Anatomia comparata

Anatomia comparata: evoluzione e adattamenti

L'anatomia comparata è una branca dell'anatomia che utilizza il metodo comparativo per confrontare la forma e le strutture anatomiche di organismi diversi, evidenziandone similitudini e differenze. Non deve essere posta sul piano antropomorfico, non è l'uomo ad essere posto al centro, ma la vita. Si cerca di seguire il percorso fatto nel corso dell'evoluzione, dalle prime forme di vita fino all'uomo. Gli esseri viventi sono estremamente numerosi, motivo per cui ci si limita a studiare le caratteristiche anatomiche di un solo clade, dove con questo termine facciamo riferimento a organismi che si sono originati da un antenato comune (oggetto dell'anatomia comparata sono gli appartenenti al phylum dei Cordata).

Evoluzione dei vertebrati

Il pianeta Terra ha 4,5 miliardi di anni e il primo vertebrato è comparso solo 500/600 milioni di anni fa (la vita è nata nell'acqua). In 500 milioni di anni le varie forme di vita si sono evolute, adattate e hanno colonizzato la Terra piegandola ai propri bisogni. Questo vantaggio è dovuto alla presenza di cibo che ha determinato il loro adattamento in seguito a una sovrappopolazione delle acque.

Nell'evoluzione una struttura non si evolve per una sua funzione, ma la struttura si evolve prima di assumere quella funzione (es. pesci che galleggiano per la presenza di vesciche gassose nel loro corpo. Un certo tipo di vescica gassosa aveva anche la capacità di assorbire i gas e quando i pesci sono usciti dall'acqua è diventato il polmone).

I nostri polmoni sono delle semplici sacche chiuse dentro cui ci sono gli alveoli che consentono gli scambi gassosi; i polmoni degli uccelli sono a forma di tubo e questo insieme ad altri adattamenti consente loro di volare. Ogni adattamento anatomico, strutturale e funzionale si è avuto in rapporto alla loro capacità di volare.

Strutture anatomiche ed evoluzione

L'anatomia comparata non compara solo le strutture anatomiche delle specie esistenti, ma queste devono essere comparate con quelle delle specie estinte così i rapporti di parentela tra le singole potranno essere definiti mediante la costruzione di un albero filogenetico. È chiaro che nel corso dell'evoluzione ai cambiamenti dell'apparato respiratorio siano seguiti dei cambiamenti dell'apparato circolatorio dal momento che sono strettamente connessi.

Una delle prove più importanti dell'evoluzione è la presenza di vasi sanguigni nei pesci polmonati che, quando sono in acqua, consentono loro di usare le branchie e quando poi sono fuori dall'acqua permettono l'utilizzo dei polmoni. L'embrione umano quando è nel liquido amniotico utilizza per non respirare uno di questi vecchi vasi presente nei pesci polmonati, dopo poco la nascita i polmoni cominciano a funzionare e quel vaso sanguigno si occlude e diventa in pochi giorni un legamento.

Le strutture anatomiche si formano durante lo sviluppo embrionale ed è dunque alla base della morfologia degli esseri viventi. Un corretto sviluppo embrionale ci permette di avere una struttura anatomica corretta e il genotipo diventa fenotipo proprio in questa fase. La comparsa di un cambiamento, vedi la pinna che diventa arto, si è dovuta registrare durante lo sviluppo embrionale perché geni che prima portavano alla formazione di una pinna si sono dovuti modificare per guidare la formazione di un arto tripartito. Dunque, l'evoluzione degli esseri viventi si è avuta perché le novità inserite nel genoma, dovute ad esempio a mutazioni, si sono espresse correttamente durante lo sviluppo diventando parte dell'organismo vivente.

Metodi per la ricostruzione dell'evoluzione

Il metodo comparato permette di ricostruire la storia degli organismi e consiste nel confronto di strutture simili in organismi diversi allo scopo di chiarirne il significato funzionale e l'origine evolutiva e ciò permette di costruire la filogenesi. La filogenesi è la storia evolutiva di una specie o di un gruppo di specie, viventi ed esistente, che consente di ricostruire la storia della vita sulla Terra. Per poterlo fare si utilizza la comparazione ma di caratteri veramente simili probabilmente derivati da un antenato comune e, non di quelli che non lo sono (ad esempio sono falsamente simili le ali di un uccello e di una farfalla).

Per la determinazione della filogenesi non sempre le evidenze comparative sono risolutive per cui se ne affiancano altre:

• Anatomiche come le analisi di similarità e differenze tra gruppi di organismi;
• Fossili che sono l'unica risorsa per conoscere i cambiamenti che si sono avuti nel tempo;
• Embriologia comparata che ha l'obiettivo di constatare se le strutture che ci sembrano diverse hanno la stessa origine embrionale;
• Analisi molecolare: similarità e differenze nella struttura di molecole organiche quali proteine o acidi nucleici.

Importanza dei fossili

Si parla di fossil record come dell'unica testimonianza di forme di vita e di habitat e di ciò che è stata la vita nel passato. La formazione di un fossile può avvenire mediante un processo di mineralizzazione attraverso cui si ha una sostituzione e impregnazione delle componenti dell'organismo da parte di soluzioni che depositano all'interno minerali come calcite, siderite, pirite e silice. Altra modalità è la carbonificazione, in particolare per le piante. Tale processo consiste nella rimozione di acqua in assenza di ossigeno da parte di batteri anaerobici, condizione che trasforma i tessuti in sottili pellicole carboniose.

L'incrostazione è un'ulteriore modalità mediante cui si ha un deposito di sali sulla superficie esterna di un organismo che si sta degradando. Anche l'inclusione in ambra consente di mantenere invariate delle strutture, inglobando piccoli animali come insetti e lucertole. Fondamentali sono stati i crani degli ominidi che hanno permesso di ricostruire la filogenesi dell'uomo. Sono fossili guida i fossili di quegli organismi che ebbero una contemporanea e ampia distribuzione dal punto di vista geografico e una durata limitata nel tempo.

La stratificazione delle rocce e la presenza dei fossili in rocce diverse indica che queste hanno la stessa età. Ad esempio, i dinosauri sono scomparsi al termine del Mesozoico e ne siamo certi perché gli strati di rocce che contengono resti di dinosauri arrivano fino a un determinato punto e quando iniziano quelle del Cenozoico non vi è più traccia di questi. Dei trilobiti si ha traccia solo all'inizio del Paleozoico, oltre ai trilobiti vi sono anche ammoniti (Europa, Asia, America). Ogni era ha una serie di fossili guida e solitamente si esprimono per un periodo breve. I fossili sono utili perché ci consentono di ricostruire la storia della vita grazie a una scala geocronologica che non compara solo le strutture anatomiche ma localizza la loro comparsa su una scala temporale. Tale scala geocronologica è stata costruita in base alla documentazione geologica e paleontologica.

La scala geocronologica

La storia della vita sulla Terra è stata suddivisa in ere come il Paleozoico (prime strutture che ricordano i vertebrati), il Mesozoico e il Cenozoico. Il Paleozoico è l'età dei pesci, i vertebrati terrestri si sono evoluti alla fine del Paleozoico e inizio Mesozoico che è l'età dei rettili, al termine di questa è seguita una grossa estinzione di massa a cui ha fatto seguito il Cenozoico che è l'età dei mammiferi. Ogni era è divisa in periodi, ad esempio il Giurassico è un periodo dell'era Mesozoica. Si è reso necessario suddividere le ere, perché in ciascun periodo si colloca l'evoluzione e l'affermazione di una classe di vertebrati, ad esempio il Giurassico è il periodo dei dinosauri e degli uccelli. Le epoche invece, riguardano soprattutto l'evoluzione dell'uomo. Ci si può riferire alla comparsa di un certo gruppo in termini di tempo relativo che comprende ere, periodi ed epoche (es. Giurassico) e di tempo assoluto espresso in milioni di anni (4,5 miliardi di anni per l'età della Terra e 500 milioni di anni per la comparsa del primo vertebrato).

Embriologia comparata e analisi molecolare

Oltre alle evidenze fossili si è già detto che è stata utilizzata l'embriologia comparata e solo in tempi più recenti si è avuta l'analisi molecolare. L'embriologia comparata è stata da sempre oggetto di interesse di naturalisti e scienziati i quali hanno cercato di capire come da una singola cellula, la cellula uovo fecondata, possa venir fuori un organismo complesso e soprattutto perché ciò accade. La definizione di un individuo e la biodiversità che conosciamo è conservata nel materiale genetico di ogni specie. Haeckel è stato un embriologo vissuto tra il 1834 e il 1919. Egli incrociando organismi diversi cercava di seguirne lo sviluppo embrionale e osservando ciò disse: “l'ontogenesi ricapitola la filogenesi”.

L'ontogenesi è la sequenza delle varie fasi di sviluppo dell'organismo dallo stadio di zigote fino alla morte. Con questa frase, Haeckel voleva dire che nei primi stadi di sviluppo tutti i vertebrati sembrano molto simili, ma andando avanti gli embrioni prendono delle identità di specie, assumono caratteristiche uniche della propria classe (es. rettili compaiono le squame, negli uccelli le penne, nei mammiferi i follicoli piliferi). Secondo Haeckel seguendo lo sviluppo è possibile costruire la filogenesi, ma ciò in realtà non è possibile anche se è vero che tutti gli embrioni hanno uno stadio comune. Durante lo sviluppo si formano tre foglietti embrionali che originano l'intero organismo, sia esso vertebrato che invertebrato e sono ectoderma, mesoderma ed endoderma. Tali foglietti daranno origine a organi differenti ma la loro derivazione è costante sia che si tratti di un pesce, di una rana, un pollo o un topo (l'ectoderma formerà sempre la pelle che in un mammifero avrà i peli, una rana avrà una pelle nuda con tante ghiandole ecc).

All'inizio dello sviluppo quando ancora non è possibile determinare l'appartenenza a una classe specifica, c'è uno stadio in cui tutti gli embrioni si assomigliano in cui è possibile osservare un abbozzo di testa, le tasche faringee che nei pesci diventano le branchie, nei vertebrati terrestri formano la parte superiore dell'apparato respiratorio. Quindi è possibile affermare che tutti condividono questa fase definita filotipica durante la quale hanno in comune determinate caratteristiche. Più precisamente lo stadio filotipico è la fase durante la quale gli embrioni di vertebrati pur appartenendo a specie differenti sono indistinguibili. Ciò può suggerire che quando i vertebrati si sono evoluti, lo hanno fatto a partire da un modello di base per cui per essere un vertebrato a livello embrionale si devono avere alcune caratteristiche come tasche faringee, notocorda, struttura di sostegno al corpo, tubo neurale e un accenno di coda.

Fu Von Baer a scoprire e osservare l'esistenza di un pattern di sviluppo comune a tutti i vertebrati. Dal confronto tra uno squalo e un embrione umano si può notare una somiglianza nell'organizzazione dei vasi sanguigni che nello squalo entrano nelle branchie e nell'uomo si trasformeranno in aorta e arteria polmonare. Altra evidenza utilizzata per confermare, ma talvolta anche per ribaltare, delle osservazioni è l'analisi molecolare. Per molto tempo si è pensato che il cranio osseo delle tartarughe indicasse che fossero le più antiche tra i rettili, ma così non è, ed infatti lo ha confermato l'analisi molecolare.

Questa è un'analisi di similarità e differenze e sono queste ultime a suggerire che le specie esaminate vanno poste in punti diversi e per farlo sono utilizzate le molecole organiche come proteine (usate esclusivamente negli anni ’70) e acidi nucleici. È in base al numero di mutazioni e differenze che si cerca di costruire la filogenesi. Il primo ad eseguire questi studi fu Linus Pauling. Studiò la struttura delle proteine e notò che quelle di organismi più vicini differivano per qualche amminoacido, ma le differenze tra gli amminoacidi aumentavano per organismi più distanti tra loro e per tale motivo insieme a Zuckerkandl scrisse: “Molecules as Documents of Evolutionary History”. Ciò è chiaro perché se cambia la morfologia necessariamente cambieranno i geni i quali codificano per proteine.

Effettuò degli studi sull'emoglobina e confrontò quelle di diverse specie. Osservò che allontanandosi dalla specie umana vi erano via via maggiori sostituzioni nella sequenza amminoacidica dell'emoglobina delle diverse specie. L'emoglobina è la proteina che lega l'ossigeno e l'anidride carbonica ma tale funzionalità viene mantenuta in ogni specie, per cui si può dedurre che quelle variazioni amminoacidiche si erano avute nelle porzioni che non determinavano la funzionalità della proteina. Quindi Pauling capì che seguendo le variazioni di molecole funzionali come l'emoglobina, era possibile costruire la filogenesi. Fu di Pauling e Zuckerkandl l'idea di un orologio molecolare (1962) ed era basata sull'osservazione che i tassi di sostituzione amminoacidica nelle emoglobine animali erano approssimativamente proporzionali alle distanze temporali stimate dai reperti fossili.

Oltre le proteine sono state studiate altre molecole come gli RNA 16S e i cromosomi. È stato curioso vedere come anche i cromosomi si modificano in base all'evoluzione e come per specie più vicine filogeneticamente essi diventino più simili. A sinistra ci sono i cromosomi umani presenti in numero di 46, mentre negli scimpanzé se ne hanno 48. Mediante la tecnica chiamata bandeggio G si è cercato di capire come sia stata possibile la riduzione a 46 nell'uomo. Il bandeggio G permette la formazione di bande lungo tutto il cromosoma. Il cromosoma 1 è identico nell'uomo e nella scimmia, osservando il 2, si vede che fondendo i due cromosomi dello scimpanzé si ottiene il cromosoma 2 dell'uomo.

Confronto tra specie e mutazioni genetiche

Altra osservazione condotta è quella relativa alla proteina del latte, prodotto da tutti i mammiferi. Sono stati confrontati in questo caso, circa 60 nucleotidi della sequenza del gene che codifica per una proteina del latte. Si è visto che ha delle sequenze conservate in molti mammiferi, ma vi è una mutazione comune, in balene e ippopotami in posizione 166 con la sostituzione di una citosina al posto di una guanina la quale è presente invece, nelle sequenze di tutti gli altri messi a confronto. Tale mutazione presente nei cetacei e negli ippopotami ha suggerito che i cetacei sono derivati da vertebrati terrestri simili agli ippopotami, che stando in acqua hanno perso l'uso degli arti e si sono adattati completamente all'ambiente acquatico.

Oggi per studiare la filogenesi si utilizza una nuova scienza che mette insieme l'anatomia comparata e la biologia dello sviluppo che prende il nome di Evo-Devo (Evolution and Development), ovvero si studia lo sviluppo come base dell'evoluzione. Si cerca di capire quali geni portano alla formazione di certe strutture e perché queste variano nel tempo. Con l'analisi genica e dello sviluppo si è capito che gli stessi geni che determinano la formazione di una squama di un rettile, se subiscono solo una modificazione quantitativa e temporale della loro espressione possono portare alla formazione di una pinna. Gli studi evo-devo sottolineano come le variazioni nei geni dello sviluppo siano importanti nell'evoluzione delle strutture morfo-anatomiche. Quando da un dinosauro si è passati ad un uccello è perché si sono avute modificazioni dei geni dello sviluppo.

Nell'evoluzione dei primati ci sono state tante modificazioni fino ad arrivare al cranio dell'uomo. Dal confronto, passando dal cranio di Australopithecus afarensis (Lucy) a quelli più vicini a noi, si vedono dei cambiamenti soprattutto nelle proporzioni tra la parte facciale e la capacità cranica e, chi determina ciò sono proprio i geni dello sviluppo che durante lo sviluppo embrionale guidano la formazione del cranio e all'interno, del cervello. Qui vi è un confronto tra Homo sapiens e Homo neanderthalensis. Quest'ultimo ha un'elevata capacità cranica, che non è stata di successo, e porzione frontale molto più ridotta rispetto a Homo sapiens. Probabilmente Homo neanderthalensis mancava di alcune capacità cognitive che sono state alla base dell'evoluzione di Homo sapiens.

Altro esempio tipico di mutazione avuta durante lo sviluppo è quello dell'arto di cavallo. Durante lo sviluppo i geni che guidano la formazione dell'arto hanno subito delle modifiche determinando la riduzione del numero delle dita, poi della lunghezza fino all'atrofizzazione delle ultime due e così tutto il piede è arrivato a reggersi sull'unico dito rimanente. Chi ha permesso di confermare tutto questo, sono stati i fossili. Orohippus con quattro dita ridotte, Miohippus con tre dita, Hipparion con un unico dito e due accenni di dita, fino ad Equus. Se non fossero stati trovati i fossili, tutto questo sarebbe rimasta solo un'ipotesi. Grazie ad essi, insieme alle evidenze anatomiche e molecolari è stato possibile costruire l'evoluzione filogenetica del cavallo. La biodiversità che oggi conosciamo ha richiesto milioni di anni, solo in seguito a una serie di modificazioni a livello genetico che si sono espresse nella varietà morfologica che oggi possiamo osservare.