L'EVOLUZIONE DEGLI ESSERI VIVENTI 20/01/22 1
L'EVOLUZIONE DEGLI ESSERI VIVENTI
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L’EVOLUZIONE PRIMA DI DARWIN
ANASSIMANDRO (610-546 a.C.)La vita deriva dall’acqua e le più semplici forme viventi precedono
quelle più complesse, quindi un organismo può generare un altro organismo
ARISTOTELE (384-322 a.C.) gli esseri viventi erano disposti in una scala gerarchica, la “Scala
Naturae”, gli organi più semplici occupavano lo scalino più basso e tutti gli altri via via in posizioni intermedie. All’apice della scala stava l’uomo.
Ogni forma vivente aveva iniziato la sua esistenza con le proprie caratteristiche.
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LINNEO (1707 – 1788)In accordo con gli insegnamenti del Vecchio Testamento riteneva che tutte le
specie naturali fossero state create da Dio. A lui si deve il sistema di nomenclatura biologica
BUFFON (1707-1788)Le specie possono subire dei cambiamenti nel corso del tempo in quanto la
Natura ha creato alcune specie ed il tempo le può modificare.
Questi organismi sono prodotti a causa di un processo degenerativo
E. DARWIN (1731-1802)Le specie possono avere delle connessioni storiche tra loro, gli animali possono
cambiare quando cambia il loro ambiente e la loro progenie può ereditare tali cambiamenti.
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HUTTON (1726-1797)La terra è stata modellata da processi lenti e graduali (i venti, i climi,
le acque) che ne hanno modificato la superficie e gli ambienti.
Questa teoria fu chiamata dell’attualismo ed era importante per tre ragioni:
1. Implicava che la terra avesse una lunga storia
2. Il cambiamento segue il normale corso degli eventi
3. Dava un’alternativa all’interpretazione letterale della Bibbia
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W. SMITH (1769-1839)Studiò sistematicamente la distribuzione dei fossili e l’ordine dei
diversi strati rocciosi.
Stabilì che ogni strato conteneva fossili guida che permettevano di identificare quello strato e gli strati ad esso simili.
Giunse alla conclusione che la superficie terrestre si era formata strato dopo strato, nel corso dei tempi.
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G. CUVIER (1769-1832)Figura dominante del mondo scientifico
europeo agli inizi del 1800, fu il fondatore della paleontologia dei vertebrati.
Studiò l’anatomia degli animali ed i fossili delle specie ormai estinte.
Ipotizzò una serie di catastrofi che in tempi regolari potevano colpire la superficie della terra provocando tali estinzioni.
La natura reagiva però a questi vuoti introducendo nuove specie. Affrontava in questo modo le diversità osservate tra una specie e l’altra.
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LAMARCK (1744-1829)Considerò tutti gli organismi viventi in termini di complessità
crescente.
Ciascuna specie derivava da una precedente meno complessa e ne generava un’altra più complessa. Questa progressione era possibile riscontrarla anche nei fossili.
Secondo la sua teoria tale evoluzione era regolata da due principi fondamentali:
1. L’ereditarietà dei caratteri acquisiti
2. Un impulso inconscio che spingeva ogni essere vivente verso una maggiore complessità, verso l’alto della Scala Naturae
Lamarck
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C.LYELL (1797-1875)Lyell si opponeva alla teoria delle catastrofi cercando
prove a sostegno della tesi dell’attualismo. Ricercava tali prove nelle testimonianze fossili e negli strati rocciosi.
Secondo la sua ipotesi i lenti e costanti effetti delle forze naturali avevano prodotto continui cambiamenti nel corso della storia evolutiva della terra; questo processo era lento e doveva avere operato su tempi molto lunghi.
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C.DARWIN Nel suo viaggio intorno al
mondo Darwin gettò le basi della sua teoria dell’evoluzione
Charles Darwin nacque nel 1809 in Inghilterra; iniziò gli studi di medicina e poi di teologia, ma la sua vera passione erano le scienze naturali.
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Il viaggio con il BeagleDurante il suo viaggio durato
cinque anni (1831-1836) sul brigantino inglese Beagle, Darwin osservò le somiglianze tra organismi viventi e fossili e la diversità della vita sulle isole Galápagos.
Le isole Galapagos
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Le tartarughe
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Fringuelli dele Galapagos
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Dalla pratica alla teoria
Le osservazioni che Darwin fece durante il suo viaggio sul Beagle lo aiutarono a elaborare la sua teoria sull’evoluzione.
Egli descriveva i principi della sua teoria dell’evoluzione, parlando di discendenza con modificazioni.
Darwin si rese conto dell’unità tra le specie, secondo cui tutti i viventi sono correlati tra loro attraverso un comune progenitore di qualche specie sconosciuta, vissuto in epoca remota.
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•Alfred Wallace, un altro naturalista inglese, concepì una teoria identica a quella di Darwin, che venne presentata nel 1858, citando il precedente saggio di Darwin.
•Darwin nel 1859 pubblicò il volume Sull’origine delle specie mediante selezione naturale, che divenne un caposaldo delle scienze naturali.
•Secondo Darwin la selezione naturale è alla base dei meccanismi dell’evoluzione
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Darwin osservò che gli organismi di tutte le specie: hanno la tendenza a
produrre prole in eccesso, con un numero di individui superiore a quello che l’ambiente può sostenere;
variano in molte caratteristiche individuali che possono essere ereditate (trasmesse da una generazione a quella successiva).
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1. Darwin osservò che la sopravvivenza dipende almeno in parte dalle caratteristiche ereditate dai genitori.
2. All’interno di una popolazione diversificata, gli individui dotati di tratti ereditari che permettono di adattarsi meglio all’ambiente, hanno maggiore probabilità di sopravvivere e riprodursi.
3. In seguito alla selezione naturale le caratteristiche vantaggiose saranno rappresentate sempre più frequentemente nelle generazioni successive, mentre quelle sfavorevoli lo saranno sempre meno.
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Teoria di Darwin1. gli organismi generano solo organismi simili; 2. il numero di organismi che arrivano a riprodursi è piccolo se confrontato al numero di organismi nati; 3. in ogni popolazione ci sono delle differenze, più o meno visibili, tra i vari organismi, e alcune di esse sono ereditabili 4. alcune variazioni consentono agli individui portatori di generare più discendenti di altri. Darwin definì tali variazioni "favorevoli" e sostenne che variazioni favorevoli ereditarie in una popolazione tendono a diventare sempre più frequenti da una generazione all'altra: è questo il processo da lui denominato selezione naturale . 5. se consideriamo un periodo relativamente lungo, la selezione può portare a un accumulo di cambiamenti tale da differenziare i gruppi di organismi e favorire la formazione di una nuova specie.
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Secondo la teoria evoluzionistica di Darwin è l'ambiente che, subendo mutamenti, opera una selezione naturale graduale sulla grande variabilità che ogni carattere presenta nelle singole specie, scegliendo così le forme di volta in volta più adatte a lasciare una progenie in grado di sopravvivere più facilmente e le favorisce quindi rispetto alle altre.
La selezione artificiale
Darwin trovò prove convincenti a sostegno delle sue teorie osservando i risultati della selezione artificiale, cioè la coltivazione e l’allevamento selettivi di piante e animali.
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Individuò una stretta analogia tra la selezione artificiale e quella che agisce in natura, ma quest'ultima è notevolmente più perfetta e infinitamente più lenta.
Figura 13.3A
Incroci condotti dall’uomo per migliaia di anni (selezione artificiale)
Cane ancestrale (simile al lupo)
Figura 13.3B
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•Secondo Darwin le diverse forme di vita si sono originate, attraverso successive modificazioni, da un antenato comune.
•Il meccanismo che ha portato alla formazione delle diverse specie è stato la selezione naturale
Selezione naturale avvenuta
nel corso di milioni di anni
Canide ancestrale
Licaone Coyote Lupo Volpe Sciacallo
Figura 13.3C
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Darwin cercò di comprendere i meccanismi secondo cui si evolvevano gli organismi viventi. • La selezione naturale, che aveva osservato nei fringuelli delle isole Galapagos, gli permise di comprendere i meccanismi dell'evoluzione divergente.• Uno spunto decisivo gli venne fornito dalla teoria economica di Malthus dalla quale estrapolò il concetto di lotta per l'esistenza, applicandolo al mondo degli organismi animali e vegetali come causa della selezione naturale operata dall'ambiente.• La selezione naturale non va sempre intesa come eliminazione del meno adatto, ma piuttosto come una riproduzione differenziale con vantaggio numerico degli organismi più idonei.
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Darwin pubblicò nel 1871 Descent of Man and Selection in Relation to Sex, testo dove affrontava separatamente l'origine dell'uomo.Ritrovando numerose analogie nelle caratteristiche fisiche, mentali e sociali fra l'uomo e gli altri animali, egli sostenne per l'uomo, la validità delle stesse leggi generali che hanno portato alla diversificazione degli animali inferiori. Suggerì che l'uomo dal punto di vista genealogico discendesse dal ceppo delle catarrine, o scimmie del vecchio mondo. Poichè le differenze fra le diverse razze umane non sembrano portare vantaggi ad uno o ad un altro individuo, Darwin introdusse il concetto di Selezione sessuale. Questa selezione non avviene tramite la lotta per la sopravvivenza, bensì dalla lotta degli individui maschili per il possesso delle femmine.
Comparazione dell’angolo facciale tra le scimmie e l’uomo
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Le prove dell’evoluzioneLo studio dei fossili fornisce prove a favore dell’evoluzione
I fossili e la documentazione fossile ossia la serie ordinata di fossili che affiorano dagli strati di rocce sedimentarie, forniscono una delle prove più importanti dell’evoluzione.
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La documentazione fossile testimonia che gli esseri viventi si sono evoluti in una sequenza cronologica.Molti fossili mettono in collegamento le specie attuali con i loro antenati estinti.
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Altre prove che confermano la teoria evolutiva
La biogeografia
•La biogeografia, la distribuzione geografica delle specie, suggerì per prima a Darwin che gli organismi si evolvono da antenati comuni.
•Darwin notò che gli animali delle Galápagos assomigliavano di più alle specie continentali che agli animali di altre isole tropicali, situate in luoghi lontani (con un ambiente più simile).
•La spiegazione logica è che gli animali delle Galapagos si sono evoluti dalle specie emigrate dal Sud America
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L’anatomia comparata
•Un altro supporto alla teoria dell’evoluzione è fornito dall’anatomia comparata, la disciplina che mette a confronto le strutture corporee di specie diverse.
•Somiglianze anatomiche che accomunano le specie costituiscono un indicatore di discendenza comune.
•Gli arti anteriori di tutti i mammiferi sono costituiti dagli stessi elementi scheletrici (morfologia), la funzione di questi arti anteriori è tuttavia differente.
•Si può ipotizzare un antenato comune.
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•I biologi chiamano strutture omologhe le strutture che sono simili perché derivano da un antenato comune.
•Spesso le strutture omologhe hanno funzioni diverse. (anatomia comparata)
Specie umana Gatto Balena PipistrelloFigura 13.5A
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L’embriologia comparata
•L’embriologia comparata, lo studio delle strutture che compaiono durante lo sviluppo dei diversi organismi, fornisce ulteriori prove delle origini comuni dei viventi.
•Spesso, infatti, le specie strettamente imparentate presentano stadi simili nel loro sviluppo embrionale.
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Molti vertebrati hanno strutture omologhe nei loro embrioni.
Coda
Tasche branchiali
Embrione di pollo Embrione umanoFigura 13.5B
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La biologia molecolare
•Un supporto alla teoria dell’evoluzione è stato fornito recentemente dalla biologia molecolare, la disciplina che paragona sequenze di DNA e proteine in organismi differenti.
•Le specie che risultano strettamente correlate hanno in comune unapercentuale di DNA e di proteine maggiore rispetto alle specie non imparentate.
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La selezione naturale in azione
Il mimetismo degli insetti che si sono evoluti in ambienti molto diversi è un esempio di adattamento evolutivo e dei risultati ottenuti dalla selezione naturale
Una mantide orchidea (Malesia)
Una mantide foglia (Costa Rica)
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Chiocciole di terra – CEPAEA MEMORALIS
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Un altro esempio di evoluzione in atto è la comparsa della resistenza agli insetticidi negli insetti.
Applicazione del pesticida
Individuo resistente
Gene che conferisce resistenza al pesticida
Le successive somministrazioni dello stesso pesticida saranno sempre meno efficaci e il numero di individui resistenti nella popolazione di insetti aumenterà progressivamente
LE POPOLAZIONI BIOLOGICHE Una popolazione biologica è un gruppo di individui della stessa
specie che vive nello stesso luogo (areale) e si riproduce.
Per studiare la sua evoluzione si possono esaminare le variazioni dei caratteri ereditari nel corso delle generazioni.
Già Darwin osservò che la selezione naturale, favorendo alcuni caratteri rispetto ad altri,modifica le popolazioni nel corso delle generazioni.
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Genetica di popolazioni La genetica di popolazioni nasce nel 1920 dopo gli studi di
Mendel e di Morgan. 1940 si sviluppa la teoria sintetica che considera le popolazioni
come unità dell’evoluzione e unisce la genetica alla selezione naturale.
Una specie biologica è definita come un gruppo di individui in grado di incrociarsi tra loro e produrre prole fertile. Occupa un determinato areale e le popolazioni possono concentrarsi in popolazioni locali o essere isolate.
Se gli individui sono isolati si avrà un limitato scambio di geni Se gli individui si mescolano tra di loro si avrà un maggiore
scambio di geni
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La microevoluzione Pool genico: insieme di geni di una popolazione, è costituito da
tutti gli alleli di tutti gli individui che compongono una popolazione.
Locus alleli omozigote / eterozigote La frequenza di un tipo o dell’altro in un pool genico può
cambiare col passare del tempo. Quando la frequenza relativa degli alleli di una popolazione
cambia nel corso di un certo n° di generazioni, l’evoluzione ha luogo su scala ridotta. Questo cambiamento è chiamato microevoluzione.
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L’equilibrio di Hardy-Weinberg Si considera una popolazione semplice il cui pool genico non si
sta modificando. La frequenza di ciascun allele nel pool genico rimarrà costante a
meno che su di esso agiscano altri fattori. Popolazione di 500 iguane: 320 WW assenza di membrane 160 Ww eterozigoti 20 ww presenza di membrane Si calcola la frequenza di ciascun allele nella prima e nella
seconda generazione Si giunge alla legge p2 + 2pq + q2 = 1
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Perché sia mantenuto l’equilibrio genetico devono essere rispettate alcune condizioni:
La popolazione deve essere molto vasta La popolazione deve essere isolata Non devono avvenire mutazioni L’accoppiamento deve essere casuale Tutti gli individui devono avere pari successo riproduttivo
In natura queste condizioni non si verificano contemporaneamente, l’equilibrio si spezza e le frequenze alleliche cambiano continuamente.
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Fattori che modificano l’equilibrio Mutazioni sono cambiamenti ereditari del genotipo che
avvengono sia nei geni strutturali sia nei geni di regolazione.
La velocità delle mutazioni può essere influenzata da fattori ambientali (raggi X, UV, ecc...) ma in ogni caso si possono verificare sempre.
Nell’uomo considerando come patrimonio genetico 100000 geni si verificano approssimativamente due mutazioni, bassa incidenza, ma se si considera il numero di nuove mutazioni ad ogni generazione la frequenza è elevata
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Flusso genico È il movimento degli alleli dovuto alle migrazioni
delle popolazioni. Il flusso genico può introdurre nuovi alleli e
cambiare le frequenze alleliche portando a diminuire le differenze tra le popolazioni mentre la selezione naturale tende ad aumentare le differenze.
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Deriva genetica È un cambiamento del pool genico che ha luogo
per caso Effetto del fondatore Fenomeno detto “collo di bottiglia”
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Accoppiamenti non casuali L’autoimpollinazione delle piante Il polimorfismo: in cui due o più forme
fenotipicamente distinte coesistono in una popolazione
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Incremento della variabilità Nuove combinazioni genetiche si ottengono
mediante Riproduzione sessuata Mediante assortimento indipendente al momento
della meiosi Mediante crossing-over e ricombinazione
genetica Mediante differenti genomi parentali
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Meccanismi che favoriscono gli esincroci Nelle popolazioni che si riproducono
sessualmente si sono evoluti molti meccanismi che tendono a favorire nuove combinazioni genetiche: fiori maschili e fiori femminili presenti su piante diverse, invertebrati ermafroditi, esincrocio, cioè accoppiamento tra individui non imparentati
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Diploidia In un organismo diploide le variazioni
genetiche possono conservarsi solo allo stato recessivo
In un organismo aploide sono immediatamente espresse nel fenotipo
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Superiorità dell’eterozigote Gli alleli recessivi, anche quelli dannosi allo
stato omozigote, possono essere selezionati positivamente. Gli eterozigoti hanno maggior successo riproduttivo, come nel caso dell’anemia falciforme.
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