Risposte degli organismi animali alla variabilità ambientale

Risposte degli organismi alla variabilità ambientale

Gli organismi animali rispondono ai cambiamenti ambientali con una molteplicità di risposte, utilizzando meccanismi che operano a diversi livelli di organizzazione biologica, da quello biochimico e molecolare a quello fisiologico e comportamentale. Queste risposte possono manifestarsi su scale temporali differenti: da una scala temporale di minuti o ore (risposte omeostatiche), a scale temporali di giorni o mesi (acclimatizzazione). A livello di popolazione le risposte si manifestano su scale temporali evolutive (adattamento).

Scala temporale delle risposte

Scala temporale Adattamento Scala temporale evolutiva) Modificazioni fenotipiche scala temporale: giorni, settimane, mesi) Risposte omeostatiche ( scala temporale: minuti, ore)Risposte degli organismi alla variabilità ambientale Gli organismi animali rispondono ai cambiamenti ambientali con una molteplicità di risposte, utilizzando meccanismi che operano a diversi livelli di organizzazione biologica, da quello biochimico e molecolare a quello fisiologico e comportamentale. Queste risposte possono manifestarsi su scale temporali differenti: da una scala temporale di minuti o ore, a scale temporali di giorni o mesi. A livello di popolazione le risposte si manifestano su scale temporali evolutive.

Omeostasi

Scala temporale Adattamento Scala temporale evolutiva) Modificazioni fenotipiche (scala temporale: giorni, settimane, mesi) Risposte omeostatiche ( scala temporale: minuti, ore)Omeostasi L'omeostasi è la capacità di un organismo di mantenere condizioni costanti del proprio ambiente interno rispetto alle variazioni dell'ambiente esterno. L'omeostasi richiede una spesa energetica all'organismo Grazie ai processi omeostatici eventuali variazioni delle condizioni interne vengono prontamente rilevate e vengono prontamente attuate opportune azioni compensatorie. Tutto questo si attua attraverso meccanismi a "retroazione negativa".

Proprietà dei processi omeostatici

Indipendentemente dal particolare meccanismo di regolazione, ogni forma di omeostasi presenta le proprietà di un sistema a retroazione negativa (o feedback negativo) retroazione (o feedback) negativa: quando influenze esterne fanno variare lo stato normale o desiderato di un sistema, i meccanismi interni di risposta agiscono in modo da ripristinare lo stato normale

Schema a blocchi di un sistema a retroazione negativa

Stimolo (input al sistema) Sensore (es. recettore sensoriale) Sistema di controllo (es. cervello) Sistema effettore (es. muscolo, ghiandola, epitelio) Risposta (output del sistema) retroazione La risposta allo stimolo iniziale, attraverso l'azione del sistema di controllo e del sistema effettore, porta ad un cambiamento nello stato interno del sistema. Tale cambiamento agisce a monte sul sistema tendendo ad annullare l'effetto dello stimolo iniziale (feed-back negativo)retroazione (o feedback) negativa: Stimolo (input al sistema) Sensore (es. recettore sensoriale) Sistema di controllo (es. cervello) Sistema effettore (es. muscolo, ghiandola, epitelio) Risposta (output del sistema) retroazione

Elementi essenziali di un sistema di retroazione negativa

Gli elementi essenziali di un sistema di retroazione negativa sono:

1. un meccanismo di rilevazione dello stato interno dell'organismo (recettore sensoriale)
2. un sistema di controllo che confronti lo stato interno effettivo con lo stato desiderato (localizzato a livello del sistema nervoso centrale)
3. Uno o più organi effettori che consentano di variare lo stato interno del sistema nel verso dello stato desiderato

Esempi di omeostasi

omeostasi osmotica (riguardante la concentrazione dell'acqua e quella totale dei soluti) omeostasi ionica (riguardante la concentrazione e i rapporti di concentrazione dei singoli ioni) omeostasi dei costituenti organici e dell'energia (riguardante le concentrazioni di proteine, lipidi, carboidrati oltre che l'energia ricavata da essi) omeostasi della concentrazione di ossigeno Il consumo di ossigeno è regolato nei vertebrati e in molti gruppi di invertebrati omeostasi termica (riguardante la temperatura corporea)

Conformismo e regolazione

Un organismo che non manifesta omeostasi nei confronti di una data variabile fisico-chimica del suo ambiente interno (es temperatura, osmolarità, ecc) è detto conformista, in quanto conforma il proprio ambiente interno al variare dell'ambiente esterno (conformismo) Un organismo che manifesta omeostasi nei confronti di una data variabile fisico-chimica del suo ambiente interno (es temperatura, osmolarità, ecc) è detto regolatore, in quanto mantiene costante quella determinata variabile fisico- chimica nel proprio ambiente interno nonostante le variazioni della stessa variabile nell'ambiente esterno (regolazione)

Conformismo e regolazione: ambiente interno ed esterno

Ambiente interno regolatore conformista Ambiente esterno Andamento di una variabile nell'ambiente corporeo di un animale regolatore e di un animale conformista al modificarsi della stessa variabile nell'ambiente esterno. Nell'organismo regolatore la variabile nell'ambente interno rimane costante, nell'organismo conformista varia al variare della stessa variabile nell'ambiente esterno

Conformismo: processi biochimici e fisiologici

Conformismo: conformismo implica che i processi biochimici e fisiologici dell'organismo siano sottoposti alle fluttuazioni delle variabili ambientali, es. temperatura, salinità o concentrazione di ossigeno. Le cellule dell'organismo conformista possiedono sistemi biochimici in grado di consentire la sopravvivenza dell'organismo anche al variare delle condizioni ambientali, ad esempio meccanismi tali da evitare gli effetti dannosi potenzialmente irreversibili del congelamento o dell'ipossia o della perdita osmotica di acqua. In tali condizioni l'organismo sopravvive, ma non si trova all'optimum del suo stato fisiologico

Conformismo: vantaggi e svantaggi

Conformismo: Il conformismo per una data variabile dell'ambiente interno ha da un lato il vantaggio della economicità, in quanto solo minime variazioni fisiologiche vengono apportate al variare delle condizioni esterne, tali da consentire la sopravvivenza dell'organismo. Dall'altro lato ha lo svantaggio di esporre l'organismo a periodi di ridotta attività metabolica e/o ridotta attività di crescita a seconda del variare dei fattori ambientali.

Regolazione: indipendenza e spesa energetica

Regolazione: La regolazione (omeostasi) assicura una certa indipendenza all'organismo nei confronti del variare delle condizioni ambientali esterne, ma richiede una maggiore spesa energetica, in quanto l'organismo deve mantenere la differenza tra le condizioni dell'ambiente interno (per la variabile regolata) e quelle dell'ambiente esterno. Gli organismi, infatti, utilizzano i meccanismi propri dell'omeostasi per mantenere costanti le caratteristiche fisico-chimiche del proprio ambiente interno, distinte da quelle esterne.

Vantaggi dell'omeostasi

"La fissità dell'ambiente interno è la condizione della vita libera ed indipendente" (C. Bernard) C Ad esempio l'omeotermia (omestasi termica) nei mammiferi e negli uccelli assicura che i processi biochimici all'interno delle cellule possano svolgersi in condizioni di temperatura costante, nonostante il variare della temperatura ambientale. Mammiferi e uccelli sono attivi entro un ampio range di temperature esterne

Vari tipi di omeostasi

Tutti gli organismi presentano omeostasi in una certa misura rispetto ad alcune condizioni ambientali. Non esistono conformisti ideali e regolatori ideali. In generale aumentando la complessità del vivente aumenta il numero di tipi di omeostasi presenti.

• La più estesa tra i viventi e la più rigorosa in termini di regolazione è l'omeostasi ionica.
• L'omeostasi osmotica non è sempre presente (ad esempio ne sono privi gli invertebrati marini),
• l'omeostasi termica si verifica solo negli uccelli e nei mammiferi
• Diffusa tra i viventi a tutti i livelli della scala zoologica è l'omeostasi dei costituenti organici e dell'energia
• la concentrazione di ossigeno è regolata nei vertebrati e in molti gruppi di invertebrati

Costi-benefici dell'omeostasi

Perché non tutti gli organismi regolano tutte le variabili fisico-chimiche del loro ambiente interno? L'omeostasi richiede una spesa energetica all'organismo. La presenza di determinate risposte omeostatiche scaturisce da un bilancio costi-benefici. Il conformismo per un determinato parametro fisico- chimico può esser la soluzione evolutiva energeticamente più conveniente dal punto di vista evolutivo quando l'omeostasi costa più di quanto un organismo possa permettersi in relazione al suo stile di vita.

Conformismo negli organismi più piccoli

Il conformismo si manifesta con maggiore frequenza tra gli organismi più piccoli e a corpo molle

1. Tali organismi, infatti, presentano un elevato rapporto superficie-volume, questo implica: flussi dissipativi di materia ed energia relativamente rapidi attraverso le superfici dell'organismo esposte all'ambiente esterno (ad esempio di acqua, ioni, energia termica o gas respiratori) In queste condizioni, il lavoro da compiere per contrastare i flussi dissipativi e tornare allo status quo (quindi per effettuare omoestasi) sarebbe energeticamente molto dispendioso
2. Sono dotati di una scarsa protezione contro l'aumento o la diminuzione di volume e sono privi di complessi strati esterni che forniscano un certo grado di isolamento o impermeabilità

Approfondimento sul Rapporto superficie/volume

VOLUME = 1 AREA TOTALE =6 AREA T. / VOLUME = 6/1= 6 VOLUME = 27 AREA TOTALE = 54 AREA T. / VOLUME = 54/27 =2 VOLUME = 8 AREA TOTALE =24 AREA T. / VOLUME = 24/8 = 3 In un solido la superficie aumenta in ragione del quadrato delle sue dimensioni lineari, il suo volume in ragione del cubo delle sue dimensioni lineari. Pertanto, all'aumentare del volume di un solido il rapporto superficie/volume diminuisce

Rapporto superficie/volume negli animali

Se consideriamo animali di dimensioni diverse, l'area della superficie corporea di un animale varia con il quadrato delle sue dimensioni lineari Superficie (m2) Il volume di un animale varia con il cubo delle sue dimensioni lineari Volume (m3) Il rapporto superficie/volume è maggiore per piccoli animali rispetto ad animali di dimensioni maggiori Queso implica che in animali di piccole dimensioni la velocità di scambio di materia ed energia tra organismo e ambiente è maggiore rispetto ad animali di dimensioni maggiori.