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LA TEORIA DELL’EVOLUZIONE

Il termine evoluzione indica il cambiamento nel tempo del patrimonio genetico dei membri di una popolazione; quando tali cambiamenti si attuano in tempi brevi si parla di microevoluzione, quando invece si richiedono tempi più lunghi si parla di macroevoluzione. Il processo evolutivo è documentato dai reperti fossili.
Un tempo ritenevano il mondo perfetto (CREAZIONISMO); il naturalista Carlo Linneo collocò le specie animali, vegetali e minerali in un sistema gerarchico diviso in regni, classi, ordini, generi e specie, secondo Linneo ogni specie rimaneva immutata nel tempo.
Nel settecento furono rinvenuti molti fossili e si osservò che questi reperti si trovavano all’interno di rocce stratificate e precisamente più primitivo negli strati profondi e più complesso negli strati superficiali e ciò evidenziava una complessità crescente nel tempo (SOVRAPPOSIZIONE); secondo Buffon si partiva da un modello e si andava degradando; Cuvier sosteneva la teoria delle catastrofi, cioè che improvvise catastrofi avrebbero causato dei viventi di quella regione; Hutton diceva che la terra era soggetta a lenti e continui cambiamenti.
Secondo Lamarck la complessità dei fossili era dovuta all’interazione delle specie viventi con gli ambienti e con le modificazioni della dieta, ben noto è l’esempio delle giraffe, le quali avrebbero sviluppato un lungo collo a causa del continuo uso dell’organo.
Fu Darwin che grazie ai suoi viaggi studiò le specie di fringuelli e capì che tutte le specie discendevano da una in comune con un’unica variazione quella del becco, grazie a ciò capì che le specie si evolvono nel tempo da forme semplici a forme composte.
La selezione artificiale attuata dall’uomo serve a far andare avanti solo le doti favorevoli per un determinato scopo.
Secondo Darwin nella lotta per la sopravvivenza non vincevano non gli individui più forti ma quelli più idonei a quel luogo e in quel momento e gli agenti principali dell’evoluzione sono una sopravvivenza differenziale e una diversa capacità riproduttiva.
L’adattamento è un fenomeno che consiste nella messa a punto di caratteristiche idonee alla sopravvivenza in un ambiente, sia esso fisico (habitat) o d’insieme (cibo,partner).
Il ritrovamento di archeopterix che consiste in un anello di congiunzione tra rettili e fossili si è estinto perchè non si è rivelato il migliore per affrontare l’ambiente intermedio ma non sempre l’evoluzione attua dei cambiamenti nuovi ad esempio alcuni pinguini sembrano retrocedere invece di avanzare.
Il fenomeno della convergenza dice che alcuni animali che derivano da linee evolutive diverse e indipendenti sembrano convergere verso soluzioni tra loro molti simili.
I principi della teoria evolutiva di Darwin sono:
1.Tra gli individui di una stessa specie esistono delle differenze;
2.Queste differenze sono correlate al successo riproduttivo dell’individuo e sul suo tasso di riproduzione e al numero medio della progenie;
3.Queste differenze sono inevitabili per poter esser trasmesse ai figli;
4.La lotta per l’esistenza rappresenta un dispositivo che fa intravedere quale individuo lascerà più discendenti;
Se l’ambiente cambia la selezione opra in favore di caratteri diversi e la popolazione originaria si modifica, ne deriva che i viventi attuali derivano da antenati comuni.
Le prove dell’evoluzione sono:
1.I fossili da i più semplici ai più complessi;
2.La distribuzione geografica dei viventi dimostra che luoghi ambientali simili sono spesso popolati da organismi differenti;
3.Gli studi di anatomia comparata evidenziano come i caratteri vestigiali (strutture che si conservano anche se gli organismi non ne fanno più uso) e i caratteri omologhi (strutture anatomiche uguali in organi che svolgono funzioni diverse) hanno una stessa struttura ma si differenziano nell’uso, mentre i caratteri analoghi (strutture diverse ma con uguale funzione) evidenziano linee evolutive diverse.
4.Gli studi di embriologia comparata mostrano notevoli somiglianze tra embrioni di organismi affini tanto che l’ontogenesi riassume la filogenesi e molti embrioni partono da una stessa forma per differenziarsi con il passare del tempo;
5.Le prove di biologia molecolare comuni sono:
1.Unità strutturale: la cellula costituisce la base comune della struttura di tutti i viventi;
2.Unità funzionale: tutte le cellule presentano schemi generali di attività tra loro molto simili;
3.Unità molecolare: le funzioni biologiche fondamentali sono svolte nei diversi organismi da proteine di origine comune, gli studi di tali proteine hanno permesso di determinare le distanze evolutive tra le specie;
4.Utilizzo di strutture vecchie per creare strutture nuove: i dati emersi hanno evidenziato che molti organismi hanno proteine comuni e molte proteine nuove; la duplicazione ripetuta dei geni è un meccanismo molecolare di grande interesse evolutivo poiché ha portato alla formazione di famiglie di geni.
Attualmente possiamo osservare una microevoluzione in corso quella della Biston betularia, inizialmente nella popolazione di falene esistevano individui più scuri e individui più chiari ma si osservò che molti individui chiari erano più facilmente prede di uccelli perciò risulta estinta la specie chiara mentre quella scura continua a vivere.
La selezione artificiale fa evolvere le popolazioni con estrema velocità ricorrendo a incroci obbligati (incroci ibridi).
Quando l’uomo fu costretto a cospargere di DDT campagne e paludi si accorse che alcune zanzare sopravvivevano all’antibiotico e trasmettevano questa caratteristica alla prole tramite i plasmidi.
Il sistema di riparazione SOS, costituito da SOS polimerasi è un intervento di fortuna che ha lo scopo di colmare le brecce comparse nel DNA le lesioni si trasformano così in mutazioni e perciò un batterio può diventare resistente ad un antibiotico.
L’ampliamento della teoria darwiniana in seguito agli studi di genetica e di altri rami di biologia ha portato alla formulazione della teoria sintetica dell’evoluzione la quale aggiunse alla teoria di Darwin delle novità:
1.Le entità ereditabili sono i geni;
2.I geni mutano e tali mutazioni sono casuali e durature;
3.L’ambiente non causa nessuna variazione ma una selezione;
4.Ogni specie va considerata come un gruppo isolato riproduttivamente.


I MECCANISMI DELL’EVOLUZIONE

GENI-pezzi di DNA.
FENOTIPO-non si trasmette alla prole.
GENOTIPO-si trasmette alla prole.
GENE-formato da 2 alleli dominanti o recessivi.
DOMINANTE-frequente.
RECESSIVO-di tanto in tanto.
GENI CON CARATT. DOMINANTI-alleli dom.(AA).
GENI CON CARATT. RECESSIVI-alleli rec.(aa).
OMOZIGOTI-genotipo (AA)(aa).
ETEROZIGOTI-genotipo ibrido (Aa)(Aa) caratteristiche vincenti nell’evoluzione.
RIMESCOLAMENTO-i cromosomi si appaiono e si scambiano.
MATERIALE GENETICO-mutazioni genetiche casuali, fecondazione sessuata, meiosi.
DIPLOIDE-(numero di cromosomi) pari a 46 nelle cellule somatiche dell’uomo e si indica con 2N o 23 coppie cromosomiche, 22 coppie sono dette autosomi, la 23° coppia è di cromosomi sessuali. Questo diploide è presente in tutto il corpo tranne che nei gameti perchè il numero cromosomico è dimezzato a N con 23 cromosomi in copia singola.
APLOIDE-di questi 23 singoli, 22 sono Autosomi, il 23° è sessuale. Nella femmina avremo sempre X e nel maschio per il 50% della popolazione X e per l’altro 50% Y.
ZIGOTE-è un individuo che si è formato dai gameti cioè le cellule riproduttive spermatozoi e ovuli.

Con il termine popolazione si intendono gruppi di organismi appartenenti a una stessa specie e che occupano una determinata area geografica.
Il pool genico di una popolazione è l’insieme di tutti gli alleli di tutti i geni di tutti gli individui che compongono una popolazione, la frequenza degli alleli che costituiscono il pool genico di una popolazione è la base su cui lavora l’evoluzione.
L’evoluzione consiste nella variazione delle frequenze degli alleli di una popolazione.
Se tutti gli individui di una stessa specie avessero lo stesso bagaglio genico non sarebbe possibile alcuna evoluzione. Di fronte a individui tutti uguali, la selezione, sia naturale sia artificiale non avrebbe possibilità di scegliere.

Tutti gli individui che appartengono a una stessa popolazione presentano una notevole diversità (polimorfismo) la cui fonte è la variabilità genetica, e all’origine della variabilità ci sono le mutazioni e i riarrangiamenti di caratteri; la variabilità può esprimersi in certi casi in rapporto all’ambiente in cui l’organismo si sviluppa.
Si definisce cline la distribuzione graduale di popolazioni diverse determinate da fattori ambientali.
Una fonte particolare di variabilità si è riscontrata a carico dei geni dello sviluppo e la variabilità è testimoniata da:
1.Selezione artificiale, tramite la quale l’uomo ha ottenuto dalla senape selvatica (Brassica oleracea) diversi tipi di piante dallo sviluppo di: foglia, fusto, gemma e fiore;
2.Esperimenti di laboratorio condotti su Drosophila melanogaster, un insetto che ha un numero di setole variabile dovuto al fatto che la selezione artificiale per un certo carattere ha agito anche su altri caratteri relativi alla fertilità;
3.L’analisi della sequenza del DNA di un gene in diversi individui.
La quota di variabilità è importante perchè:
- determina il potenziale per il cambiamento evolutivo e per l’adattamento;
- fornisce indicazioni circa l’importanza con cui i vari fattori evolutivi agiscono sulla popolazione.
Quanto più un allele recessivo è raro tanto più si mantiene nella popolazione grazie all’eterozigosi
Il grado di eterozigosi è la frequenza dei geni eterozigoti, cioè rappresentati da alleli diversi.
I cambiamenti di frequenza degli alleli in una popolazione seguono la legge di Hardy-Weinberg che descrive in quali condizioni di equilibrio la frequenza di ciascun allele può mantenersi inalterata da una generazione all’altra.

Se in una popolazione le frequenze alleliche e genotipiche si mantengono inalterate di generazione in generazione si parla di popolazione in equilibrio e la legge di Hardy-Weinberg descrive le condizioni di equilibrio di una popolazione e afferma che in una popolazione può esservi una proporzione di individui portatori di caratteri dominanti e recessivi e che, se la popolazione è ampia e non intervengono mutazioni, migrazioni, selezione naturale e accoppiamento non casuale, le frequenze relative degli alleli rimangono inalterate di generazione in generazione.
Le mutazioni ereditabili sono la causa della variabilità su cui operano le altre forze evolutive.
Le migrazioni tendono a uniformare le popolazioni tra loro.
La deriva genica è un cambiamento del pool per azione del caso in una piccola popolazione, tale cambiamento incide sulla frequenza allelica.
Nel collo di bottiglia una grande popolazione subisce una drastica riduzione del numero in seguito ad un fattore casuale; nell’effetto del fondatore un gruppo di individui si allontana dalla popolazione originaria e le frequenze alleliche della nuova popolazione sono differenti e addirittura mancanti.
Gli agenti principali dell’evoluzione sono, una sopravvivenza differenziale e una diversa capacità riproduttiva, il valore numerico che esprime la diversa probabilità di riproduzione è detto fitness (W, misura della fertilità) tale valore va da un massimo di 1 a un minimo di 0; la percentuale di un genotipo non più presente alla successiva generazione è detto coefficiente di selezione e si indica con s.
L’essere favorito in ragione delle proprie caratteristiche riproduttive è indicato come selezione sessuale, gli individui vengono selezionati dal sesso opposto in base a dei caratteri sessuali secondari, questa selezione sarebbe dunque la principale causa delle differenze di aspetto tra i due sessi(dimorfismo sessuale).
Il percorso evolutivo dei viventi scaturisce dall’interazioni tra eventi casuali ed eventi necessari.
Tra i fattori in grado di modificare il pool genico solo la selezione naturale ha valore adattativo ed è ritenuta la principale forza evolutiva, mentre però le mutazioni sono eventi casuali, indipendenti dai fattori ambientali, la selezione naturale è orientata.
Il termine pressione selettiva indica l’insieme di circostanze avverse responsabili dell’eliminazione di alcuni individui.
In una popolazione adatta all’ambiente corrisponderà una curva a campana (picco).
La selezione può operare in tre modi:
1.Selezione stabilizzante: conserva le caratteristiche della popolazione, vengono eliminati i fenotipi estremi e si riduce la variabilità della popolazioni(picco uguale ma più alto; più frequente);
2.Selezione direzionale: cambia le caratteristiche della popolazione (individui in una sola direzione), il fenotipo intermedio è sfavorito mentre è favorito uno dei due fenotipi estremi.(picco a sinistra; cambiano le condizioni ambientali repentinamente);
3.Selezione divergente: cambia le caratteristiche della popolazione(individui in due direzioni),aumenta il numero dei fenotipi estremi, dimorfismo bilanciato (due picchi; più fenotipi diversi in proporzioni stabili);
La coevoluzione migliora le potenzialità di sopravvivenza e il successo riproduttivo delle specie coinvolte. Se l’evoluzione è stata stimolata da interazioni reciproche si parla di coevoluzione, gli uccelli sono introdotti in due tipi diversi di coevoluzione con le piante come mangiatori di frutti (disseminazione) o come mangiatori di nettare (impollinazione).
In natura non esiste l’organismo perfetto, ma solo l’organismo più adatto a sopravvivere in una definita situazione ambientale e temporale.
L’evoluzione non è perfetta:
1.esistono dei limiti in quello che ogni organismo può fare;
2.la selezione non crea nulla, sceglie solo la variante più adatta;
3.le regole del gioco cambiano nel tempo, i migliori oggi possono essere eliminati da catastrofi;
4.gli adattamenti rappresentano spesso dei compromessi;
5.i viventi hanno una storia, derivano da strutture ancestrali rimaneggiate;
6.può non presentarsi mai la variazione genetica necessaria al perfezionamento di una caratteristica;
7.alcune soluzioni adottate possono condizionare, limitandola, l’evoluzione successiva.

La speciazione è un fenomeno chiave del processo evolutivo, poichè comporta la formazione di nuove specie.
Gli individui che costituiscono una specie devono essere in grado di riprodursi tra loro in condizioni naturali e la loro prole deve essere a sua volta fertile.
Nella maggior parte degli incroci non si forma nessun individuo, e se si forma è ibrido (risultato della fecondazione di un ovulo con lo spermatozoo di una specie differente) cioè sterile, le specie perciò si mantengono dunque tra loro definite per via dell’isolamento riproduttivo.
L’isolamento riproduttivo viene mantenuto in modi diversi:
I meccanismi prezigotici, l’individuo non si forma, possono essere dovuti a un isolamento temporale (periodo-accoppiamento), a un isolamento etologico (scarsa attrazione), a un isolamento meccanico (incompatibilità organi genitali), a un isolamento genetico (i gameti non si riconoscono) o infine a causa di un isolamento gametico (i gameti non sopravvivono nelle vie dell’altro).
I meccanismi postzigotici, l’individuo si forma, l’ibrido può morire, non raggiungere la maturità sessuale e non produrre discendenza.
La speciazione si verifica quando intervengono oltre a mutazioni e selezione naturale altri vari fattori che isolano la popolazione originaria in popolazioni distinte, il processo avviene in due fasi:
1.isolamento geografico, reversibile;
2.isolamento riproduttivo, irreversibile;
Il cambiamento filetico o anagenesi si verifica quando la nuova specie deriva da quella originaria per graduale diversificazione, la cladogenesi si ha quando la nuova specie deriva da quella originaria per ramificazione per cui coesistono, se le specie derivanti da uno stesso antenato sono molte si parla di radiazione adattativa.
Il flusso genico che va dalla popolazione originaria a gruppi limitati si interrompe per:
Speciazione allopatrica, cioè per isolamento geografico o per eventi casuali come del tipo effetto del fondatore;
Speciazione simpatrica, cioè per isolamento riproduttivo che può dipendere dalla comparsa di mutazioni o dalla poliploidia, fenomeno che consiste nella moltiplicazione del corredo cromosomico per 3 o più volte.
Nella macroevoluzione sono compresi cambiamenti su grande scala e alcune tendenze evolutive fondamentali, i meccanismi su cui è basata sono il preadattamento e l’azione dei geni regolatori.
Per preadattamento si intende un meccanismo per cui una certa struttura viene costretta a svolgere una funzione diversa da quella per cui è stata programmata.
L’azione sui geni regolatori è in grado di regolare l’espressione di altri geni detti Hox che si sono conservati in moltissimi organismi diversi, e regolando l’espressione questi geni possono dare risultati finali molto diversi, ad esempio un ciclo vitale in uno stadio larvale con la raggiunta delle maturità sessuale prima di completare il proprio ciclo vitale (neotenia).
Per sapere se l’evoluzione compie passi grandi o piccoli sono state proposte due teorie: gradualista e di equilibri punteggiati.
Il gradualismo sostiene che il processo evolutivo della specie sia nel modello di cambiamento filetico o anagenesi sia in quello per cladogenesi e avviene per accumulo lento e graduale per cui le microevoluzioni nel tempo diventano macroevoluzioni.
Secondo la teoria degli equilibri punteggiati, invece, le specie rimangono stabili per lunghi periodi di tempo per poi evolvere rapidamente in tempi ridotti dando origine a nuove specie e introducendo anche importanti modificazioni strutturali.

ECOSISTEMI E BIOMI

Lo spazio terrestre che ospita la vita è chiamato biosfera, essa è una sottile pellicola che si estende dalla fossa marina più profonda alla montagna più alta, e si alternano regioni molto ricche di vita con regioni scarsamente popolate, solitamente però la vita si concentra nelle zone di confine tra le diverse sfere acqua, aria, suolo e sedimenti, inoltre è situata:
- tra due fonti di energia, Sole-Terra;
- tra più fonti di materia.
Esiste quindi un’ecosfera, che comprende la biosfera e la cornice fisica con cui questa interagisce. I componenti della biosfera sono organizzati per livelli gerarchici di aggregazione (specie-comunità).

La specie è un insieme di individui in grado di incrociarsi tra loro, la cui prole è a sua volta fertile.Il confine tra le diverse specie è mantenuto dall’isolamento riproduttivo.

Le popolazioni sono gruppi di individui della stessa specie che vivono in uno stesso luogo.

Le comunità sono gruppi di popolazioni di specie diverse che vivono contemporaneamente nello stesso luogo (foresta, alberi, pianta).

Il termine ecologia indica le interazioni complessive dei viventi con il proprio ambiente, per ambiente si intende sia la componente inorganica (acqua, aria, luce) sia la componente organica (viventi).

Innanzitutto il motore dell’ecosistema è il Sole, colui che fa si che si svolgano i processi fotosintetici. L’insieme dei viventi e dell’ambiente in cui vivono è detto ecosistema che:
- è l’unità di organizzazione della biosfera;
- comprende una comunità di organismi viventi (biocenosi) e l’ambiente fisico e chimico (biotopo);
- possiede un piano organizzativo comune.
La Terra stessa è un ecosistema solo che molto più grande infatti è composto da evaporazioni, terremoti, eruzioni vulcaniche, ... l’energia che mette in moto questi movimenti ciclici deriva dal Sole.
Le leggi che regolano il funzionamento di qualsiasi ecosistema sono sempre le stesse:
1.il flusso energetico è a senso unico, perchè la corrente di energia fluisce dal caldo verso il freddo e cioè dal Sole alla Terra, di tutta questa energia solo una piccola frazione viene trasformata dagli esseri viventi e la restante si disperde nell’universo.
2.il movimento della materia è circolare, perchè le sostanze chimiche sono presenti in quantità finite.

In un ecosistema possiamo individuare tre categorie di organismi:
Gli organismi produttori sono:
1.organismi autotrofi (fotosintesi), piante, alghe e fitoplancton;
2.batteri (chemiosintesi).
Questa enorme massa è il presupposto per la vita degli animali, la produttività netta (globale-personale)
serve a misurare la velocità con cui i viventi accumulano l’energia disponibile per i viventi.

Gli organismi consumatori sono:
1.organismi eterotrofi, si nutrono di materiale organico e sono:
-consumatori primari o erbivori;
-consumatori secondari o carnivori (predatori);
-consumatori terziari e così via.

Gli organismi decompositori:
1.funghi capaci di degradare grazie ai loro enzimi la cellulosa (polisaccaride-vegetali) e la lignina (polisaccaride-legno);
2.batteri;
3.alghe, lieviti, protozoi, insetti, molluschi e vermi che frammentano i frammenti di materiale organico presenti nel suolo.
Il ruolo dei decompositori è poco noto ma grazie a loro le catene alimentari si chiudono, i gas in acqua e atmosfera rimangono costanti e il suolo viene arricchito, i residui che non si possono frantumare formano l’humus.
La fermentazione è un processo che non decompone la sostanza organica del tutto.

Si definisce catena alimentare la sequenza di organismi attraverso i quali l’energia fluisce sotto forma di molecole nutritizie, in una catena alimentare ogni organismo occupa un certo livello, detto trofico, in base a ciò che mangia a da chi viene mangiato. I produttori stanno al primo livello, i consumatori primari al secondo, i secondari al terzo e così via, di solito però troviamo una rete alimentare più complessa dove ogni individuo è spesso preda di più specie e predatore di diverse altre.
Passando da un livello trofico al successivo si disperde molta energia sotto forma di calore, perciò più la catena è corta, maggiore sarà l’energia disponibile complessivamente.
La piramide alimentare è la rappresentazione grafica di una catena alimentare in cui ogni gradino rappresenta un livello trofico e salendo verso la vetta vi è una graduale riduzione della quantità delle sostanze alimentari e del flusso di energia, così il 10% dell’energia viene convertito in biomassa (quantità a secco di sostanza organica) nell’organismo del livello trofico successivo.
In un ecosistema si osserva la progressiva riduzione numerica degli organismi, perciò si distinguono tre tipi di piramide dei numeri, nella prima si va diminuendo dai produttori primari ai consumatori terziari, nella seconda occupano più posto i consumatori primari e secondari, nella terza si va aumentando dai produttori primari ai parassiti delle piante agli iperparassiti. La catena alimentare è alla base del bioaccumulo.

Qualsiasi organismo dispone di:
-Habitat che rappresenta il luogo fisico in cui vive;
-nicchia ecologica che indica di che cosa l’organismo si nutre, in che modo lo fa, i suoi nemici, in che modo si riproduce, dove si ferma a riposare ecc.
Se in un ecosistema scompare una specie la sua nicchia rimarrà vuota fino ad essere occupata da un’altra, in continenti con condizioni ambientali simili troviamo nicchie simili ma con organismi geneticamente diversi. La nicchia ecologica permette di sfruttare completamente le risorse ambientali.

Quanto più l’animale è specializzato tanto più la sua nicchia è ristretta, questi animali sono detti specialisti e presentano una tolleranza ridotta ai cambiamenti climatici e dell’ambiente in generale, gli animali generalisti invece occupano nicchie più ampie.
Gli specialisti si trovano bene nella foresta pluviale perchè meno adattabili, i generalisti prevalgono in territori soggetti a cambiamenti frequenti e improvvisi.

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