Zoologia (osteitti, condroitti, rettili, anfibi, canali di comunicazione e sensoriali: elettrorecezione, ecolocazione ecc; genetica di conservazione)

Zoologia: storia della biologia

Dopo Galeno

Dopo Galeno (130-200 d.C.) l'impostazione anatomica della medicina fu abbandonata; divenne studio di indole farmacologica, in cui la cura delle malattie avveniva tramite decotti di erbe e purghe poiché le religioni monoteistiche (ebraismo, cristianesimo ed islamismo) ritenevano un sacrilegio la dissezione del corpo umano. Questo perché il corpo umano doveva presentarsi integro al giudizio divino, venne perseguitata ogni forma di studio dell’uomo che ricorresse alla dissezione della integrità biologica del corpo umano.

Lo studio anatomico del corpo umano venne riabilitato dall’Università di Bologna (attorno al 1200 d.C.) nella facoltà di Legge, in quanto l’autopsia era di frequente il mezzo migliore per determinare la causa della morte, si trovò il modo di giustificare legalmente la dissezione del corpo umano. Per questa via di accettazione legale, la scuola di medicina di Bologna e poi di Salerno, iniziarono a sviluppare la moderna anatomia, che fu l’inizio della rinascita del sapere biologico.

Leonardo da Vinci e l'evoluzione del pensiero anatomico

Leonardo Da Vinci indagò il corpo umano utilizzandolo nell’arte e studiandone i vari organi; la fase della biologia-anatomica portò a varie scoperte tra cui quella di William Harvey (1578-1657): studiò la circolazione del sangue e verificò che i polmoni purificano il sangue venoso in arterioso, il cuore diviene una pompa meccanica per la circolazione del sangue e perse tutti quegli attributi vitalistici, che ne facevano centro di attività animate, quali gli affetti e le sensazioni d’amore o di odio caratteristiche fondamentali del comportamento degli esseri viventi.

Scoperte microscopiche e classificazione tassonomica

Dopo la scoperta del microscopio da parte di Anton Van Leuwenhoek (1632-1723) furono scoperti gli spermatozoi e gli ovuli, sia della specie umana che degli animali e delle piante sessuate e la loro struttura cellulare; prima di queste scoperte la generazione di una nuova vita si riteneva "spontanea", in quanto nell’aria e negli elementi terreni si ritenevano esistenti influssi vitali, di non ben specificata origine, ma che comunque risentivano della influenza delle stelle e dei pianeti quali generatori della vita.

Carlo Linneo (1707-1778) pubblicò una classificazione di animali e piante intitolata "Systema Naturae", che fu considerata un ampio riferimento tassonomico per analizzare le nuove specie che si stavano scoprendo mondo; si notò che il sistema della natura, si sviluppava come se alcuni generi più giovani provenissero da un antenato comune. Però Linneo considerava sacrilego persino il dubbio che le specie potessero evolversi.

Lamarck e la teoria dell'evoluzione

Nell'1800 dopo la rivoluzione francese, la paura di essere considerati sacrileghi era limitata ed il pericolo di condanna per eresia era divenuto solo un retaggio del passato; in tale contesto storico Lamark (1744-1829) introdusse per il concetto di "evoluzione: ereditarietà dei caratteri acquisiti dall’ambiente". Lamark citò il caso delle giraffe, ritenendo che il collo lungo potesse essere attribuito ad un adattamento ambientale, là dove le giraffe erano costrette a brucare foglie di alberi mediamente alti della savana.

Con la pubblicazione nel 1809 dell'opera "Philosophie zoologique", Lamarck giunse alla conclusione che gli organismi, così come si presentavano, fossero il risultato di un processo graduale di modificazione che avveniva sotto la pressione delle condizioni ambientali.

Presupposti scientifici di Lamarck

• Le cause dei fenomeni vitali vanno cercate nella composizione chimica della materia vivente;
• La scienza è solo scienza di processi continui regolati da leggi;
• La scienza può essere solo scienza della causalità deterministica.

Concetti della teoria evoluzionista di Lamarck

• La grande varietà di viventi: poche specie fossero riuscite a rimanere immutate nel corso del tempo;
• Uso / non uso degli arti: specie avevano sviluppato gli organi che permettevano di sopravvivere/adattarsi all'ambiente (es. giraffa);
• L'ereditarietà dei caratteri acquisiti: le specie trasmettevano i caratteri acquisiti ai discendenti.

La teoria evoluzionista successiva ha abbandonato in parte la teoria lamarckiana per quanto riguarda l'ereditarietà dei caratteri acquisiti: gli adattamenti conseguiti da un singolo animale nel corso della sua vita non si possono trasmettere ereditariamente perché non modificano il patrimonio genetico dell’individuo.

Lamarck fu il primo scienziato a propugnare una teoria evoluzionista che affermava la mutazione delle specie nel corso del tempo (idea che sarà poi ripresa da Charles Darwin); Lamarck portò la biologia fuori dal creazionismo e fondò una prospettiva dinamica della storia della natura.

Darwin, Wallace e l'evoluzione

Allo stesso tempo altri due ricercatori naturalisti inglesi Charles Robert Darwin e Alfred Russel Wallace si resero conto che l’evoluzione delle specie era concepibile e ritennero che l'evoluzione fosse il risultato di una successione di mutazioni interne a ciascuna specie, le migliori delle quali venivano selezionate dal cambiamento delle condizioni ambientali.

Cuvier e le sue teorie

All’inizio dell’800 vi era il francese Cuvier che pubblicò le “Leçons d’anatomie comparée”, in cui presentò il suo principio della “correlazione delle parti”: l’anatomia di ogni organo è collegata a tutti gli altri organi e le loro caratteristiche funzionali e strutturali sono il risultato delle interazioni con l’ambiente.

Inoltre, secondo Cuvier, le funzioni e le abitudini di un animale determinano la sua forma anatomica; Cuvier sosteneva anche che le caratteristiche anatomiche che distinguono gruppi di animali sono l’evidenza che le specie non sono cambiate dal momento della Creazione. Ogni specie, secondo Cuvier, è stata creata per un suo speciale scopo e ogni organo per la sua specifica funzione; nel negare l’evoluzione, Cuvier fu in disaccordo con la visione di Lamarck, che pubblicò la sua teoria dell’evoluzione nel 1809.

Teoria moderna, evoluzione e convergenza evolutiva

La legge di Hardy Weinberg (1908) descrive le popolazioni che non si evolvono:

• Le frequenze degli alleli nel pool genico di una popolazione rimangono costanti nel tempo finché non intervengono agenti diversi dalla segregazione mendeliana e dalla ricombinazione degli alleli.

L'equilibrio si perde per:

• Popolazione di piccole dimensioni (deriva genetica)
• Migrazione
• Mutazioni
• Accoppiamento assortativo
• Selezione naturale

Esperimenti di Endler sulla selezione naturale

Emigrazioni ed immigrazioni possono cambiare il pool genico della popolazione; accoppiamento assortativo può alterare l’equilibrio HW. La predazione può causare una selezione naturale dei colori nei guppy?

Esperimento: Endler studiò i guppy selvatici nell’ambiente fluviale in un’isola dei Caraibi; trasferì 200 guppy da vasche contenenti lucci (forti predatori) a vasche contenenti ciprinodontiformi (moderati predatori): registrò il numero di macchie di colori brillanti e la superficie totale di queste macchie sui maschi di guppy per varie generazioni.

Predatore ciprinodontiformi: predano i giovani guppy (che non esprimono i geni dei colori) Guppy: i maschi adulti possiedono colori più vivaci degli esemplari allevati nelle vasche con i lucci. Predatore lucci: preda soprattutto i guppy adulti Guppy: i maschi adulti possiedono colori più uniformi degli esemplari allevati nelle vasche con ciprinodontiformi.

Risultati: dopo 22 mesi (15 generazioni), il numero e la superficie totale delle macchie colorate sui maschi di guppy nella popolazione trasferita erano cresciuti rispetto a quelli della popolazione di origine.

Conclusioni: Endler concluse che il cambiamento della quantità e qualità dei predatori determinava modificazioni (motivi a colori più brillanti) nella popolazione trasferita; in poco tempo si osserva una modificazione evolutiva in questa popolazione.

Selezione naturale

• Direzionale: favorisce una delle varianti estreme
• Diversificante: favorisce entrambe le varianti estreme
• Stabilizzante: elimina le varianti estreme

Polimorfismo bilanciato

Effetti materni: il fenotipo o l’ambiente della madre influenzano direttamente il fenotipo della sua progenie; gli uccelli sono interessanti: le madri concentrano nell’uovo, oltre alle sostanze nutritizie, ormoni vitamine ed anche molecole ad azione immunitaria e battericida.

Darwin e adattamento

Darwin: precoce interesse verso le scienze naturali, nell’ottobre 1825 inizia Medicina ad Edimburgo e conosce il professore Henslow; il 24 agosto 1831, arriva una lettera dal Prof. Henslow: “serve un naturalista per la spedizione del capitano Fitz-Roy, incaricato dal Governo di fare un sopralluogo alla punta meridionale dell’America del Sud”. Dopo un po’ di contrasti con il padre e dopo le perplessità di Fitz-Roy il giovane Darwin (22 anni) viene accettato; il 27 dicembre 1831 il Beagle salpa da Plymouth: osservazioni geologiche e faunistiche, attenzione verso usi, costumi e condizioni sociali delle popolazioni, fauna endemica delle Galapagos è completamente diversa da quella del continente.

Di qui in poi: sistemazione del materiale, inizia il ‘lungo ragionamento’, 5 anni di osservazioni da ‘metabolizzare’; inizia a scrivere il suo libro più famoso per poi pubblicare “L’origine delle specie”. Progressivi attacchi da parte della pubblica opinione; ma anche progressivo aumento dei consensi e sempre nuove prove a vantaggio della teoria evolutiva, dopo pochi anni, l’Origine era tradotta in tutte le lingue europee. Dopo la pubblicazione dell’Origine: seconda rivoluzione copernicana.

Teoria genetica dell'evoluzione

Fisher Haldane Sewall-Wright: teoria genetica dell’evoluzione

• Il darwinismo teorizzava la trasformazione delle specie per accumulo di differenze fisiologiche e morfologiche
• Il mendelismo insisteva sull’ereditarietà di ampie e discrete differenze morfo-fisiologiche
• Prima Hardy Weinberg Castle (’20-’30) avviano la genetica matematica di popolazioni
• Nuovi tratti compaiono per mutazione casuale
• Geni rari possono diventare frequenti per selezione e con la riproduzione formano combinazioni inedite di genotipi

Cordati e Gnatostomi

Negli enterocelomati (DEUTEROSTOMI): due tasche mesodermiche si originano in seguito ad alcune estroflessioni dell'archenteron, il canale alimentare primitivo della gastrula, per poi staccarsi e fondersi formando così due sacchetti celomatici.

Negli Schizocelomati (PROTOSTOMI): celoma si forma per fissurazione del mesoderma (Anellidi, Molluschi, Artropodi). I Cordati si sono evoluti nel Cambriano assieme all’esplosione evolutiva degli invertebrati protostomi; le caratteristiche dei cordati sono:

• Celomati triblastici con simmetria bilaterale
• Notocorda in alcune fasi dello sviluppo
• Cordone nervoso tubolare, semplice e dorsale, che anteriormente forma il cervello
• Fenditure faringee, funzionali o no, in alcune fasi del ciclo
• Coda dopo l’ano
• Sistema circolatorio chiuso con cuore ventrale (eccezione: tunicati)
• La maggior parte hanno endoscheletro cartilagineo o osseo

Notocorda

Sottile struttura formatasi dalla parete del tubo digerente embrionale, posizionata sopra il celoma e sotto il SNC; può flettersi lateralmente, ma non accorciarsi. Serve come organo idrostatico. Negli urocordati e nei cefalocordati persiste o può persistere per tutta la vita adulta come "spina dorsale", mentre nei vertebrati è sostituita dalla colonna vertebrale.

Fenditure faringee

Perforazioni della parete del tubo digerente; possono essere usate per l’alimentazione (filtrazione) o per la respirazione, presenti nell’embrione, possono o no sparire nell’adulto.

Cordone nervoso tubolare dorsale

Derivazione ectodermica, ha neurocele all’interno (cavità ripiena di liquido), coda postanale, prolungamento del corpo che si estende dietro l’ano, originariamente con funzioni natatorie.

Calcichordata

Affinità con gli Echinodermi: teca appiattita, simmetria ‘quasi’ bilaterale, ‘coda’ allungata. Tre phylum di Chordata: Urocordata, cefalocordata, vertebrata.

Urochordata

Tunicati, bentonici e marini; “Tunica”: rivestimento sacciforme, secreto dall’animale, con il 60 % di cellulosa e il 30% di sostanze azotate. Filtratori microfagi: si nutrono di plankton, introdotto nel sifone inalante ed intrappolato nella faringe dal muco prodotto dall’endostilo; sono generalmente filtratori, pochi predatori. Solo la forma larvale possiede i caratteri tipici dei cordati.

Sistema circolatorio

Aperto, circolazione ‘alternante’ (le contrazioni peristaltiche si invertono periodicamente), sangue non trasporta ossigeno. Classificazione: i tunicati sono filogeneticamente più vicini ai Craniati (missine, lamprede, vertebrati gnatostomi) che agli emicordati, agli echinodermi e ai cefalocordati. Tunicata e Vertebrata sono spesso associati in un gruppo detto Olfactores; i tunicati sono circa 3000 specie, divisi in 4 classi:

• Ascidiacea: Sessili, diffusi in tutto il mondo con tunicina (polisaccaride), solitari/sociali/coloniali, ermafroditi con fecondazione esterna; organismi invasivi in porti di tutto il mondo, grandi bio-accumulatori di sostanze tossiche, organismi modello per studi di embriologia. Il cuore alterna il senso di espulsione del sangue.
• Thaliacea: Flottanti, non sessili, filtratori, corpo gelatinoso, trasparente. Salpa ha complesso ciclo vitale. Fase solitaria: si riproduce asessualmente per creare una catena di blastozoidi. Fase coloniale: gli individui nelle catene sono ermafroditi consecutivi (femmine: maschi). Pyrosoma atlanticum: taliaceo coloniale, filtratore planctonico, ‘Corpo di fuoco’ per bioluminescenza.
• Appendicularia Larvacei: Nuotatori pelagici, piccoli filtratori planctonici, nicchio di proteine e cellulosa; il nicchio è cambiato nella crescita, alcune specie lo cambiano ogni quattro ore.
• Sorberacea: Bentonici e predatori, corda anche da adulti, posizione dorsale del ganglio e particolari cellule digerenti, sifone branchiale largo e circondato da sei lobi.

Subphylum: Cephalochordata

Anfiosso o Branchiostoma: Scavano gallerie nelle sabbie e nei sedimenti fini, sessi separati, Notocorda presente in tutta la vita; vivono in fondali sabbiosi lungo le coste, hanno un corpo allungato, compresso lateralmente, con ingrossamento orale e tentacoli.

Sistema circolatorio chiuso, senza cuore: il sangue viene spinto dall’aorta ventrale; sangue senza eritrociti (solo circolazione nutrienti) – Leptocardi, cioè con ‘cuore sottile’. No reni: sistema escretore con nefridi metamerici. Sessi separati: i gameti sono liberati nella cavità atriale e quindi escono dall’atrioporo; fecondazione esterna.

Alimentazione: l’acqua entra dalla bocca grazie al movimento delle cilia, passa attraverso la fenditura faringea dove il cibo resta intrappolato nel muco; l’acqua esce poi dall’atrioporo mentre il muco con il cibo viene inviato al sistema digerente. Filogeneticamente simili ai Craniati ma:

• No cervello o organi di senso sviluppati
• No ci sono muscoli nella faringe
• No ‘cranio’

Evoluzione vertebrati (craniati)

I craniati (vertebrati) hanno specializzazioni particolari nella regione della testa da questo deriva il nome.

Pedomorfosi

Mantenimento di caratteristiche giovanili nello stadio adulto

• Neotenia: i caratteri somatici non sessuali si sviluppano ‘in ritardo’, più lentamente dei caratteri sessuali
• Pedogenesi: i caratteri sessuali si sviluppano con un ritmo più veloce rispetto agli altri

I primi craniati si sono sviluppati per neotenia da altre forme di cordati. Missinoidei o Hyperotreti: Hanno cranio ma non vertebre (scheletro assile), teschio cartilagineo, occhi primitivi, no mandibole ma le strutture che si muovono orizzontalmente con elementi simili a denti di cheratina; predatori di anellidi policheti o più spesso saprofagi, possono sopravvivere mesi senza cibo. No archi branchiali cartilaginei, hanno la capacità di produrre enormi quantità di muco che, a contatto con l’acqua, aumenta di volume e protegge l’animale. Si puliscono dal muco ‘annodandosi’.

Riproduzione

Poco conosciuta, uova con estremità adesiva simile al velcro, no stadio larvale. No gonodotti: gameti espulsi nel celoma.

Petromizonti – Hyperoartia

Anadrome o in acqua dolce, corpo anguilliforme con pinne impari; sono molto sensibili all’inquinamento, distribuiti in tutto il mondo, hanno denti cornei, 7 aperture branchiali, occhi con movimento intrinseco (solo messa a fuoco), ectoparassiti (o filtratori), archi cartilaginei. Le lamprede adulte si orientano per ritornare nei siti di riproduzione grazie alla traccia chimica costituita dai composti acidi biliari delle loro larve; la ventosa che circonda la bocca è rafforzata da una cartilagine a forma di anello e porta numerosi dentelli cornei. La depressione nella ventosa è effettuata da un meccanismo complesso che comprende un dispositivo di pompaggio, il velo, e una rientranza della cavità orale, detta idroseno; la bocca comprende una specie di "lingua", che presenta alcuni ‘pettini’ di denti cornei che possono ruotare perché sorrette da un supporto di cartilagine. La ventosa serve per aderire alle prede ma anche ai massi dei fiumi.

Caratteristiche delle Lamprede

• Ventosa che circonda la bocca, rafforzata da una cartilagine anulare
• Narice in posizione una dorsale-mediana: l’apertura naso-ipofisaria è apertura del naso e di un dotto cieco che collega alcune ghiandole tra cui l’ipofisi
• No scheletro mineralizzato, occhi grandi, 7 aperture branchiali, sessi separati
• Pinne impari: dorsale e caudale, rafforzate da sottili raggi cartilaginei
• Coda ipocerca: asimmetrica con il lembo ventrale più sviluppato di que