Biologia

L'evoluzione della vita

Classificazione e tassonomia

Un gruppo di organismi con un comune antenato è definito clade (equivale a dire regno). Gli organismi sono classificati nei tre domini sopra. La tassonomia è la scienza che studia la nomenclatura e la classificazione degli organismi.

Il sistema di nomenclatura binomiale è stato ideato da Carlo Linneo nel XVIII secolo ed è utilizzato ancora oggi. Prevede nella prima parte il genere e nella seconda l’epiteto scientifico che indica una particolare specie appartenente a quel genere. L’epiteto scientifico non è il nome della specie, infatti può essere usato lo stesso per indicare individui appartenenti a generi differenti. La specie viene quindi indicata solamente usando entrambi i termini.

Adattamenti ed evoluzione

Se tutti gli organismi appartenenti a una specie fossero identici tra loro, ogni cambiamento ambientale potrebbe rivelarsi disastroso per tutti e le specie si estinguerebbero. Gli adattamenti ai cambiamenti ambientali sono il risultato di processi evolutivi che avvengono in lunghi periodi e coinvolgono molte generazioni. Charles Darwin e Alfred Wallace hanno delineato la selezione naturale che ha definito la biologia moderna e porta un cambiamento evolutivo a lungo termine diversificando gli organismi che vivono attualmente.

Che cos'è l'evoluzione?

Si tratta dell’accumulo nel corso di molti anni, di cambiamenti genetici all’interno di popolazioni. Microevoluzione = adattamenti di una popolazione a breve periodo, e macroevoluzione = formazione a lungo termine di nuove specie da antenati comuni. Una popolazione è un gruppo di individui di una specie che vivono nella stessa area geografica nello stesso momento. Una specie è un gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamento simili che hanno la capacità di accoppiarsi.

Teorie dell'evoluzione

Lamarck sosteneva che un carattere sviluppato da una specie per adattarsi a una situazione potesse essere tramandato alla prole (esempio giraffe che allungano il collo per raggiungere i rami più alti) e che tutte le specie viventi fossero pervase da una forza vitale che le spingesse ad evolversi verso una migliore perfezione nel tempo. Fino a quando non furono scoperte le leggi dell’ereditarietà di Mendel, la teoria di Lamarck rimase una buona spiegazione all’evoluzione.

Darwin e Wallace arrivarono indipendentemente alla stessa conclusione, osservando le diverse specie in diverse isole: gli individui tendono a mantenere le caratteristiche favorevoli e a perdere quelle sfavorevoli, spiegato con la selezione naturale. Variabili della selezione naturale: variabilità, sovrapproduzione (le specie hanno capacità di produrre discendenti in quantità superiore di quelli che possono vivere), limiti alla crescita della popolazione o lotta per l’esistenza, successo riproduttivo differenziale (gli organismi meglio adattati a un certo ambiente hanno più possibilità di sopravvivere e riprodursi).

Neo-darwinismo e genetica

Il neo-darwinismo o sintesi moderna è l’insieme della teoria sulla selezione naturale e gli studi sulla genetica effettuati da Mendel. La teoria spiega l’osservazione di Darwin dal punto di vista di mutazioni genetiche (cambiamenti del DNA come sostituzioni di nucleotidi), come agente della variabilità su cui agisce poi la selezione naturale.

Tettonica a placche

Inizialmente il continente era composto da un unico blocco di terre emerse, la Pangea. Queste terre sono composte da 7 placche che quando si muovono fanno spostare le terre sopra di loro. Il movimento è definito tettonica a placche. I luoghi in cui le placche si incontrano determinano terremoti o vulcani. Inoltre, la subduzione, l’accavallamento tra due placche può dare origine a montagne.

Anatomia comparata

L’anatomia comparata di specie correlate mette in evidenza delle somiglianze nelle loro strutture che vengono dette caratteristiche omologhe, considerando ad esempio un braccio umano, una zampa di un gatto, la pinna di una balena e l’ala di un pipistrello, pur essendo morfologicamente differenti, presentano conformazioni simili in termini di ossa, muscoli e nervi. Non tutte le specie derivano da un antenato comune, ma a volte condizioni ambientali simili risultano in adattamenti che si assomigliano (evoluzione convergente).

Caratteristiche non omologhe, ma che hanno funzioni simili in antenati distanti tra loro sono dette caratteristiche omoplastiche (omoplasia). Esempio sono le ali degli animali che possono volare e sono caratteristiche omoplastiche, anche se quelle degli insetti si sono sviluppate da appendici simili alle branchie e quelle degli uccelli sono arti modificati. Strutture vestigiali sono organi o parti non complete, non funzionali e degenerati di dimensioni ridotte. La presenza di queste è da intendersi come il processo di transizione nel cambio vita dell’individuo (esempio gli occhi vestigiali delle talpe che non vedono).

“Darwin non conosceva la forza della sua stessa teoria. Sottostimò enormemente il potere della selezione naturale. La sua azione non è né rara, né lenta. Porta a un’evoluzione quotidiana e oraria, tutto intorno a noi, e noi possiamo vederla.” Jonathan Weiner

Cambiamenti evolutivi nelle popolazioni

Ogni popolazione è caratterizzata da un pool genico che include tutti i geni per tutti i loci presenti nella popolazione. Ogni frequenza genotipica rappresenta la proporzione di un particolare genotipo nella popolazione ed è rappresentata solitamente come frazione decimale; la somma di tutte è 1. Una frequenza fenotipica rappresenta invece la proporzione di un dato fenotipo nella popolazione. Se ogni genotipo corrisponde a uno specifico fenotipo, le due frequenze saranno uguali. Se però, invece, un allele è dominante rispetto all’altro, le sequenze saranno differenti. Infine, la frequenza allelica è la percentuale di uno specifico allele nella popolazione (es. A o a).

Una popolazione nella quale frequenze genotipiche e alleliche non cambiano da generazione a generazione si dice all’equilibrio genico. Questa popolazione non sta però andando incontro a un’evoluzione. Spiegazione della stabilità delle generazioni successive nelle popolazioni in equilibrio genico è stata fornita dal principio di Hardy-Weinberg di Geodfrey Hardy (matematico inglese) e Wilhelm Weinberg (medico tedesco) nel 1908. Il principio rappresenta una situazione ideale che molto probabilmente non si verifica mai nella realtà, stabilita tramite calcoli matematici.

Nel momento in cui conosciamo la quantità di una variabile, possiamo calcolare anche le altre. Questi valori possono essere utilizzati come base di paragone con le frequenze alleliche o genotipiche delle generazioni successive. Durante questo tempo, se le frequenze alleliche o genotipiche deviano dai valori predetti dal principio di Hardy-Weinberg, la popolazione sta evolvendo.

Principio di Hardy-Weinberg

• Accoppiamento casuale: non deve esserci una selezione in base ai genotipi, all’interno della stessa popolazione.
• Assenza di mutazioni nette: le frequenze dei genotipi non devono cambiare a causa di mutazioni.
• Popolazione di grandi dimensioni: poiché in una di piccole vi è una maggiore probabilità di cambiamenti a causa di fluttuazioni causali.
• Assenza di migrazione: non si deve quindi verificare scambio di geni con altre popolazioni.
• Assenza di selezione naturale: altrimenti alcuni fenotipi sarebbero preferiti ad altri (si dice che hanno maggiore fitness).

Microevoluzione

Termine che indica i cambiamenti relativamente piccoli o minori che si verificano generalmente nell’arco di poche generazioni. L’evoluzione rappresenta una deviazione dal principio di Hardy-Weinberg. I cambiamenti nelle frequenze alleliche di una popolazione derivano da cinque processi microevolutivi: accoppiamento non casuale, mutazione, deriva genica, flusso genico e selezione naturale. Sono l’inverso logicamente del mantenimento dell’equilibrio.

Deriva genetica

La produzione di cambiamenti evolutivi casuali nelle piccole popolazioni è nota come deriva genetica. Essa porta a cambiamenti nelle frequenze alleliche di una popolazione tra generazioni. Un allele può essere eliminato dal caso, indipendentemente che questo sia vantaggioso o dominante o meno. La deriva quindi può diminuire la variabilità genica all’interno di una popolazione, benché tenda ad aumentare le differenze geniche tra popolazioni differenti.

L’effetto del fondatore causa una deriva genetica nel momento in cui una nuova popolazione è formata da pochi fondatori che diffonderanno quindi soltanto la loro limitata variabilità genetica, rispetto alla popolazione di provenienza (es. popolo finlandese).

Polimorfismo genetico

Il polimorfismo genetico indica la variazione genetica tra individui di una stessa popolazione. La maggior parte di questo non è visibile poiché non produce fenotipi diversi. Uno dei modi per determinarlo è comparare differenti forme di particolari proteine. La determinazione della sequenza nucleotidica del DNA di individui di una popolazione fornisce una stima diretta del polimorfismo genetico ed è abbastanza sensibile da identificare alleli che differiscono per un solo nucleotide (SNP). Gli SNP sono molto frequenti nella maggior parte delle popolazioni.

Il polimorfismo bilanciato è un tipo speciale di polimorfismo in cui uno o due alleli persistono in una popolazione per molte generazioni a causa della selezione naturale. La variabilità neutrale è rappresentata da cambiamenti nel fenotipo di un individuo che non alterano la sua capacità di sopravvivere e riprodursi. La variabilità geografica mostra come popolazioni di una stessa specie, in aree geografiche differenti, mostrino adattamenti genetici agli ambienti locali. Un tipo di variabilità geografica viene definito cline.

Isolamento riproduttivo e speciazione

Speciazione, l’evoluzione di nuove specie da specie preesistenti, può avvenire in modo allopatico o simpatrico. La speciazione allopatrica si verifica quando una popolazione diventa geograficamente separata dal resto della specie. Si ritiene che questa sia la modalità più comune e che l’evoluzione si sia verificata quasi esclusivamente attraverso di essa.

La speciazione simpatrica fa sì che una nuova specie si sviluppi occupando la stessa regione geografica di quella progenitrice. Avviene per evoluzione dei meccanismi di isolamento a inizio del processo di speciazione. È comune soprattutto nelle piante. Avviene per cambiamento della ploidia (il numero di cromosomi che caratterizza un individuo) e per cambiamento ecologico.

Si ritiene che la maggior parte delle angiosperme sia poliploide, presentano ad esempio un numero doppio di cromosomi che ne consente la riproduzione (cosa che non avverrebbe con quello dimezzato). La macroevoluzione consiste in cambiamenti fenotipici su larga scala nelle popolazioni, tali da giustificare l’assegnazione di tali popolazioni a nuove specie o a nuovi gruppi tassonomici di livello superiore.

Estinzione

L’estinzione rappresenta la fine della linea evolutiva e si verifica quando muore l’ultimo individuo di una specie. La perdita è permanente perché una volta estinta una specie non può più ricomparire.

Outgroup e ingroup

Un outgroup è un taxon che si è diversificato prima di qualsiasi altro taxon e quindi rappresenta un’approssimazione della condizione ancestrale. Un outgroup ideale è il parente più prossimo del gruppo in studio che non si è eccessivamente modificato dalla sua origine. Gli altri taxon presi in considerazione vengono definiti ingroup. I taxa fratelli si sono sviluppati da un antenato recente comune.

Evoluzione chimica sulla terra primordiale

Astrofisici e geologi hanno stabilito che l’età della Terra è di circa 4,6 miliardi di anni. L’atmosfera primordiale era composta da CO₂, H₂O, CO, H₂, N₂ e molto probabilmente NH₃ (ammoniaca), H₂S (solfuro di idrogeno) e CH₄ (metano). L’atmosfera primordiale probabilmente era priva o conteneva pochissimo O₂.

Vi sono state 4 condizioni essenziali che avrebbero permesso l’inizio della vita:

• Soltanto in assenza di ossigeno avrebbe potuto aver inizio l’origine della vita. L’ossigeno avrebbe ossidato le molecole organiche generando ossidi.
• Grandi quantità di energia per la costituzione di molecole biologiche avrebbe dato origine alla vita. Questa energia venne fornita dalle tempeste, attività vulcaniche o dai raggi ultravioletti non filtrati dall’ozono che non era ancora presente.
• Disponibilità di materiale chimico come acqua, materiale inorganico disciolto e gas.
• Tempo.

Ipotesi del brodo primordiale e del mondo ferro-zolfo

L’ipotesi del brodo primordiale afferma che molecole organiche si sono formate sulla superficie della Terra in un “mare di brodo organico” o su rocce e superfici argillose. L’ipotesi del mondo ferro-zolfo suggerisce invece che le molecole si siano formate a livello di sorgenti idrotermali ossia fratture nel fondo dell’oceano.

Lo studio dei protobionti ha dimostrato come strutture non viventi e relativamente semplici possano avere alcune proprietà dei viventi. Protobionti = assemblaggi di polimeri organici in modo abiotico (non prodotti da organismi) simili a cellule viventi per vari modi. Questi studi sono stati effettuati per capire come l’aggregazione di complesse molecole inorganiche abbia portato alla formazione di cellule viventi. Il problema di come le pre-cellule si siano evolute in organismi viventi rimane al momento ancora insoluto.

Alcuni scienziati suggeriscono che l’RNA sia stato la prima molecola informazionale a evolvere nel corso della progressione. Questi RNA funzionavano sia come enzimi che come substrati per la loro stessa replicazione. Da questi sono state prodotte proteine e molecole di DNA che aveva una conformazione più stabile. Il DNA quindi divenne la molecola deputata al deposito dell’informazione, l’RNA quella coinvolta nella sintesi proteica e gli enzimi proteici i catalizzatori della maggior parte delle reazioni cellulari. L’RNA è considerato necessario poiché il DNA non ha mai avuto proprietà catalitiche.

Prove non fossili e unità cellulare

Prove non fossili indicano che la vita esisteva già 3,8 miliardi di anni fa e può essere considerata come la data di formazione di sistemi di molecole compartimentali in unità dette cellule, unità vantaggiose che controllavano gli scambi in entrata e uscita e alla base della composizione di ogni vivente.

Le prime cellule probabilmente erano eterotrofe e anaerobie e consumavano diversi tipi di molecole organiche che si erano formate spontaneamente. Al consumarsi di queste sono, per forza di cose, avvenute mutazioni che hanno permesso ad alcune cellule di ottenere energia direttamente dalla luce solare da sé. 2,5 miliardi di anni fa le prime cellule fotosintetizzarono, probabilmente eucariotisimili ai cianobatteri, che hanno permesso la produzione di grandi quantità di ossigeno sufficiente a iniziare a cambiare la composizione dell’atmosfera.

La maggior parte degli organismi anaerobici sono scomparsi, mentre i pochi rimasti hanno sviluppato meccanismi di repulsione dell’ossigeno o vivono in luoghi incontaminati da questo. Il meccanismo aerobio è molto più efficiente di quello anaerobio e ha permesso di stabilizzare l’ossigeno e l’anidride carbonica presenti nella biosfera. Inoltre, l’ossigeno reagì a formare ozono che ha protetto la Terra da radiazioni ultraviolette consentendo agli organismi di spostarsi dall’acqua alle terre emerse.

Questo può essere avvenuto attraverso fagocitosi senza essere digeriti e una volta sopravvissuti sono diventati capaci di riprodursi insieme alla cellula ospite. Hanno portato a simbiosi stabilizzanti che hanno dato vita a cellule eucariotiche.

Storia della vita

Le più ampie suddivisioni nella scala dei tempi geologici sono gli eoni (Archeano, Proterozoico e Ediacarano) suddivisi a loro volta in ere, periodi e infine epoche. La vita ha avuto inizio nello eone Archeano, i cianobatteri hanno segnato l’inizio dello eone Proterozoico terminato con abbondanti rettili dai corpi molli pluricellulari, ed infine nello eone Ediacarano si sono sviluppati una moltitudine di organismi pluricellulari. La più grande estinzione di massa di tutti i tempi si ebbe alla fine dell’età Paleozoica, circa 252 milioni di anni fa, quando più del 90% delle specie marine e il 70% di quelle terrestri si estinsero insieme a molte specie di piante.

La chimica della vita: i composti organici

Il carbonio possiede proprietà particolari che gli permettono di formare grandi molecole complesse essenziali per la vita. Un atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza e può quindi completare il guscio stringendo 4 legami covalenti. È particolarmente adatto a fare da scheletro poiché i suoi legami sono forti e possono essere rotti solo dalle cellule.

Gruppi funzionali cambiano le caratteristiche di una molecola organica sostituendo uno o più atomi di idrogeno. Determinano a quali tipi di reazioni chimiche i composti possono partecipare. I gruppi funzionali polari e ionici sono idrofilici perché associati saldamente con le molecole polari dell’acqua. Le proprietà delle principali classi di composti organici, carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici, sono la conseguenza dei diversi gruppi funzionali che possiedono. Conoscendo quindi i gruppi funzionali presenti in un composto chimico, si può prevedere il suo comportamento.

• Gruppo metilico: R-CH₃
• Gruppo ossidrilico: R-OH è polare per la presenza di un atomo di ossigeno fortemente elettronegativo.
• Gruppo carbonilico: costituito da un atomo di carbonio che lega con un doppio legame covalente un atomo di ossigeno. È polare per l’elettronegatività dell’ossigeno e quindi anche idrofilico. La sua posizione all’interno della molecola.