Genetica: gli esperimenti di Mendel e la prima legge della genetica

Il monaco agostiniano Gregor Mendel fu il primo a studiare, applicando il metodo scientifico, il fenomeno della trasmissione dei caratteri ai discendenti cioè l’ereditarietà dei caratteri. 

Gli studi condotti da Mendel nell’arco di otto anni permisero di formulare le leggi che stanno alla base dell’ereditarietà dei caratteri.

Medel è considerato il padre della scienza che studia l’ereditarietà dei caratteri cioè la GENETICA.

Nel piccolo giardino dell'abbazia agostiniana di San Tommaso della di Brünn, nella Moravia meridionale (Repubblica Ceca).

Giardino dell'abbazia di San Tommaso

Mendel compi i suoi studi sperimentali sulla ereditarietà dei caratteri studiando la pianta del Pisum sativum.

Pianta di pisello (Pisum Sativum) 

Mendel pubblicò i risultati dei suoi esperimeti in un lavoro diretta alla Società di storia naturale di Brünn dal titolo: “Esperimenti sull’ibridazione delle piante”. 

Frontespizio di
“Esperimenti sull’ibridazione delle piante”

Gli studi di Mendel rimasero pressoché sconosciuti al mondo scientifico e solo 16 anni dopo la sua morte la sua pubblicazione fu riscoperta e si capì l’IMMENSO VALORE dei suoi risultati

Perché Mendel scelse la pianta del pisello?

• Pianta di facile coltivazione.
• Pianta di rapido sviluppo e in breve tempo si ottengono più generazioni.
• Pianta con molte varietà con caratteri diversi.
• Ciascun carattere presenta varianti ben distinguibili l'una dall'altra.
• Particolarità del fiore 

Il fiore porta entrambi gli organi sessuali cioè è ERMAFRODITA .

L’antera del pistillo, cioè la parte maschile,  produce il polline e lo stigma, cioè la parte femminile riceve il polline.

Fiore di pisello con la camera petalica aperta
si osservano lo stigma e i pistilli

La disposizione dei petali (camera petalica) permette l'AUTOFECONDAZIONE e impedisce l'impollinazione incrociata tra piante diverse.

Mendel studiò l’erediarietà di sette caratteri. Ciascun carattere presenta due varianti antagoniste.

Di seguito i sette caratteri studiati da Mendel e per ciascun carattere sono indicate le due varianti antagoniste.

Mendel lavorò su piante di pisello che fecondava artificialmente: con un pennellino trasportava il polline del fiore di una pianta su quello di un’altra dopo aver eliminato in questo le antere.

Mendel studiò prima come si trasmetteva un solo carattere alla discendenza, per esempio il colore del fiore nelle varianti antagoniste viola e bianco.

Per prima cosa Mendel selezionò piante di RAZZA PURA per alcuni caratteri.

Ad esempio:

Isolò piante, dal fiore viola che davano sempre, autoimpollinandosi, piante con fiore viola, e piante dal fiore bianco che autoimpollinandosi davano sempre piante con fiore bianco.

Mendel, una volta che si fu assicurato di aver piante pure per un determinato carattere iniziò la fecondazione incrociata: ad esempio, prelevò del polline da una varietà dal fiore bianco e lo andò a depositare sul pistillo di una varietà dal fiore viola, questi individui costituiscono quella che si chiama generazione parentale (si indica col simbolo P)

Mendel, aspettò che i frutti maturassero, prelevò i semi, li seminò e aspetto che le nuove piante, che vengono chiamate prima generazione filiale (si indicano col simbolo F1), nascessero e fiorissero, osservò che la prima generazione filiale, era costituiti da piante che avevano tutte i fiori viola, e nessuna pianta aveva fiori bianchi.
In generale considerando un certo carattere, le piante somigliavano sempre ad uno solo dei genitori. 

Da questa prima parte della sperimentazione deriva la PRIMA LEGGE DI MENDEL:

Incrociando due individui appartenenti a linee pure, che differiscono per un solo carattere, si ottengono individui in cui compare solo un carattere che viene detto DOMINANTE.

Per capire che fine avesse fatto il carattere antagonista scomparso, seguendo sempre il nostro esempio, il colore bianco del fiore, Mendel fece AUTOIMPOLLINARE le piante della F1

Mendel osservò che negli individui della seconda generazione filiale (F2)

• Il 75% mostravano il carattere VIOLA della F1
• Il 25% mostravano il carattere BIANCO della generazione P che si era perso nella generazione F1

Il carattere che compare al 25% nella seconda generazione filiale viene detto RECESSIVO.

La ricomparsa delle piante con fiore bianco in questa generazione dimostrava che le piante della prima generazione filiale, pur senza mostrarlo,  conservavano questo carattere.

Per i sette caratteri studiati da Mendel di seguito sono indicate le varianti dominante e quella recessiva.

Laboratorio 3: Pila Daniell

In un becker si prepara una soluzione di solfato di zinco, la soluzione è incolore e in un altro becher una soluzione di solfato rameico, la soluzione è colorata in azzurro.

 

Nella soluzione di solfato rameico si immerge una lastrina di rame mentre nella soluzione di solfato di zinco viene immersa una lastrina di zinco. Si sono realizzate quelle che si chiamano semicelle o elettrodi.

Si collega ciascuna lastrina metallica con un filo elettrico. 

Si collega ciascun filo elettrico con i puntali di un voltmetro. Sul display del voltmetro compare 0.00 V perché il dispositivo realizzato non è ancora in grado di erogare energia elettrica,

bisogna realizzare quello che si chiama il PONTE SALINO.

Si deve preparare una soluzione di cloruro di sodio (soluzione elettrolitica), poi si taglia una striscia di carta da filtro e la si immerge nella soluzione elettrolitica che si è  preparata.

Si estrae la strisciolina di carta imbevuta e le due estremità vengono immerse nelle due soluzioni contenute nei due becker a mo' di ponte, una estremità nella soluzione azzurra e l'altra invece nella soluzione incolore,   si è così realizzato il ponte salino che mette in collegamento le due semicelle.

Sul display del volmetro compare il valore della forza elettromotrice generata dalla pila. 

Nella pila la reazione chimica tra il solfato rameico e lo zinco viene realizzata senza che i due reagenti vengano a contatto, si dice che la reazione è eseguita a distanza e solo in questo modo si può produrre energia elettrica!

Se mettiamo a contatto il solfato rameico e lo zinco si ha la reazione chimica non a distanza e quindi non si può produrre energia elettrica

La lastrina di zinco diventa da argentea a nera perché su di essa si forma un deposito di rame che viene prodotto dalla reazione chimica. 

Elementi chimici

Storia dell'Atomo: dall'antichità ad oggi

La storia dell’atomo ebbe inizio molti ma molti secoli fa.

Nel 400 a.C. il filosofo greco Democrito utilizzò la parola atomo, che significa indivisibile, per indicare la più piccola particella che costituisce la materia e formulò la cosiddetta teoria atomistica; ma questa teoria, al tempo non suffragata certo da prove sperimentali, rimase ai margini del pensiero scientifico-filosofico dominato dalla visione di Aristotele (384-322 a.C.) secondo il quale i principi elementari (terra, acqua, fuoco, aria) erano gli elementi all’orgine di tutto ciò che ci circonda.

La teoria di Aristotele dei 4 elementi portò alla nascita nel medioevo di una dottrina che fu chiamata ALCHIMIA che ebbe molti seguaci fino al XVI secolo.

Lo scopo degli alchimisti era di scoprire una ipotetica sostanza chiamata “pietra filosofale” (in grado di trasformare i metalli in oro) e di un favoloso elisir di lunga vita che donasse l'immortalità.

Nel ‘600 l’introduzione del metodo sperimentale di Galileo cambiò il modo di osservare la natura.

All’inizio dell’800 l’inglese John Dalton (1766-1844) riprendendo il lavoro di altri studiosi a partire proprio da Democrito formulò la teoria atomica delle materia.

Questa teoria venne elaborata facendo riferimento agli esperimenti effettuati nel ‘700 da Antoine Lavoisier e Joseph Louis Proust i quali avevano, rispettivamente, dimostrato che in una trasformazione chimica la massa di ciò che reagisce è sempre uguale alla massa di ciò che viene prodotto (legge di conservazione della massa) e che gli elementi naturali si combinano secondo rapporti precisi fra numeri interi (legge delle proporzioni definite).

Dalton concluse che:

· La materia è formata da atomi.

· Gli atomi non vengono né creati né distrutti.

· Gli atomi sono indivisibili.

· Ogni elemento chimica ha un suo atomo e gli atomi di un elemento sono tutti uguali tra di loro (hanno tutti la stessa massa).

· Gli atomi sono di forma sferica.

· Atomi di elementi diversi hanno dimensioni diverse.

· L’atomo di un elemento non si può trasformare nell’atomo di un altro elemento.

· Atomi di elemeti diversi si uniscono tra di loro secondo precisi rapporti per dare le molecole dei composti.

Ecco...era nata la chimica!!!

Per tutto l’800 si ebbe un enorme sviluppo di questa disciplina e alla fine di questo secolo venne scoperta la radioattività che mise in crisi la teoria dell'atomo indivisibile.

Infatti alla fine dell’800 vari studiosi (tra cui Marie Curie!) scoprirono che alcune sostanze chimiche si trasformano “naturalmente” in altre per arrivare ad una condizione di maggiore stabilità emettendo raggi X e particelle cariche.

Usando un’antica versione del tubo catodico presente nelle televisioni che abbiamo avuto a casa fino a poco tempo fa (!), Joseph Jhon Thompson (1856-1940) scoprì l’elettrone.

Egli intuì che le particelle di cui vedeva traccia nel suo “rudimentale” tubo catodico e che vennero chiamati raggi catodici, in realtà erano particelle subatomiche cariche negativamente. 
Thompson immaginò allora un atomo simile ad un panettone (plum pudding model) con all’interno una materia “fluida” carica positivamente in cui erano immersi, come l’uvetta di un panettone, le cariche negative costituite dagli elettroni. 
Ma arrivò ben presto il risultato di un esperimento fondamentale nella storia dell’atomo che rivoluzionò questa visione. 
Nel 1911 Ernest Rutherford (1871-1937) bombardò una sottile lamina d’oro con delle particelle o raggi alfa (che non sono altro che nuclei di atomi di elio).

La lamina d’oro era situata tra la sorgente di particelle alfa e uno schermo sul quale Rutherford poteva vedere la traccia lasciata dalla particella alfa che aveva attraversato la lamina d’oro.

Lo scienziato vide che i raggi alfa non venivano quasi mai deviati, solo pochissimi erano deviati considerevolmente dal foglio d’oro e, incredibile, alcuni venivano completamente respinti! Rutherford aveva ideato questo esperimento per confermare il modello di Thompson e invece si trovò di fronte ad un risultato sconcertante che lo portò a formulare un nuovo modello di atomo: tutta la massa dell’atomo doveva essere concentrata in una porzione molto piccola dello spazio occupato dall’atomo intero.

Questa parte fu chiamata nucleo e Rutherford capì dai risultati del suo esperimento che il nucleo era carico positivamente (infatti respingeva le particelle alfa anch’esse cariche positivamente).

Gli elettroni non sembravano invece immersi nello spazio restante ma si concentravano in zone intorno al nucleo.

Così nacque il modello planetario dell’atomo in cui gli elettroni si muovono intorno al nucleo così come i pianeti lo fanno intorno al sole.

Il dispositivo ideato da Rutherford

Nel 1913 sulla base di risultati sperimentali non spiegabili con il modello di Rutherford, NIELS BOHR propone una nuova struttura per l’atomo tale modello è detto ATOMO DI BOHR. 

Secondo tale modello l’elettrone ruota attorno al nucleo solo seguendo ben determinate orbite circolari dette Stati Stazionari.

Nel 1916 sulla base di nuove osservazioni sperimentali ARNOLD SOMMERFELD rivede e migliora il modello di Bohr e propone un nuovo modello atomico detto ATOMO DI BOHR-SOMMERFELD. 

Secondo tale modello le orbite possono avere forma sia circolare sia ellittica

A questo punto la storia dell’atomo diventa veramente difficile nel 1925 viene formulata una nuova teoria detta TEORIA QUANTISTICA. 

Con la teoria quantistica si propone un nuovo modello atomico detto ATOMO QUANTISTICO, a tuttoggi tale modello è acettato. La teoria quantistica è molto difficile ma estremamente affascinante...quindi vi invito quando sarete un pò più grandi e “sapienti” a leggere la storia di quello che hanno capito immensi scienziati come Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Karl Heisenberg, Paul Dirac e molti altri...rivoluzionando per sempre la fisica e la chimica.
Certamente in futuro sarà proposto un nuovo modello atomico se si osserveranno fenomeni che non possono essere spiegati con il modello atomico oggi accettato.

I MODELLI ATOMICI
·      1904 ATOMO A PANETTONE di Thompson
·      1911 ATOMO PLANETARIO di Rutherford
·      1913 ATOMO DI BOHR per l’atomo d’idrogeno
·      1916 ATOMO DI BOHR-SOMMERFELD
·      1925 ad OGGI ATOMO QUANTISTICO
·      FUTURO ?