Biologia degli invertebrati

Biologia degli invertebrati

Zoologia: disciplina che studia in modo scientifico organismi quali:

• Cellule eucariotiche prive di pareti;
• Eterotrofi;
• Organismi che si nutrono per ingestione (protozoi e metazoi).

Protozoi: eucarioti con cellula priva di parete, organismi eterotrofi e unicellulari. Esistono circa 35.000 specie.

Le dimensioni di questi organismi sono in genere inferiori a 1 mm.

Metazoi: nome scientifico con cui si chiamano gli animali. Un animale è un organismo costituito da n cellule di tipo eucariotico (ovvero prive di parete). Sono organismi pluricellulari, eterotrofi e si nutrono per ingestione. La maggior parte delle specie di metazoi ha lunghezza inferiore a 1 mm. Si stima che esistano circa 1,3 milioni di specie di metazoi raggruppate in circa 40 phyla. Il 97% delle specie di metazoi sono invertebrati mentre il restante 3% sono vertebrati.

I vertebrati sono animali che sono dotati di vertebre (uomo, uccelli, pesci, felini, etc.), mentre gli invertebrati sono tutti gli animali che non sono dotati di vertebre (aracnidi, molluschi, insetti etc.).

Biologia evoluzionistica

Evoluzione: sinonimi di evoluzione sono cambiamento e trasformazione. Il cambiamento si verifica a livello delle caratteristiche degli organismi.

Tra i primi che hanno trattato dell’evoluzione si trova il nome di Charles Darwin che in “L’origine delle specie” parla dei cambiamenti negli organismi e cerca di spiegare i meccanismi che causano questi cambiamenti.

Secondo Darwin gli individui migrano, si separano, colonizzano nuovi territori, competono, si estinguono, si succedono nel tempo e vanno alla deriva.

Gli organismi però non evolvono verso il meglio, non è la più forte delle specie che sopravvive, né la più intelligente, ma quella più reattiva ai cambiamenti e capace di adattarsi. Sull’adattamento agisce la selezione naturale che permette la sopravvivenza a quegli individui che sono più portati a vivere in quell’ambiente.

È importante inoltre sottolineare che l’evoluzione non è un processo lineare, non è graduale, non segue un percorso predefinito e procede a caso attraverso molti tentativi.

Sistematica

La sistematica è la scienza che studia la diversità degli organismi viventi, la loro filogenesi e la loro classificazione.

Classificazione

Classificare significa ordinare per insiemi, ripartire in gruppi elementi che hanno uno o più caratteri comuni (relazioni di affinità, parentela o discendenza). La necessità di dividere i viventi per gruppi è nata con la nascita dell’uomo e ci permette di distinguere le milioni di specie esistenti in gruppi coerenti per riuscire a studiarle e trattarle al meglio.

L’ideatore della classificazione fu Carlo Linneo che ideò il Systema Naturae (sistema unico per classificare i viventi). Questo sistema ha due caratteristiche fondamentali:

• Classificazione gerarchica: la sistematica utilizza sette raggruppamenti detti categorie sistematiche. Le categorie sistematiche sono ordinate in senso gerarchico dalla più piccola alla più grande: specie, genere, famiglia, ordine, classe, phylum e regno. La specie è l'insieme di tutti gli individui con caratteristiche assai simili che, accoppiandosi, generano figli simili ai genitori e fecondi, cioè capaci a loro volta di generare figli. La specie è l’unità di base della sistematica in quanto solo le specie esistono come tali in natura. Le specie devono essere riconoscibili, definibili in modo oggettivo e distinguibili l’una dall’altra. Importante sottolineare che ogni individuo può appartenere a una sola specie (l’unica eccezione a questa affermazione è l’esistenza degli ibridi nati dall’unione di due specie diverse e anche gli individui partenogenetici, ovvero individui che si riproducono senza l’intervento della cellula riproduttiva maschile). Il genere raggruppa specie simili tra loro, per esempio cane e lupo appartengono al genere Canis. La famiglia raggruppa generi simili tra loro. La volpe, il cane e il lupo vengono raggruppati nella famiglia dei canidi. L’ordine raggruppa più famiglie simili tra loro. Il cane e il leone vengono raggruppati nell'ordine dei carnivori. La classe raggruppa gli ordini simili tra loro. Gli animali che partoriscono che possiedono le mammelle per allattare e la pelle coperta di peli sono raggruppati nella classe dei mammiferi. Il phylum o tipo raggruppa diverse classi simili. Infine il regno è la categoria sistematica più ampia e comprende più phyla;
• Nomenclatura binomia: nome della specie formato da due parole, nome del genere + nome specifico. Entrambi i nomi sono in latino o latinizzati e soggetti alla grammatica latina, entrambi sono scritti in corsivo. L’iniziale del nome del genere deve essere maiuscola mentre l’iniziale della specie deve essere in minuscolo. Al binomio va sempre associato il nome dell’autore che ha scoperto la specie. La nomenclatura binomia consente di far comunicare popolazioni umane che parlano lingue diverse oltre a permettermi di identificare in modo univoco tutti i viventi.

Linneo è stato anche il fondatore della tassonomia, parte della sistematica che studia i metodi di identificazione e classificazione dei viventi. I gruppi in cui si collocano gli animali secondo la tassonomia vengono chiamati taxon (o taxa).

Concetto tipologico di specie: gli organismi vengono suddivisi in varie specie in base alla morfologia perciò il carattere discriminante è la morfologia. Tra gli individui deve quindi esserci una netta discontinuità morfologica.

Concetto biologico di specie: insieme di organismi appartenenti a popolazioni diverse effettivamente o potenzialmente capaci di incrociarsi tra loro, dando origine a prole feconda. Il carattere discriminante non è più la morfologia o il fenotipo ma la capacità di generare una prole fertile. Se due individui non generano una prole feconda si dice che tra le due specie c’è isolamento riproduttivo.

I problemi di questo concetto sono:

• Ibridi (dove si collocano le specie ibride);
• Organismi estinti;
• Organismi a riproduzione asessuale;
• Popolazione allopatriche per le quali non esiste possibilità di verificare compatibilità riproduttiva;
• Popolazioni che si riproducono per partenogenesi telitoca (generazione di sole femmine) e ameiotica (cellule uovo senza meiosi ma solo mitosi).

Evoluzione biologica

L’evoluzione biologica è un processo che avviene a livello di popolazione per permettere un adattamento all’ambiente. È importante ricordare che:

• L’individuo si sviluppa e non si evolve;
• Le modificazioni durante lo sviluppo di un individuo (ontogenesi) non sono evoluzione;
• Le modificazioni che si verificano durante il ciclo vitale non sono processi evolutivi;
• L’evoluzione non si verifica durante la vita del singolo individuo;
• Un insieme di individui formano una popolazione e un insieme di popolazioni formano una specie;
• La popolazione si evolve;
• I meccanismi evolutivi producono cambiamenti fra generazioni successive di una popolazione;
• I cambiamenti evolutivi sono quelli ereditabili da una generazione all’altra;
• L’accumulo di cambiamenti porta a linee evolutive nuove.

Evoluzione divergente: l'evoluzione divergente è il fenomeno per mezzo del quale alcune caratteristiche fenotipiche, di comune origine, si sono differenziate nel corso della storia evolutiva. L'esempio classico è rappresentato dagli arti dei vertebrati, che derivano dagli arti presenti nei vertebrati primitivi e si sono evoluti in strutture molto diverse, come il braccio negli uomini, le zampe in altri mammiferi, le ali negli uccelli, etc.

Evoluzione convergente: in natura, specie che occupano nicchie ecologiche simili, possono sviluppare caratteri simili, indipendentemente dalla loro filogenesi. Questo processo prende il nome di evoluzione convergente. Alcuni esempi sono la forma idrodinamica degli animali acquatici, la morfologia del becco degli uccelli (es. un rostro sottile e allungato negli uccelli nettarivori), caratteristiche fisiologiche e morfologiche delle piante adattate a ambienti desertici (es. fusti sviluppati e succulenti con foglie trasformate in spine, come nelle famiglie di Cactaceae e Euphorbiaceae).

Filogenesi

La filogenesi è la storia evolutiva degli organismi che viene ricostruita grazie all’analisi dei rapporti di discendenza a partire da un antenato comune (progenitore). La filogenesi definisce le relazioni evolutive fra le linee progenitore-discendente. Per ricostruire la filogenesi è necessario confrontare caratteri simili posseduti dagli organismi di cui si vuole conoscere il rapporto di parentela.

Carattere: qualsiasi attributo (caratteristica) di un organismo che può essere esaminato e misurato. Ad esempio caratteri morfologici, molecolari (sequenze nucleotidiche), biochimici, cariologici, comportamentali, etc.

I caratteri che utilizzo devono però essere:

• Peculiari di ogni taxon (gruppo);
• Devono consentire di evidenziare le variazioni dentro a un taxon;
• Devono consentire di evidenziare le variazioni fra i taxa;
• Devono evidenziare rapporti di parentela-discendenza.

Caratteri omologhi:

• Ereditati da un antenato comune;
• Sono indice di parentela;
• Hanno origine embrionale comune;
• Possono o meno avere la stessa forma;
• Possono o meno svolgere la stessa funzione.

Caratteri analoghi:

• Non hanno un antenato comune recente;
• Non hanno origine embrionale comune;
• Non indicano parentela.

Per ricostruire la filogenesi si usano solo i caratteri omologhi. I caratteri omologhi possono essere definiti:

• Primitivi o plesiomorfi: presenti nell’antenato comune a un gruppo di organismi;
• Derivati o apomorfi: caratteri che si sono evoluti a partire dallo stato primitivo.

Cladogramma: rappresentazione grafica dei rapporti di parentela fra linee evolutive con antenato comune.

Nodo: punto di divergenza (dicotomia) di due taxa da un antenato comune.

Clado: linea evolutiva che include l’antenato comune più recente di un gruppo più tutti i suoi discendenti.

La filogenesi deve considerare soltanto i taxa monofiletici. Un taxon monofiletico è tale se comprende l’antenato comune più recente e tutti i suoi discendenti.

1. Taxon monofiletico: comprende l’antenato comune più recente (specie ancestrale) e tutti i suoi discendenti;
2. Taxon parafiletico: comprende l’antenato comune più recente, ma non tutti i suoi discendenti;
3. Gruppo polifiletico: non contiene l’antenato comune più recente di tutti i membri del gruppo, quindi le specie del gruppo hanno avuto antenati diversi.

Rappresentare la filogenesi

Cladogramma: rappresentazione di rapporti di parentela.

Albero evolutivo o albero filogenetico: fornisce informazioni sulla durata delle linee evolutive e l’ammontare dei cambiamenti nelle linee filetiche.

Cladogramma e albero evolutivo non sono equivalenti e forniscono informazioni diverse.

Teoria cladistica: teoria sviluppata nel 1950 da Will Hennig. Teoria che permette di classificare e rappresentare le interazioni filogenetiche delle specie esistenti sul pianeta terra. È possibile rappresentare un albero evolutivo di tutti gli esseri viventi.

I numeri rappresentano in milioni di anni le date in cui le varie linee potrebbero essersi diversificate.

LUCA: Last Universal Common Ancestor (tutti i viventi si sono evoluti a partire da un antenato comune).

Bauplane

Il bauplane è uno schema o disegno strutturale di un organismo e descrive:

• Aspetti morfologici e anatomici;
• Aspetti funzionali.

Mentre identifica:

• Limiti architettonici;
• Limiti funzionali.

Nella sua accezione più generale, lo schema strutturale dei diversi phyla animali può essere descritto sulla base di diverse caratteristiche:

Simmetria corporea

Simmetria corporea: indica la disposizione delle parti del corpo di un organismo rispetto a un asse o a un piano di riferimento che passa per il centro del corpo stesso. Le parti del corpo devono essere uguali o speculari o equivalenti tra loro. Esistono tre tipi di simmetria:

• Simmetria raggiata (esiste anche la simmetria pentaradiata): qualunque piano passante per il centro del corpo lo divide in due parti speculari o equivalenti. Un esempio di organismi che hanno questo tipo di simmetria sono gli organismi sessili (organismi che restano attaccati al substrato senza muoversi), gli organismi sedentari (organismi che tendenzialmente stanno fermi ma che possono muoversi se necessario), gli organismi vagili (organismi che si muovono lasciandosi trasportare dalle colonne d’acqua), gli organismi a forma tubulare (polipo) e a coppa o rotondeggianti (medusa). Una variante della simmetria raggiata è la simmetria pentaradiata dove la simmetria porta ad avere una divisione in cinque parti o multipli di cinque (ricci di mare e stelle di mare). Gli animali che hanno simmetria pentaraggiata sono animali sedentari e rotondeggianti. Questa simmetria permette all’animale di ricevere impulsi da tutte le direzioni favorendo la comunicazione e l’interazione con l’ambiente di animali sedentari o sessili. È bene distinguere il fatto che la morfologia del polipo è data solamente dal gradiente ambientale (forza di gravità) essendo sessile, mentre la morfologia della medusa (animale vagile) è data sia dal gradiente locomotorio che dal gradiente ambientale che in questo caso sono paralleli (la medusa si sposta lungo la colonna d’acqua) e perciò si annullano;
• Simmetria bilaterale: organismi divisi in due parti uguali unicamente dal piano sagittale. La locomozione direzionale di questo tipo di animali influenza l’architettura del corpo, in quanto un organismo che si muove in senso perpendicolare alla forza di gravità subisce il gradiente ambientale e il gradiente locomotorio che portano all’allungamento e all’appiattimento dell’organismo stesso. Il corpo risulta perciò polarizzato lungo il gradiente ambientale, da ciò ne consegue che la superficie dorsale è diversa da quella ventrale, la superficie dorsale è infatti adatta a proteggere il corpo e la superficie ventrale è invece adatta per la locomozione (strisciamento) e l’adesione al substrato. La locomozione direzionale influenza l’architettura del corpo poiché la locomozione è più efficiente se il corpo offre il minor attrito possibile, perciò avremo un corpo compatto (non ramificato) e allungato (vermiforme). Come conseguenza della comparsa della simmetria bilaterale è diventato possibile distinguere il corpo in varie regioni. Sono stati inseriti anche i concetti di prossimale e distale che ci indicano la posizione di una parte del corpo rispetto al centro dell’animale. La comparsa della simmetria bilaterale è associata anche alla cefalizzazione ovvero la comparsa del capo (regione particolarmente voluminosa e rotondeggiante che si trova a una delle due estremità dell’animale, quella che per prima esplora l’ambiente, e in cui si concentrano gli organi di senso). Un esempio di cefalizzazione è Dugesia sp. che ha corpo allungato e vermiforme con una zona più grande dove si trovano gli organi di senso, il capo. La locomozione è una conseguenza diretta dell’eterotrofismo cioè la ricerca di cibo. La locomozione aumenta il tasso di alimentazione, aumenta le capacità di difesa, le capacità di dispersione e la probabilità di incontrare un partner. La locomozione si attua con due modalità: la prima è lo spostamento del corpo rispetto all’ambiente ovvero la locomozione mentre la seconda si verifica quando l’organismo muove l’ambiente che circonda il suo corpo e viene chiamato movimento. Gli animali che si muovono sono detti animali vagili. Gli animali sono eterotrofi poiché hanno necessità di cibo, il quale fornisce energia (dato che non possono produrla autonomamente) ed per evitare di diventare fonte di cibo per un altro individuo. La nutrizione è l’insieme dei processi medianti i quali un eterotrofo assume, digerisce, immagazzina e usa il cibo per soddisfare le sue necessità energetiche (locomozione, riproduzione, respirazione, etc.). Quindi la locomozione si è sviluppata per permettere la ricerca di cibo negli animali eterotrofi e anche per spostarsi nell’ambiente per non entrare in competizione per il cibo con altri individui. Il cibo è una risorsa, in quanto è una sostanza o oggetto necessario ad un organismo per il suo mantenimento, accrescimento e riproduzione e soprattutto ogni risorsa è presente in quantità finita e limitata. Associato all’utilizzo di una fonte diversa di cibo si ha una radiazione adattativa morfologica (per avere una perfetta correlazione tra morfologia e funzione). Un esempio di radiazione adattativa è quella dei fringuelli delle Galapagos. I fringuelli derivano da un progenitore comune ma hanno cambiato la morfologia del loro becco in base alla loro dieta fino ad ottenere 14 specie, ciascuna adatta a una peculiare dieta grazie a modificazioni di forma e dimensione del becco (speciazione simpatrica cioè speciazione avvenuta in un territorio piccolo);
• Nessuna simmetria: un esempio sono i poriferi (spugne) e gli organismi unicellulari tipo le amebe (perché cambiano continuamente la forma formando lobopodi per inglobare i nutrienti oppure per muoversi).

Il tipo di simmetria è correlato allo stile di vita;

Livello di organizzazione gerarchica della complessità morfologica

Livello di organizzazione gerarchica della complessità morfologica: l’organizzazione è basata su gerarchie di livelli strutturali con crescente complessità morfo-funzionale. Ogni livello si origina da quello precedente e ad ogni livello si acquisiscono nuove proprietà biologiche dette emergenti. I vari livelli sono:

1. Molecole: gli atomi si uniscono a formare molecole;
2. Macromolecole: insieme di molecole legate tra loro (come proteine e DNA);
3. Organelli: gli at