I temi della biologia e le caratteristiche della vita

Il primo tema è l'interazione dei sistemi biologici: un organismo è fatto di moltissimi sistemi, come cellule, organi, apparati e microrganismi, e non può sopravvivere da solo perché dipende da altri sistemi. Il secondo è il legame tra struttura e funzione: i neuroni trasmettono informazioni e i globuli rossi trasportano ossigeno, e hanno forme molto diverse. Lo mostrano anche i denti dei carnivori, adatti a tagliare la preda e strappare la carne, e quelli degli erbivori, adatti a tagliare e macinare i vegetali. Il terzo è il trasferimento di informazioni: ogni organismo deve riceverne dall'ambiente, e la sopravvivenza di cellule e organismi dipende da una trasmissione ordinata; anche l'evoluzione dipende dal passaggio di informazioni genetiche tra generazioni. Il quarto è il trasferimento di energia: ogni attività vivente la richiede, e l'energia arriva dal sole, attraversa organismi ed ecosistemi e passa da un composto chimico all'altro nelle cellule. Il quinto è l'evoluzione, cioè il cambiamento delle popolazioni nel tempo: molte prove mostrano che le forme di vita sono correlate e derivano da forme precedenti. È il quadro di riferimento della biologia e il tema principale del libro.

Gli esseri viventi, pur diversi, condividono organizzazione, crescita e sviluppo, metabolismo che si autoregola, risposta agli stimoli, riproduzione e adattamento. Tutti sono fatti di cellule, e nuove cellule nascono solo dalla divisione di cellule preesistenti: lo afferma la teoria cellulare. Alcuni organismi, come i protozoi, hanno una sola cellula; altri, come il gatto o l'acero, ne hanno miliardi, coordinate in tessuti, organi e apparati. Ogni cellula ha una membrana plasmatica che la separa dall'ambiente e regola gli scambi, contiene l'informazione genetica, di solito nel DNA, e ha organelli specializzati. Le cellule procariotiche sono proprie di batteri e archeobatteri; tutti gli altri organismi hanno cellule eucariotiche, con organelli delimitati da membrana, tra cui il nucleo che contiene il DNA. La crescita è un aumento della dimensione delle cellule, del loro numero o di entrambi, uniforme o diverso nelle varie parti. La maggior parte degli alberi cresce per tutta la vita, mentre molti animali hanno un periodo di crescita definito. Ogni parte continua a funzionare mentre cresce. Lo sviluppo comprende tutti i cambiamenti della vita di un organismo, per esempio a partire dall'uovo fecondato, e produce forme adatte alle funzioni da svolgere.

Negli organismi avvengono reazioni chimiche e trasformazioni di energia necessarie per nutrirsi, crescere, riparare le cellule e ottenere energia utilizzabile: l'insieme di queste attività è il metabolismo. Le reazioni devono essere regolate per mantenere l'omeostasi, cioè l'equilibrio interno: se una sostanza è sufficiente la sua produzione cala o si ferma, se serve i processi si attivano. Un esempio è la glicemia negli animali superiori. Le cellule usano il glucosio per ottenere energia e il sistema circolatorio lo porta a tutte. Quando la concentrazione di glucosio nel sangue supera i livelli normali, viene immagazzinato in fegato e muscoli; quando scende tra un pasto e l'altro, le riserve tornano a glucosio e i valori si normalizzano. Quando il glucosio è consumato, i centri superiori avvisano che è ora di mangiare e il cibo viene trasformato in glucosio.

Gli organismi rispondono agli stimoli, cioè a cambiamenti fisici o chimici dell'ambiente interno o esterno, come luce, temperatura, pressione, suono o composizione chimica di terreno, aria e acqua. La risposta produce movimento, non sempre locomozione. Alcuni unicellulari si ritraggono da una luce intensa e si muovono con scivolamento ameboide, ciglia o flagelli. La maggior parte degli animali si muove contraendo i muscoli. Spugne, coralli e ostriche da adulti sono sessili: fissi a una superficie, muovono però ciglia o flagelli per avvicinare cibo e ossigeno. Negli animali complessi alcune cellule, come quelle della retina, rispondono a stimoli specifici. Le piante rispondono a luce, gravità, acqua e tatto: orientano le foglie verso il sole e crescono verso la luce. La Venere acchiappamosche chiude le foglie quando un insetto tocca i peli, lo intrappola e lo digerisce con enzimi, ricavando azoto, scarso nei suoi terreni. Grazie al lavoro di alcuni scienziati, inclusi Francesco Redi nel XVII secolo e Louis Pasteur nel XIX, si sa che ogni vivente deriva da viventi preesistenti. L'ameba si riproduce in modo asessuato, dividendosi dopo aver copiato i geni; le due nuove amebe sono identiche alla madre, salvo per le dimensioni, e le mutazioni creano variazioni. Nella maggior parte di piante e animali la riproduzione è sessuata: uova e cellule spermatiche formano un uovo fecondato, e la prole riceve geni da entrambi i genitori. Questa variabilità genetica è alla base di evoluzione e adattamento.

Evolversi e adattarsi permette a una popolazione di sopravvivere in un mondo che cambia. Gli adattamenti sono caratteri ereditari che migliorano la sopravvivenza in un certo ambiente: la lingua lunga della rana per catturare insetti, piumaggio e ossa leggere degli uccelli per volare, la folta pelliccia dell'orso polare contro il freddo intenso. Possono essere strutturali, fisiologici, comportamentali o una combinazione. Ogni organismo di successo è un insieme complesso di adattamenti coordinati prodotti dall'evoluzione.