Biologia Microbiologia Biotecnologie - Vol. 1 [Tinti - Piccin Editore]

VOLUME 1  Le basi della biologia  Il laboratorio di biologia-microbiologia  La crescita microbica  Bioenergetica e metabolismo  Riproduzione ed ereditarietà  I microrganismi eucariotici  Tassonomia ed identifi cazione dei procarioti Prefazione La biologia (dal greco bìos = vita e lògos = discorso) è la scienza che studia tutto ciò che ri guarda la vita; studia, pertanto, le caratteristiche strutturali, funzionali e comportamentali degli organismi, oltre che la loro classificazione. La scuola greca fu la prima a studiare i fenomeni naturali con due indirizzi diversi: un indirizzo filosofico che mirava a scoprire le leggi della natura; un indirizzo medico che studiava l’anatomia e la fisiologia. Aristotele fu il primo a separare lo studio dei vi venti da quello della medicina. Fu in grado di ordinare più di 500 specie di animali in classi, nelle quali incluse anche l’uomo. Distinse gli animali con sangue da quelli senza sangue; divise gli animali con sangue in: pesci, animali terrestri che deponevano uova, uccelli e mammiferi. Distinse, inoltre, i cetacei dai pesci. Gli studi biologici furono scarsamente impor tanti nel periodo romano. Una figura di rilievo di questo periodo è rappresentata da Galeno, il me dico dei gladiatori, che dimostrò una notevole co noscenza del corpo umano. Alla caduta dell’Impero Romano gli studi scientifici si spostarono nel mondo orientale; da personaggi del mondo arabo sorse la Scuola Medica Salernitana, la più importante istituzione medica del Medioevo. Lo studio dell’anatomia umana fece notevoli progressi nel periodo rinascimentale con Leo nardo da Vinci (1452-1519); di lui restano impor tanti testimonianze degli studi anatomici eseguiti con grande cura sui cadaveri. Un’altra figura di ri lievo di questo periodo è rappresentata da Andrea Vesalio (Andreas van Wesel, 1514-1564) medico e anatomista fiammingo che deve essere conside rato il fondatore della moderna anatomia. Di rilievo una sua pubblicazione (“De humani corporis fabrica”) basata su studi anatomici da lui stesso eseguiti. Come tutte le altre scienze, quelle biologiche furono influenzate in modo decisivo dall’opera di Galileo Galilei (1564-1642), che evidenziò la ne cessità di giungere per qualsiasi attività scientifica a “sensate esperienze” insieme alla formulazione delle ipotesi. Nel diciassettesimo secolo William Harvey dimostrò che nel corpo umano il sangue circolava continuamente. Cartesio (René Descartes, 1596-1650) sostenne che il corpo umano funzionava come una macchina basata su leve e che ogni singola funzione potesse essere spiegata in modo meccanico. Georg Ernst Stahl (1660-1734) si contrappose in modo netto a Cartesio; affermò che le parti che compongono l’uomo sono indivisi bili e irriproducibili perché tenute insieme da un’anima e le funzioni vitali ubbidiscono a leggi diverse da quelle fisiche. In questo stesso secolo Antony van Leeuwenhoek (1632-1723), impiegando microscopi dotati di una sola lente, da lui stesso costruiti, eseguì osservazioni su numerosi campioni che gli consentirono di scoprire l’esistenza di minuscoli organismi (batteri, protozoi, lieviti, ecc.). Con l’impiego del microscopio composto, Robert Hooke (1635-1703) studiò invece le cellule. La sistematica fece notevoli progressi con l’opera di Linneo (Carl Nilsson Linnaeus, 1707-1778) che giunse alla classificazione dei viventi, mediante la creazione di un ordine gerarchico e l’impiego della nomenclatura binomiale. Nel secolo diciannovesimo da Rudolf Ludwig Karl Virchow (1821-1902) fu formulata la teoria cellulare, secondo cui gli organismi viventi sono costituiti da elementi cellulari ed ogni cellula de riva da una cellula preesistente. In questo secolo, anche grazie alla messa a punto di microscopi più potenti, si sviluppò lo studio dei microrganismi. Nel secolo ventesimo gli studi biologici sono stati caratterizzati, in particolare, dal grande sviluppo delle conoscenze genetiche e molecolari, che hanno radicalmente cambiato il modo con cui eseguire le ricerche. La moderna biologia è diretta conseguenza di questo tipo di approccio. La nascita e lo sviluppo della microbiologia hanno preso origine dagli studi di Louis Pasteur (1822-1895) e Robert Koch (1843-1910), che si sono avvicinati ai microrganismi in quanto responsabili di malattie negli organismi superiori. In seguito i progressi sono stati innumerevoli ed il li vello delle conoscenze sempre più approfondito. Per la loro semplicità organizzativa, i batteri sono di venuti un modello di studio per tutta la ricerca biologica, tanto che le conoscenze acquisite sui procarioti sono state fonda mentali per la comprensione dei processi biologici presenti anche negli organismi più evoluti. I microrganismi sono rappresentati da innumerevoli specie, distinguibili dal punto di vista morfologico, strutturale, metabolico, antigene, ecc.; spesso interagiscono con altri organismi viventi ed hanno un ruolo fondamentale nell’economia della biosfera, alcuni di essi partecipano attivamente alla sintesi della sostanza organica, altri alla de composizione della stessa, grazie alla notevole capacità degradativa che li caratterizza. Nel corso degli studi i ricercatori si sono resi conto rapidamente del coinvolgimento dei microrganismi in diversi processi utilizzati dall’uomo da tempo immemorabile, come la produzione del vino, della birra, del pane, dello yogurt, dei formaggi. La possibilità di controllare tali processi ha aperto la strada alle moderne microbiotecnologie, vale a dire ad applicazioni finalizzate alla produzione di una grande varietà di beni e servizi. Dagli anni ’70 in poi lo sviluppo delle tecniche di ricombinazione del DNA ha per messo di mettere a punto strategie dalle enormi possibilità applicative. In laboratorio geni molto lontani dal punto di vista evolutivo possono essere ricombinati permettendo processi del tutto inattuabili in natura. Siamo solo all’inizio di questo itinerario, ma, oltre alle grandi potenzialità, si possono in travedere anche impor tanti problematiche, per l’uomo e per la natura nel suo complesso, che devono rendere attente le di versi Istituzioni nazionali ed internazionali nella regolamentazione e nel controllo dei processi biotecnologici. BIOLOGIA, MICROBIOLOGIA E BIOTECNOLOGIE NELLA SCUOLA SECONDARIA SUPERIORE Con la recente riforma della scuola secondaria superiore, ai corsi biologici e biologico-sanitari inseriti nel precedente ordinamento, sono subentrati i corsi biotecnologici ambientali e biotecnologici sanitari. Naturalmente la revisione dei corsi è stata accompagnata anche da una profonda revisione degli ambiti disciplinari. In particolare nel triennio dei corsi biotecnologici sanitari è stata introdotta una disciplina denominata “Biologia, Microbiologia e Tecnologie di controllo sanitario”, mentre nei corsi biotecnologici ambientali è stata introdotta la “Biologia, Microbiologia e Tecnologie di controllo ambientale”; entrambe le discipline prevedono la trattazione di una complessa serie di argomenti di cui, talora, risulta difficile trovare un filo conduttore. Pertanto il mio lavoro è stato attento a cercare di armonizzare tutto quanto doveva essere trattato, attraverso un itinerario che potesse essere il più organico possibile. In particolare il testo intende essere un supporto per l’insegnamento della “Biologia, Microbiologia e Tecnologie di controllo sanitario”, una disciplina che concorre a far con seguire allo studente, al termine del per corso quinquennale, i seguenti risultati di apprendimento relativi al profilo educativo, culturale e professionale: 1. riconoscere gli aspetti geografici, ecologici, territoriali dell’ambiente naturale ed antropico, le connessioni con le strutture demografiche, economiche, sociali, culturali e le trasformazioni intervenute nel corso del tempo; 2. acquisire le competenze sull’uso di strumenti tecnologici finalizzato al miglioramento della sicurezza nei luoghi di vita e di lavoro, alla tutela della persona, dell’ambiente e del territorio; 3. saper intervenire nelle diverse fasi e livelli del processo produttivo, dall’ideazione alla realizzazione del prodotto, utilizzando al meglio gli strumenti di progettazione, documentazione e controllo. OBIETTIVI DEL TESTO L’obiettivo fondamentale del testo è quello di fornire agli studenti strumenti teorico-pratici necessari a giungere alla comprensione del mondo biologico e microbiologico e delle tecniche alla base dei processi biotecnologici, ormai largamente impiegati nelle produzioni industriali ed agrarie. Alcuni contenuti presenti nel testo appaiono strettamente interconnessi a quelli di altri insegnamenti, come la Biochimica, la Biologia molecolare (ad es. bioenergetica e metabolismo microbico, genetica dei procarioti, ricombinazione del DNA), la Storia (ad es. aspetti storici connessi all’evoluzione della microbiologia), la Fisica (ad es. spettro elettromagnetico e lenti). Tutto questo per offrire una visione meno settoriale e permettere agli studenti di acquisire una conoscenza organica del mondo biologico e delle sue possibilità applicative nell’ambito dei processi produttivi attuali. REALIZZAZIONE Vista la complessa articolazione degli argomenti inseriti nell’ambito della disciplina, la realizzazione del testo ha necessariamente richiesto una lunga fase di ricerca bibliografica ed iconografica. Una significativa parte del presente testo, vale a dire la parte microbiologica, è derivata dalla revisione del precedente testo di microbiologia; di questo è stata rivista anche la parte iconografica per meglio armonizzare il rapporto tra contenuti ed immagini, cercando di rendere l’opera più accattivante possibile. Ho cercato di porre particolare attenzione alle illustrazioni inserendo, ove necessario, disegni e grafici, che potessero facilitare la comprensione dei contenuti proposti. Le immagini all’M.O. sono state ottenute in parte utilizzando l’archivio della Casa Editrice Piccin Nuova Libraria, in parte direttamente presso il Laboratorio di Microscopia dell’ISTVAS di Ancona impiegando Microscopio Leica Laborlux in campo chiaro ed in contrasto di fase con fotocamera Leica EMC3. Una parte delle immagini all’M.O. sono state ottenute impiegando microscopio Zeiss Universal in campo chiaro, contrasto di fase e contrasto interferenziale con fotocamera Canon EOS 1000. Una parte significativa delle immagini è tratta dal sito del Department of Health and Human Services Centers for Disease Control and Prevention, USA.