Appunti esame anatomia comparata

Il phylum dei cordati

I cordati rappresentano un phylum di animali comprendente organismi di diversa forma e complessità quali i vertebrati, che rappresentano un subphylum del phylum dei cordati. I cordati comprendono circa 70.000 specie e sono caratterizzati da una tipica organizzazione corporea: infatti, possiedono dorsalmente un sistema nervoso centrale tubulare al di sotto del quale si trova la notocorda o corda dorsale, una struttura di sostegno da cui deriva il nome del phylum; ventralmente si trova il canale digerente che presenta una regione detta regione faringea in cui sono presenti le fessure faringee.

Subphylum dei vertebrati

I vertebrati sono un subphylum dei cordati comprendente circa 65.000 specie di cui la metà è rappresentata da organismi acquatici e l’altra metà è invece costituita da organismi adattati alla vita terrestre ossia dai tetrapodi. Tra gli organismi adattati alla vita acquatica abbiamo gli agnati, ossia un gruppo di organismi acquatici primitivi, i condroitti caratterizzati da un endoscheletro cartilagineo e gli osteitti caratterizzati da un endoscheletro osseo. Tra gli organismi adattati alla vita terrestre abbiamo gli anfibi, i rettili, gli uccelli e i mammiferi.

Distinzione tra modelli acquatici e terrestri

I vertebrati, detti anche craniati o cranioti, hanno un piano corporeo simile a quello dei cordati: distinguiamo infatti un sistema nervoso centrale in posizione dorsale e la notocorda presente a livello embrionale verrà sostituita da un endoscheletro caratterizzato da un cranio in posizione cefalica e da una colonna vertebrale. Nell’ambito dei vertebrati distinguiamo quindi due modelli: il modello acquatico e il modello terrestre.

Gli organismi adattati alla vita acquatica hanno tutta una serie di caratteristiche anatomiche che permettono la vita in questo ambiente. Hanno quindi un corpo affusolato e liscio per vincere la resistenza dell’acqua che è un mezzo denso in cui muoversi, hanno delle pinne come organi locomotori ed infine hanno un sistema respiratorio branchiale. Le branchie permettono di regolare gli scambi gassosi tra l’acqua e il sangue.

Lo stesso ragionamento vale per gli organismi adattati alla vita terrestre. Infatti, questi organismi avranno tutta una serie di caratteristiche come la presenza di arti in grado di sostenere il corpo in un contesto quale la terraferma in cui non c’è la spinta idrostatica dell’acqua ma anzi c’è la forza di gravità. Inoltre, il sistema respiratorio è imperniato sui polmoni che permettono gli scambi gassosi tra l’aria e il sangue.

Amnioti e anamni

Rettili, uccelli e mammiferi sono definiti collettivamente amnioti in quanto possiedono delle strutture embrionali ossia gli annessi embrionali che sostengono lo sviluppo embrionale in animali adattati a vivere sulla terraferma. Uno di questi annessi che dà il nome al gruppo è l’amnios. Invece, vertebrati come anfibi e pesci (eccezione pesci cartilaginei) sono definiti anamni in quanto non dotati di questi annessi.

Per precisione si ricorda come i tetrapodi con l’eccezione degli anfibi sono ritornati a vivere con alcune linee evolutive in un contesto acquatico. Ad esempio, abbiamo i cetacei, i pinguini e le tartarughe marine.

Varietà e importanza dei vertebrati

I vertebrati sono animali molto vari dal punto di vista del range dimensionale. Basti considerare le balene che pesano fino a 160 tonnellate e specie piccolissime, come il geco del Marocco, che pesano appena 2 mg quando sono pienamente mature. Inoltre, i vertebrati rappresentano la nostra principale fonte di proteine animali. Noi stessi, Homo sapiens, siamo vertebrati e deriviamo dai primati.

Anatomia comparata

L’anatomia comparata è lo studio degli adattamenti dei vertebrati nel corso della loro storia evolutiva, attraverso l’analisi comparativa della forma e della funzione dei sistemi o apparati anatomici.

Organizzazione gerarchica della materia vivente

La materia vivente ha una organizzazione gerarchica. Al livello più basso di questa organizzazione vi sono gli atomi, costituiti da particelle subatomiche. Essi si aggregano formando molecole, cioè piccole unità costituite da due o più atomi, uguali o diversi. Al livello superiore di organizzazione le molecole possono interagire tra loro e creare strutture complesse ed organizzate: le cellule. Da esse ha origine la vita. Quando le cellule si organizzano tra loro danno vita ad un tessuto; più tessuti diversi che cooperano costituiscono un organo; più organi che interagiscono tra loro costituiscono un apparato. Un organismo è un insieme di apparati che interagiscono tra loro. Tanti organismi che vivono insieme in una stessa zona e cooperano tra di loro formano una popolazione; più popolazioni formano una comunità; l’insieme delle comunità genera poi un ecosistema. L’ultimo livello di organizzazione è la biosfera: quella parte di pianeta in cui sono presenti esseri viventi.

Il metodo comparativo

Il metodo comparativo consiste nel confronto di strutture simili in organismi diversi allo scopo di chiarirne il significato funzionale e l’origine evolutiva. Infatti, come disse Ruffini, la forma è l’immagine plastica della funzione. Una colonna ha la funzione di sostegno. Il femore che ha una forma colonnare ha quindi la stessa funzione di sostegno.

Correlazione delle parti

Cuvier è considerato uno dei padri fondatori dell’anatomia comparata. Alla base del suo pensiero c’è il principio di correlazione delle parti: in un apparato anatomico ogni organo è correlato agli altri e tutti agiscono in modo integrato per il funzionamento del corpo. Un esempio è dato dalla correlazione tra la dentatura di un erbivoro e il suo intestino. L’intestino di un erbivoro sarà infatti sicuramente più lungo di quello di un carnivoro. La cellulosa è infatti molto difficile da digerire. Le strutture anatomiche sono spesso una rielaborazione di strutture preesistenti. Le diverse fasi evolutive lasciano quindi una traccia nella morfologia dei vertebrati.

Il metodo comparativo supera i confini della morfologia e può infatti essere applicato allo studio del genoma o allo studio di sequenze nucleotidiche: possiamo confrontare il cariotipo umano con quello di una scimmia e possiamo paragonare diverse sequenze di DNA attraverso l’allineamento delle sequenze che ci permette di costruire degli alberi evolutivi.

Il metodo comparativo ci permette anche di spiegare da dove nascono certi comportamenti tipicamente umani come il bacio. Il bacio è una ritualizzazione di un comportamento che è legato alle cure parentali. Nella fase di svezzamento la mamma mastica il cibo e poi lo offre al piccolo.

L’anatomia comparata ci aiuta a capire chi siamo e da dove veniamo. Qual è il posto dell’uomo nella natura? “La struttura dell’uomo sarebbe del tutto incomprensibile se non esistessero gli animali. Infatti, solamente studiando la struttura degli animali possiamo comprendere l’organizzazione di quello fra i viventi che occupa il posto più elevato nel regno animale, vale a dire l’uomo” (Buffon, parafrasando Aristotele).

Questa materia ha anche una spendibilità pratica. In ambito forense, una buona conoscenza dell’anatomia animale può essere utile sulla scena di un crimine (o presunto tale). In medicina, la comparazione con l’uomo consente di individuare modelli animali per la sperimentazione medica.

Metodi dell’anatomia comparata

Occupiamoci ora dei metodi dell’anatomia comparata. Il metodo principe dell’anatomia è la dissezione ossia la pratica di sezionamento di un organismo vivente per analizzarne la struttura interna. Una bolla del papa Sisto IV (1482) permise di praticare la dissezione dell’uomo che era da secoli proibita (a patto che si trattasse di un corpo esanime di un criminale giustiziato). Il corpo umano era infatti considerato inviolabile. Per studiare il sistema scheletrico si possono allestire dei preparati a secco. Questa pratica consiste nel rimuovere i tessuti molli tramite bollitura per poi ricostruire i rapporti articolari fra le ossa e lo scheletro.

Altra tecnica è la colorazione istochimica che mette in evidenza le sostanze chimiche contenute nei tessuti e la loro posizione. L’alizarina è un colorante rosso che si lega ai sali di calcio. L’alcian blu si lega ai proteoglicani della matrice extracellulare.

Le tecniche radiologiche, nate a fine Ottocento, permettono di imprimere su una lastra il profilo dello scheletro degli animali. Gli sviluppi recenti delle tecniche radiologiche hanno reso possibile la mappatura in tempo reale delle aree funzionalmente attive a livello del SNC somministrando sostanze marcate come isotopi radioattivi non nocivi. Altre tecniche sono quelle di ricostruzione 3D attraverso software che permettono di ricostruire l’aspetto di strutture anatomiche complete a partire da pochi frammenti ossei scoperti dai paleontologi.

Oggi, grazie alle attuali conoscenze sull’organizzazione del genoma è possibile analizzare e comprendere la base genetica dei cambiamenti nel piano corporeo.

Evoluzione e unità del piano corporeo

La straordinaria varietà morfologica dei vertebrati è però “bilanciata” da una profonda unitarietà del loro piano corporeo, come l’anatomia comparata ha evidenziato fin da epoche pre-evoluzionistiche (vd. scheletro uomo e uccello). Ma come è possibile spiegare ciò? Il primo scienziato ad occuparsi di questa domanda fu Aristotele (IV sec. a.C.). Infatti, Aristotele fu il primo che tentò di classificare gli organismi individuando gli enaima ossia i vertebrati (animali con sangue) e gli anaima ossia gli invertebrati (animali senza sangue).

Nel mondo antico la dissezione del corpo umano era vietata. Per questo motivo l’attenzione era posta sugli animali. Il medico Galeno di Pergamo si dedicò allo studio dell’anatomia degli animali per estendere i risultati a quella umana, poiché l’uso dei cadaveri per la dissezione era proibito. Dopo la bolla del papa Sisto IV si perse l’interesse sugli animali e ci si dedicò allo studio dell’anatomia umana. Leonardo (1452-1519) praticò moltissime dissezioni che gli permisero di produrre delle bellissime tavole anatomiche. Queste tavole avevano però un valore prettamente artistico.

Secondo Vesalio (1514-1554) l’anatomia doveva essere verificata e riscritta (rispetto a quella di Galeno derivata dall’anatomia degli animali) a partire da osservazioni accurate del corpo umano. L’interesse verso il mondo animale rinacque nel Settecento con Goethe. Goethe coniò il termine “morfologia”, osservò corrispondenza fra il cranio dei mammiferi e quello umano e propose la “teoria vertebrale” del cranio.

L’anatomia comparata ha avuto un grande sviluppo in Germania con Meckel, scopritore della cartilagine che porta il suo nome. Owen (1804-1892) si occupò dei principi per riconoscere uno stesso organo in specie diverse e sviluppò i concetti di omologia e analogia. Si occupò anche di paleontologia e coniò il termine “dinosauro”.

Nessuno di tutti questi autori è riuscito però a spiegare il perché di questa profonda unitarietà del piano corporeo dei vertebrati nonostante la loro straordinaria varietà morfologica. Solo con Darwin (1809-1882) si ebbe una risposta a questa domanda. Tale unità nella diversità è infatti una conseguenza del processo evolutivo che si realizza tramite un progressivo allontanamento da un antenato comune.

L’evoluzione è infatti la discendenza con modificazioni. Il progenitore comune ha trasmesso a tutti i discendenti uno schema unitario di base che è riconoscibile. L’evoluzione è un fatto: la nozione che la vita si sia modificata nel tempo è altrettanto affidabile di qualsiasi altro fatto scientifico.

I fossili svelano il fatto dell’evoluzione in quanto ci permettono, grazie agli sforzi dei paleontologi, di seguire il percorso che per esempio ha portato animali terrestri attraverso varie forme transizionali che si sono poi adattate alla vita acquatica (vd. cetacei). L’ontogenesi fornisce delle utili evidenze dell’evoluzione come fatto. Di ciò si accorse il ricercatore tedesco Haeckel secondo cui l’ontogenesi e quindi lo sviluppo embrionale ricapitola la filogenesi ossia la storia evolutiva.

Anche la biologia molecolare svela il fatto dell’evoluzione così come la distribuzione geografica degli organismi. Darwin non si limita a parlare del fatto dell’evoluzione ma cerca di spiegare anche i meccanismi con cui avviene l’evoluzione. Propose la teoria della selezione naturale come il principale motore dell’evoluzione.

Spesso le evidenze scientifiche entrano in conflitto con il senso comune: basti pensare al fatto che la Terra ruota o al fatto che la vita non è statica. L’evoluzione richiede infatti moltissimo tempo. Il tempo profondo fa riferimento alla consapevolezza della enorme profondità del nostro passato naturale. L’origine dell’universo con il Big Bang risale a 14 miliardi di anni fa. La Terra ha circa 4 miliardi di anni. L’essere umano risale a circa 200.000 anni fa.

Illuminismo e teoria dell'evoluzione

Gli ideali dell’Illuminismo (XVIII secolo) mettono in discussione la concezione di una società statica, feudale, d’impronta medievale, e affermano la fiducia nella capacità intrinseca di progredire dell’uomo. Proprio questa visione “evolutiva” delle capacità umane si riflette sulle prime idee e teorie di cambiamento del mondo naturale.

Nella teoria di Lamarck la natura è soggetta a leggi proprie e autonome che determinano un cambiamento delle specie nel tempo. Secondo Lamarck, che sosteneva l’eredità dei caratteri acquisiti, tale cambiamento segue un progetto, un disegno insito nella natura stessa, che porta a un graduale perfezionamento degli organismi generando forme via via più complesse. Questo adattamento è il risultato dell’uso o del disuso di un determinato organo: un organo si sviluppa quanto più è usato e regredisce quanto meno è sollecitato. Gli adattamenti che l’organismo acquisisce durante il corso della vita vengono trasmessi ereditariamente ai propri discendenti secondo il principio dell’eredità dei caratteri acquisiti.

Contributi di Weismann e Darwin

Weismann (1834-1914) dimostrò l’impossibilità teorica della trasmissione dei caratteri acquisiti. Sottopose al taglio della coda generazioni e generazioni di topi e osservò che i topi continuavano a nascere con la coda. Egli formulò quindi il principio della separazione della linea germinale da quella somatica. I cambiamenti che influiscono sul soma non hanno effetto sulla linea germinale che risiede nelle gonadi da cui prende avvio la generazione successiva. Solo i cambiamenti a carico della linea germinale possono essere trasmessi alla prole. Il principio della separazione della linea germinale da quella somatica è confermato dal dogma della biologia. Lo stato di attivazione di un gene può essere trasmesso alla prole. Questo è il campo dell’epigenetica. C’è quindi una ereditarietà dei caratteri sia a livello delle sequenze nucleotidiche sia a livello dello stato di attivazione di un gene.

Charles Darwin (1809-1882) fu un naturalista, geologo e biologo inglese noto soprattutto per i suoi contributi alla scienza dell’evoluzione. La sua teoria evoluzionistica è tutt’ora un punto di riferimento imprescindibile. Il suo pensiero scientifico fu condizionato molto dal contesto storico in cui ha vissuto: la Rivoluzione Industriale. Molte fabbriche e attività venivano avviate ma poche riuscivano a sopravvivere alla concorrenza. In quegli stessi anni, l’economista Adam Smith sottolineava l’importanza della competizione e il suo ruolo chiave nello sviluppo economico mentre il sociologo Thomas Malthus fu il primo a mettere in evidenza il fatto che la crescita umana è limitata dalle risorse disponibili. Darwin fece suoi questi concetti e li applicò al mondo naturale. Infatti, in natura gli organismi competono e concorrono per le risorse, che sono limitate (i fattori abiotici sono i fattori non viventi e quindi tutte le caratteristiche che influenzano la vita dell’ambiente, come la quantità di luce e di acqua, la temperatura, la pressione, il tipo di suolo; i fattori biotici sono i fattori viventi ossia tutti gli organismi, animali e vegetali, che popolano l’ambiente).

Sin da piccolo Darwin era un appassionato della natura, era un collezionista di piante e animali. Nacque da una famiglia benestante e campò di rendita senza dover mai lavorare. Il padre e il nonno erano infatti medici. Lui stesso era stato avviato alla carriera medica e studiò all’università di Edimburgo. Era però molto sensibile e impressionabile. Lasciò quindi la medicina e andò a studiare teologia a Cambridge. Qui si distinse soprattutto nelle materie biologiche. Anche i futuri preti dovevano avere una formazione naturalistica. Infatti, secondo la convinzione della Natural Theology, per rafforzare la fede bisognava studiare la natura.

Gli organismi viventi nella loro apparente perfezione sembrano essere stati progettati da Dio. L’analogia dell’orologiaio, o “the argument from design”, è un argomento teleologico utilizzato per sostenere l’esistenza di Dio. Sotto forma di un’analogia, l’argomentazione dichiara che l’esistenza di un prodotto implica un progettista. Il suo professore di botanica lo indicò come naturalista di bordo del Beagle. Per ben 5 anni, invece dei 2 previsti, Charles Darwin viaggiò intorno al mondo a bordo del Beagle (1831-1836). A bordo c’era anche il pittore.

Nei suoi viaggi, Darwin comincia a pensare che gli organismi si modifichino nello spazio e nel tempo. La modificazione nello spazio può essere una conseguenza dell’isolamento geografico. L’isolamento geografico è legato alla presenza di barriere naturali preesistenti quali montagne, deserti, mari, fiumi. Quando due popolazioni di individui della stessa specie si trovano in condizioni di isolamento, le nuove condizioni ambientali favoriscono l’adattamento.