Teoria dello sviluppo delle cellule e dell’ereditarietà

La teoria dello sviluppo delle cellule parte dal 1838, dal botanico tedesco Matthias Jacob Schleiden, interessato alle piante.

Questo botanico affermava che le piante inferiori consistono tutte di una cellula, mentre le più alte sono composte da molte singole cellule. Quando il fisiologo tedesco Theodor Schwann, amico di Schleiden, estese la teoria cellulare per includere gli animali, determinò in tal modo un riavvicinamento tra la botanica e la zoologia.

La formazione della teoria cellulare prevede che tutte le piante e gli animali sono costituiti da cellule. Questo concetto segnò un grande progresso concettuale in biologia e portò a una rinnovata attenzione ai processi viventi che avvengono nelle cellule. Nel 1846, dopo diverse descrizioni del citoplasma⁽¹⁾ nelle cellule vegetali, il botanico tedesco Hugo von Mohl ha coniato la parola protoplasma per designare la sostanza vivente della cellula.

Teoria dello sviluppo delle cellule

Il concetto di protoplasma come base fisica della vita ha portato allo sviluppo della fisiologia cellulare.

Sviluppo delle cellule

Un’ulteriore estensione della teoria cellulare fu lo sviluppo della patologia cellulare da parte dello scienziato tedesco Rudolf Virchow, che stabilì la relazione tra eventi anormali nel corpo e attività cellulari insolite. Il lavoro di Virchow ha dato una nuova direzione allo studio della patologia e ha portato a progressi in medicina.

La descrizione dettagliata della divisione cellulare è stata fornita dal citologo⁽²⁾ vegetale tedesco Eduard Strasburger, che ha osservato il processo mitotico nelle cellule vegetali e ha ulteriormente dimostrato che i nuclei derivano solo da nuclei preesistenti.

Il lavoro parallelo nei mammiferi è stato eseguito dall’anatomista tedesco Walther Flemming, che pubblicò le sue scoperte più importanti a Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung nel 1882.

Teoria dell’evoluzione

Come conoscenza delle forme vegetali e animali accumulate dal sedicesimo al diciottesimo secolo, alcuni biologi iniziarono a speculare sulla discendenza di quegli organismi, sebbene la visione prevalente fosse quella promulgata da Linneo, cioè l’immutabilità della specie. Tra le prime speculazioni espresse durante il diciottesimo secolo, il medico britannico Erasmus Darwin che era il nonno di Charles Darwin, ha concluso che le specie discendono dagli antenati comuni e che esiste una lotta per l’esistenza tra gli animali.

Teoria dell’evoluzione

Il biologo francese Jean-Baptiste Lamarck, tra i più importanti evoluzionisti del diciottesimo secolo, riconobbe il ruolo dell’isolamento nella formazione delle specie; vide anche l’unità nella natura e concepì l’idea dell’albero evolutivo. Una teoria completa dell’evoluzione non fu tuttavia annunciata nel 1859 nel libro di Charles Darwin sull’origine delle specie per mezzo di selezione naturale o la preservazione delle razze preferite nella lotta per la vita.

In questo libro, Darwin affermava che tutte le creature viventi si moltiplicano così rapidamente che se non fossero controllate, presto si sovrappopolerebbe il mondo. Secondo Darwin, i controlli sulla dimensione della popolazione sono mantenuti dalla competizione per i mezzi di sostentamento.

Quindi, se qualche membro differisce in qualche modo per adattarsi meglio alla sopravvivenza, avrà un vantaggio che la sua progenie probabilmente perpetuerà. Il lavoro di Darwin riflette l’influenza dell’economista britannico Thomas Robert Malthus, che nel 1838 pubblicò un saggio sulla popolazione in cui avvertiva che se gli umani si moltiplicassero più rapidamente delle loro riserve alimentari, ne scaturirebbe una competizione per l’esistenza.

Dopo la scoperta della base cromosomica dell’ereditarietà e delle leggi dell’ereditarietà, si può osservare che la selezione naturale non implica le acute alternative della vita o della morte, ma risulta dalla sopravvivenza differenziale delle varianti. Oggi, il principio universale della selezione naturale, che è il concetto centrale della teoria di Darwin.

Lo studio della riproduzione e dello sviluppo degli organismi

Una domanda posta da Aristotele era se l’embrione è preformato e quindi si allarga solo durante lo sviluppo o se si differenzia da un inizio amorfo. Due scuole di pensiero contrastanti si sono basate su quella domanda. La scuola di preformazione sosteneva che l’uovo contiene un individuo in miniatura che si sviluppa nella fase adulta nell’ambiente adatto.

Sviluppo degli organismi – Alcuni virus al microscopio

La scuola dell’epigenesi credeva che l’uovo fosse inizialmente indifferenziato e che lo sviluppo avvenisse come una serie di passaggi. Nel diciannovesimo secolo, l’embriologo estone prussiano Karl Ernst von Baer ha fornito le prove finali contro la teoria. Il suo riconoscimento della formazione degli strati germinali da cui si sviluppano gli organi embrionali hanno gettato le basi dell’embriologia moderna.

Nonostante le molte prime descrizioni degli spermatozoi, il loro ruolo essenziale non fu provato fino al 1879, quando il medico e lo zoologo svizzero Hermann Fol osservò l’entrata di uno spermatozoo in un uovo. Prima di questa scoperta, durante il periodo dal 1823 al 1830, l’esistenza del processo nelle piante da fiore era stata dimostrata dall’astronomo e dall’ottico italiano Giovanni Battista.

La scoperta della fertilizzazione nelle piante era di grande importanza per lo sviluppo di ibridi vegetali, che sono prodotti dall’impollinazione incrociata tra specie diverse; è stato anche di grande importanza per gli studi di genetica ed evoluzione.

L’evento universale e la notevole somiglianza del processo di fecondazione, a prescindere dall’organismo in cui si manifesta, hanno provocato molte delle principali ricerche sul meccanismo. Si è capito che ci deve essere un modo per ridurre il numero di cromosomi prima della fecondazione; altrimenti, il numero del cromosoma raddoppierà ogni volta che uno spermatozoo si fonde con un uovo.

Nel 1883, l’embriologo e citologo belga Edouard van Beneden ha dimostrato che le uova e lo spermatozoo contengono metà del numero di cromosomi trovati nelle cellule del corpo. Per spiegare il dimezzamento dei cromosomi nelle cellule sessuali, il processo è noto come meiosi.

Nel 1887 il biologo tedesco August Weismann suggerì che ci dovevano essere due diversi tipi di divisione cellulare, e nel 1900 i dettagli della meiosi erano stati chiariti.

Teorie dell’ereditarietà

Le leggi fondamentali dell’eredità furono scoperte nel 1865 dal botanico austriaco insegnante e prelato agostiniano Gregor Mendel, anche se la sua opera fu ignorata fino alla sua riscoperta nel 1900. C’erano, tuttavia, una serie di punti di vista sull’argomento che erano stati espressi a lungo prima di Mendel.

I filosofi greci, per esempio, credevano che i tratti degli individui fossero acquisiti dal contatto con l’ambiente e che tali caratteristiche acquisite potessero essere ereditate dalla prole. Questo concetto, che enfatizzava l’uso e il disuso degli organi come fattore significativo nel determinare le caratteristiche di un individuo, postulava che qualsiasi alterazione nell’individuo potesse essere trasmessa alla prole attraverso i gameti⁽³⁾.

Nel 1885 Weismann suggerì che le caratteristiche ereditarie venivano trasmesse da quello che chiamava il plasma germinale distinguendosi dal somatoplasma (cellule corporee) che collegava le generazioni con un flusso continuo di cellule germinali. L’esploratore inglese, antropologo ed eugenetico Francis Galton apportò una serie di importanti contributi alla genetica nell’Ottocento.

Uno dei quali fu uno studio della natura ereditaria delle capacità, da cui sviluppò il concetto che l’allevamento giudizioso potesse migliorare la razza umana (eugenetica). Il lavoro più significativo di Galton fu la dimostrazione che ogni generazione fornisce un contributo proporzionato alla composizione totale dell’individuo.

Così, ha suggerito, se un uomo alto sposa una donna bassa, ognuno dovrebbe contribuire per metà del patrimonio totale, e la progenie risultante dovrebbe essere intermedia tra i due genitori.

Leggi mendeliane di ereditarietà

La fama di Gregor Mendel, il padre della genetica, si basa su esperimenti condotti con i piselli da giardino che possiedono caratteristiche fortemente contrastanti. Quando Mendel concimò piante corte con polline da piante alte, trovò che la prole (prima generazione filiale) era uniformemente alta.

Ma se permetteva alle piante di quella generazione di auto-impollinarsi (fertilizzandosi), la loro prole (la seconda generazione filiale) esibivano un rapporto piuttosto consistente di tre alte e una corta. Da quei risultati Mendel sviluppò il concetto di dominanza, basata sulla supposizione che ogni pianta avesse due unità caratteristiche, una delle quali dominava l’altra.

A quel tempo, non si sapeva nulla dei cromosomi o della meiosi, ma Mendel dedusse dai suoi risultati che le unità di tratto, in seguito chiamate geni, potevano essere una specie di particella fisica che veniva trasmessa da una generazione all’altra attraverso il meccanismo riproduttivo.

Il concetto più importante di Mendel era l’idea che i geni accoppiati presenti nel genitore si separassero durante la formazione dei gameti. Inoltre, in esperimenti successivi in ​​cui ha studiato l’ereditarietà di due coppie di tratti, Mendel ha dimostrato che una coppia di geni è indipendente da un’altra. Pertanto, sono stati stabiliti i principi della segregazione⁽⁴⁾ e dell’assortimento indipendente.

Le scoperte di Mendel furono ignorate per 35 anni, probabilmente per due ragioni; una perché l’illustre botanico svizzero Karl Wilhelm von Nägeli non riuscì a riconoscere il significato dell’opera dopo che Mendel gli mandò i risultati, non fece nulla per incoraggiare Mendel.

Il grande prestigio di Nägeli e la mancanza della sua approvazione hanno pesato indirettamente contro il diffuso riconoscimento del lavoro di Mendel. Inoltre, quando il lavoro fu pubblicato, si conosceva poco della cellula e i processi di mitosi e meiosi erano completamente sconosciuti.

Il lavoro di Mendel fu finalmente riscoperto nel 1900, quando tre botanici riconobbero indipendentemente il valore dei suoi studi dalla propria ricerca e citarono la sua pubblicazione nel loro lavoro.

Il meccanismo ereditario

Nel 1901 fu compreso come vengono distribuite le unità ereditarie postulate da Mendel; era anche noto che le cellule somatiche (corpo) hanno un doppio, o diploide, complemento di cromosomi, mentre le cellule riproduttive hanno un numero cromosomico singolo, o aploide⁽⁵⁾.

La dimostrazione sperimentale della base cromosomica per l’ereditarietà era stata stabilita dal citologo tedesco Theodor Boveri subito dopo la fine del secolo e successivamente confermata da altri. Per spiegare il gran numero di caratteri ereditari osservati, Boveri suggerì che ciascun cromosoma in una coppia potesse scambiare i fattori ereditari.

All’inizio, il genetista americano Thomas Hunt Morgan ha respinto questo concetto. In seguito, tuttavia, quando scoprì che era d’accordo con le sue scoperte di laboratorio, Morgan e i suoi collaboratori assegnarono alle posizioni ereditarie (geni) posizioni specifiche all’interno dei cromosomi.

Con i geni stabiliti come portatori di tratti ereditari, il biologo inglese William Bateson coniò il termine genetica per lo studio sperimentale dell’ereditarietà e dell’evoluzione.

Importanti sviluppi concettuali e tecnologici sulle cellule

Utilizzando i moderni metodi di indagine, come la diffrazione a raggi X e la microscopia elettronica per esplorare i livelli di organizzazione cellulare oltre a quelli visibili con un microscopio ottico, sulle ultrastrutture delle cellule sono stati prodotti nuovi concetti di funzione cellulare.

Di conseguenza, lo studio dell’organizzazione molecolare della cellula ha avuto un enorme impatto sulla biologia durante il ventesimo e il ventunesimo secolo. Ha anche portato direttamente alla convergenza di molte diverse discipline scientifiche al fine di acquisire una migliore comprensione dei processi vitali.

Sono state sviluppate anche tecnologie come il sequenziamento del DNA e la reazione a catena della polimerasi⁽⁶⁾, consentendo ai biologi di sbirciare nei progetti genetici che danno origine agli organismi. Le tecnologie di sequenziamento di prima generazione sono emerse negli anni settanta.

Sono state seguite alcuni decenni più tardi dalle cosiddette tecnologie di sequenziamento di nuova generazione, che erano superiori in termini di velocità ed economicità. Il sequenziamento di nuova generazione ha fornito ai ricercatori enormi quantità di dati genetici. La Bioinformatica, che collegava i dati biologici con strumenti e tecniche per l’analisi, l’archiviazione e la distribuzione dei dati, divenne una parte sempre più importante degli studi biologici.

In particolare, quelli che coinvolgono gruppi molto ampi di dati genetici Negli anni settanta e lo sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante aprì la strada all’ingegneria genetica che permise ai ricercatori di ricombinare gli acidi nucleici e quindi di modificare i codici genetici degli organismi.

In questo modo, dando agli organismi nuove abilità o eliminando tratti indesiderati. A quegli sviluppi seguirono i progressi delle tecnologie di clonazione, che portarono alla generazione nel 1996 di Dolly, la prima pecora clonata. La tecnologia del DNA ricombinante e la clonazione riproduttiva (il metodo utilizzato per produrre un clone di animale vivente) hanno facilitato grandi progressi nello sviluppo di organismi geneticamente modificati.

Tali organismi sono diventati componenti cruciali della ricerca biomedica, dove topi geneticamente modificati e altri animali sono stati sviluppati per modellare alcune malattie umane, facilitando così l’indagine di nuove terapie e dei fattori che causano la malattia.

Negli anni novanta e nei primi anni del 2000, i ricercatori di tutto il mondo si sono riuniti sempre più spesso in consorzi e altri gruppi collaborativi per compiere grandi imprese biologiche. Il primo grande successo di questi sforzi fu il sequenziamento del genoma umano, che fu realizzato attraverso il Progetto HGP.

L’HGP è iniziato nel 1990, sostenuto dal Dipartimento per l’energia degli Stati Uniti e dal National Institutes of Health (NIH). Successivamente, i ricercatori del NIH hanno collaborato con Celera Genomics, un’impresa del settore privato, e il progetto è stato completato nel 2003.

Anche tra il ventesimo e il ventunesimo secolo si sono visti importanti progressi nelle aree della biologia che si occupano di ecosistemi, ambiente e conservazione. Nel ventesimo secolo, gli scienziati hanno capito che gli umani dipendono dalle risorse naturali della Terra come per gli altri animali.

Tuttavia, gli umani stavano contribuendo alla progressiva distruzione dell’ambiente, in parte a causa di un aumento di pressione demografica e alcuni progressi tecnologici. I progressi salvavita in medicina, ad esempio, hanno permesso alle persone di vivere più a lungo e hanno provocato un drastico calo dei tassi di mortalità(soprattutto nei paesi sviluppati contribuendo a un aumento esplosivo della popolazione umana.

I contaminanti introdotti nell’ambiente con processi di fabbricazione, pesticidi, emissioni di automobili e altri mezzi mettono seriamente a rischio ogni forma di vita. Quindi, i biologi hanno iniziato a prestare molta più attenzione ai rapporti tra esseri viventi l’uno con l’altro e al loro ambiente.

La crescente importanza del cambiamento climatico e il suo impatto sugli ecosistemi hanno alimentato i progressi in campo ecologico, nonché lo sviluppo di campi come la biologia della conservazione e la genetica della conservazione.

Come in quasi tutte le altre aree della biologia, la biologia molecolare ha raggiunto un ruolo importante in quei campi, con tecniche come il sequenziamento dell’intero genoma utilizzate per raccogliere informazioni sulla diversità genetica delle popolazioni di specie in via di estinzione e tecniche come la clonazione.

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