle agenzie "transgenico", in quanto ignora l'influenza che il cambiamento genetico può portare all'ambiente e ai consumatori.
• Problemi Tecnici: la tecnica è ancora troppo recente. Questi problemi tecnici sono maggiori nella clonazione di animali che nei vegetali.