Appunti Zoologia

Zoologia: la scienza che studia gli animali

Introduzione alla zoologia

Zoologia: La scienza che ha per oggetto lo studio degli animali. La studieremo dal lato evoluzionistico. I padri della zoologia sono Darwin e Mendel. Grazie a Darwin (postulato di Darwin) abbiamo che:

• Tutti gli animali hanno un antenato comune
• L’ambiente opera cambiamento (selezione naturale)

Ma cosa ci rende diversi? Il DNA. Mendel e i suoi studi di genetica hanno iniziato a darci delle informazioni su questo aspetto. Il concetto fondamentale della biologia evoluzionistica è che: tutto è dinamico; in continuo cambiamento, lento ma c’è evoluzione significa cambiamento.

Teoria dell'evoluzione

L’evoluzione non ha uno scopo, non è buona o cattiva; il più evoluto non è meglio. La teoria di Darwin si basa su 3 concetti:

• Selezione
• Ereditarietà
• Diversità: concetto più importante dato che se non c’è diversità non c’è selezione

L’ambiente ha bisogno di scegliere da una platea di diversità; questa platea è generata dall’ereditarietà (e dal DNA).

Processi cellulari e genetici

Nella cellula, abbiamo 2 processi importanti che c’entrano con il DNA:

• Mitosi che genera cellule geneticamente uguali tra loro quindi è un processo riproduttivo (fa le fotocopie: riproduce). Ci viene insegnata come divisione cellulare perché è contestualizzato nel mondo cito-istologico umano, ma non siamo soli, molti animali si riproducono per mitosi.
• Meiosi che genera cellule con corredo genetico diverso tra loro, e a differenza della mitosi avviene sempre anche quando non ci dobbiamo riprodurre. La meiosi implica anche la "morte", intesa come lo scomparire dell’identità genetica (discontinuità genetica).

I gameti sono tutti diversi tra loro e tutti diversi da tutte le mie altre cellule quindi sono estranei nel mio corpo, mentre la mitosi implica continuità genetica. In che modo la meiosi genera diversità? Grazie a molti processi tra cui la segregazione indipendente, ovvero, i cromosomi non si dividono sempre nello stesso modo ma hanno 2²³ possibilità di divisione. Oltre a questo abbiamo che ogni spermatogono produce 2 spermatozoi diversi e tutti gli spermatozoi sono tutti diversi tra loro.

Genetica e riproduzione

Già così abbiamo moltissima diversità, a questo dobbiamo aggiungere il crossing over. In alcuni casi anche la meiosi genera diversità, grazie agli errori di replicazione del DNA. Il tasso di errore è proporzionale a:

• Lunghezza del DNA
• Numero di replicazioni/ora

Ultima cosa che genera diversità è la presenza di elementi trasponibili (trasposoni). Qualunque sia stato l’inizio di continuità e diversità entrambe dipendono dalla riproduzione.

Tipi di riproduzione

Riproduzione:

• Agamica: asessuata, vengono utilizzate cellule somatiche non gameti
  • Scissiparità
  • Politomia
  • Gemmazione
• Gamica: sessuata, vengono utilizzati gameti
  • Anfigonia: 2 gameti diversi
  • Ermafroditismo: 2 gameti diversi prodotti dallo stesso organismo
  • Partenogenesi: 1 gamete

Gamete: cellula modificata variata geneticamente (con metà del corredo cromosomico).

Specie e biodiversità

Abbiamo detto che la teoria di Darwin si basa su un concetto semplice: la popolazione sulla quale agisce l’evoluzione deve essere diversa; o meglio: il gruppo di animali sui quali la selezione naturale può svolgere la sua opera è composto da individui diversi tra loro e che manifestano caratteristiche diverse (fenotipo uguali ma genotipi diversi, uno dei risultati di Mendel). Questi individui simili ma geneticamente diversi fanno parte della stessa specie: gruppi di animali apparentemente simili.

Definizioni di specie

Definizione diversa a seconda delle considerazioni, nello specifico abbiamo 6 definizioni di specie:

Quindi uno degli elementi che va stressato nella definizione deve essere il rapporto con la diversità all’interno del gruppo legato al fatto che si manifesta nelle generazioni. Non è un caso che la definizione che noi prenderemo è quella biologica e avrà un valore fondamentale.

Definizione biologica di specie

Per noi la specie è: una popolazione di organismi molto simili tra loro in grado di accoppiarsi e dare origine a prole fertile; in fase di trasformazione durante il suo movimento nello spazio e nel tempo. Abbiamo bisogno di questa definizione biologica perché dobbiamo far comprendere all’interno il fatto che esistono delle uguaglianze tra gli individui della stessa specie.

Nella seconda parte della definizione, parla di trasformazione perché tutte le volte che si genera un individuo della stessa specie creo un qualcosa di geneticamente nuovo, i figli sono diversi geneticamente dai genitori, questo significa che generazione dopo generazione qualcosa nella specie cambia e la genetica dei genitori (originaria) diventa la genetica dei figli. Quindi tutte le volte che c’è riproduzione (gamico) la genetica cambia; più generazioni passano più questa genetica cambia, per questo "cammina nel tempo".

Speciazione

Dando tempo alla popolazione si consolidano delle variazioni genetiche (allontanamento dal corredo cromosomico di partenza) e otterremo due specie diverse; attraverso il fenomeno della speciazione: il processo evolutivo per cui, da una specie originaria derivano due o più specie diverse.

Speciazione può essere:

• Allopatrica: L’ostacolo al flusso genico è determinato da separazione geografica. È graduale.
  • Vicarianca: la separazione geografica è dovuta ad eventi geologici (deriva delle placche) che frantumano l’areale della specie (esempi: masse continentali che si allontanano l’una dall’altra; placche che collidono determinando l’insorgere di catene montuose).
  • Migrazione: la separazione geografica è dovuta ad eventi climatici, che causano la migrazione della specie sul territorio, con conseguente separazione fra popolazioni che migrano in aree diverse.
  • Dispersione: la separazione geografica è dovuta a una migrazione (es.: uccelli) o a trasporto passivo (es.: semi) fortuito a grande distanza (esempio: la colonizzazione delle isole oceaniche).
• Simpatrica: L’ostacolo al flusso genico è determinato da caratteristiche morfologiche, etologiche, o funzionali. È improvvisa (es. poliploidia, mutazioni varie).

Quindi qualunque barriera (anche non fisica) che stabilisca ostacolo all’attività di rimescolanza genica tra due individui, è un inizio per quello che potrebbe portare alla formazione di nuove specie. La barriera può essere:

• Prezigotica: impedisce l’accoppiamento
  • Mancanza di possibilità di accoppiamento
    • Isolamento temporale
    • Isolamento ecologico
  • Incompatibilità di accoppiamento
    • Isolamento meccanico
    • Isolamento gametico
• Postzigotica: impedisce di avere progenie fertile
  • Non vitalità degli ibridi
  • Sterilità degli ibridi
  • Totale disfunzione degli ibridi

Modelli evolutivi

Una volta formate le specie queste possono procedere secondo gli stessi modelli evolutivi. I modelli sono essenzialmente 2:

• Evoluzione convergente: Si verifica quando due o più gruppi che non sono strettamente imparentati, evolvono caratteristiche simili. Ciò è generalmente il risultato dell'occupazione di habitat simili e la risposta a pressioni selettive simili. Ovvero si possono selezionare positivamente strutture analoghe in animali non imparentati (es. ala nei pipistrelli, uccelli e pterodattili).
• Evoluzione divergente: Una specie ancestrale si è evoluta in due specie, che continuano ad evolversi indipendentemente e si differenziano sempre di più nel tempo. Organi diversi tra loro possono avere un’origine comune.

Teoria dell'equilibrio punteggiato

La teoria di Darwin dell’evoluzione, secondo la quale le mutazioni si addizionano è detta gradualismo ovvero la teoria neo-darwiniana, secondo la quale l'evoluzione è il risultato dell'accumulo di mutazioni casuali soggette a selezione, implica necessariamente che l'evoluzione sia un processo graduale e più o meno uniforme nel tempo. Questa teoria ha quindi sempre incontrato un convinto sostegno nei genetisti, che possono verificarne la correttezza negli organismi sperimentali (ad esempio il moscerino Drosophila melanogaster, o la pianta annua Erophila verna).

Ma questa teoria non spiega tutta la diversità. Di questo se ne sono accorti dei paleontologi; Stephen Jay Gould e Niles Eldredge. Infatti, se si osserva la documentazione fossile, non si nota alcuna variazione continua nel tempo.

Al contrario: una certa specie compare negli strati fossili di una certa epoca, rimane invariata per alcuni milioni di anni, ed infine scompare, così improvvisamente come era comparsa. Un altro fatto notevole è che molte specie compaiono contemporaneamente e, dopo un certo tempo (sempre dell'ordine dei milioni di anni) scompaiono contemporaneamente. Dopo un'estinzione di massa, le nuove specie che compaiono non appartengono agli stessi generi ed alle stesse famiglie precedenti l'estinzione, ma rappresentano generi e famiglie nuove. La storia della vita sulla Terra è tutta costituita da questo andamento, di periodi di "equilibrio" piuttosto lunghi, "punteggiati" da improvvise interruzioni.

Teoria degli equilibri punteggiati

Asserisce che:

• Quando nell'ambiente si manifestano importanti cambiamenti (per esempio, il raffreddamento globale che ha accompagnato le glaciazioni), le specie non si modificano, o sopravvivono migrando in altre regioni, o si estinguono.
• Nei lunghi periodi di equilibrio (quando non vi sono variazioni ambientali drastiche), tutte le nicchie ecologiche sono colonizzate, tutte le specie presenti si diffondono nel massimo grado consentito dall'ambiente, e quindi in ogni specie si manifesta competizione, lotta per la sopravvivenza, e selezione naturale (cioè, i ben noti meccanismi "darwiniani").
• Nei periodi di veloce radiazione evolutiva, anche organi (o molecole) pre-esistenti, che svolgevano una certa funzione, possono risultare utili a svolgere funzioni del tutto diverse.

Concetti di adattamento ed exaptazione

A questo proposito concetti essenziali sono quelli di:

• Adattamento: Facoltà degli organismi viventi di mutare i propri processi metabolici, fisiologici e comportamentali, consentendo loro di adattarsi alle condizioni dell'ambiente nel quale vivono. In particolare, l'adattamento è riferito alle modificazioni di una struttura anatomica, un processo fisiologico o un tratto comportamentale di un organismo che si è evoluto in un certo periodo di tempo come effetto della selezione naturale, in maniera tale da aumentare il successo riproduttivo di tale organismo (nelle determinate condizioni ambientali in cui l'organismo si trova).
• Exaptazione: Concetto utilizzato per descrivere un particolare tipo di evoluzione delle caratteristiche degli esseri viventi, ovvero, carattere evoluto per una particolare funzione ne assume una nuova, indipendente dalla primitiva.

L’evoluzione non lavora solo in una direzione, ma in due. I neo-darwinisti sostengono che esistono:

• Macroevoluzione: quella delle famiglie e dei generi, che si manifesta in assenza di competizione e selezione naturale
• Microevoluzione: quella delle specie, con funzione stabilizzatrice (evoluzione darwiniana)

Attraverso questi fenomeni riusciamo a spiegare tutta la diversità ma l’evoluzione è anche altro. È una variazione della genetica di una popolazione.

Popolazione e genetica

Qui consideriamo la popolazione come la più piccola unità biologica in grado di evolvere. Per Theodosius Dobzhansky, sostenitore della sintesi moderna, l’evoluzione è:

• Un cambiamento del pool genico di una popolazione nel tempo
• Un cambiamento nella frequenza di un gene (o allele) nel pool genico di una popolazione di generazione in generazione
• Mutazione ereditaria negli individui nel tempo

Popolazione: un gruppo di individui della stessa specie che vive in un dato momento in una data area geografica e i cui rappresentanti posseggono un comune pool genico.

Pool genico: insieme di tutti gli alleli presenti negli individui che costituiscono una popolazione ed è il risultato dei processi di mutazione e ricombinazione cromosomica.

Specie: un insieme di popolazioni capaci di inter-incrociarsi e separate riproduttivamente da altri gruppi simili.

Gene: unità funzionale dell’ereditarietà. Allele: forma alternativa di un gene.

In una popolazione avremo una serie di mutazioni distribuite secondo una distribuzione gaussiana. Il picco rappresenta il più adatto a sopravvivere. Dal punto di vista genetico significa che l’allele nel picco è il più rappresentato quindi quello che codifica per la variante allelica che meglio si adatta, questo sarà il più trasferito alle generazioni successive e quindi sarà il wild type.

Wild type: mutante più rappresentato; organismo con più fitness.

Fitness evolutiva

Fitness (evolutiva): il successo riproduttivo di un individuo o di un certo genotipo. Si riferisce alla sopravvivenza e alla riproduzione media di una classe di individui: la fitness è pertanto una conseguenza della relazione tra il genotipo di un organismo e l'ambiente in cui vive; in questo modo si capisce che lo stesso genotipo avrà fitness diversa in ambienti diversi. Il successo di un organismo dipenderà dall'ambiente; non esistono genotipi dalla fitness superiore agli altri in tutti gli ambienti.

La distribuzione di alleli in una popolazione è quindi normalizzata in una gaussiana. Studiando questa gaussiana possiamo ottenere 3 diversi processi di selezione:

• Selezione stabilizzante: favorisce il mantenimento di diversi alleli di uno stesso gene all'interno di una popolazione. Selezione naturale di Darwin. Non è sempre stabile ma oscilla intorno ad un punto perché deve normalizzare le frequenze alleliche.
• Selezione direzionale o positiva: favorisce un singolo allele e perciò la frequenza allelica cambia continuamente verso una direzione. La curva si addolcisce in un primo momento (si allarga e aumenta la frequenza degli alleli meno rappresentati), questa poi si rialza favorendo nuovi alleli; a questo punto c’è una selezione stabilizzante sui nuovi alleli maggiormente rappresentati. Si presenta il paradosso dell’evoluzione ovvero, gli organismi tendono al caos (entropia) ma la selezione tende a stabilizzare le frequenze degli alleli. Chiamata positiva perché seleziona positivamente il mutante più adatto e tralascia gli altri.
• Selezione diversificante o distruttiva: si ha il vantaggio dei fenotipi che esprimono alleli posti agli estremi della distribuzione dei caratteri. Si verifica quando abbiamo una separazione fisica (barriera fisica) e vengono favoriti gli alleli meno rappresentati. Dalla popolazione iniziale se ne formano 2 che indipendentemente si stabilizzeranno. Quindi la selezione distruttiva mette le basi per la speciazione.

Meccanismi della microevoluzione

Dal punto di vista genico anche la microevoluzione agisce secondo diversi meccanismi:

• Deriva genica: Cambiamento casuale del pool genico di una popolazione costituita da pochi individui. È la più casuale di tutti e dipende dalla grandezza del campione; con un piccolo numero di individui, una mutazione fortuita causa una deviazione sproporzionata.
• Flusso genico: Una popolazione può perdere o acquisire alleli quando individui fertili lasciano la popolazione o ne entrano a far parte, oppure quando i gameti migrano da una popolazione all’altra. Fondamentalmente le migrazioni. L'effetto globale del flusso genico è quello di aumentare il polimorfismo di una popolazione e, allo stesso tempo, di ridurre le differenze genetiche medie tra le popolazioni. Questo scambio di geni diventa quindi una forza unificante che tende a prevenire che le popolazioni evolvano tra di loro differenze dal punto di vista genetico.

Detto ciò possiamo dire (una cosa che non ti devi dimenticare mai): Qualunque processo sia in grado di generare variabilità genetica prende il nome di processo di sessualità.