Zoologia - Zoologia generale e Phylum

Zoologia generale

Tra i vari problemi che hanno sempre caratterizzato lo studio degli animali ne possiamo ritrovare 3 principali perché coinvolgono la nostra stessa specie e implicano anche concetti filosofici essenziali: problema della classificazione, problema della riproduzione, problema dell'origine e dell'evoluzione degli organismi.

Classificazione

Aristotele divideva gli organismi in sanguigni e non sanguigni. Cesalpino divideva le piante in utili e non utili (per l'uomo). Kart von Linee (Linneo) ideò il Systema Naturae, una pietra miliare nella classificazione botanica.

Ricerca sull’ontogenesi dell’individuo

Teoria della preformazione: l’individuo è già formato fin dalla sua origine nel seme dei genitori. Teoria dell’epigenesi: l’organismo si forma gradualmente nel corso dello sviluppo mediante la successiva formazione di nuove parti. Leewenhoek sviluppò il primo microscopio e individuò gli spermatozoi, K. von Boer individuò la cellula uovo nei mammiferi.

Principali biologi/scienziati sul problema della generazione spontanea

Francesco Redi (1626-1694) confutò la teoria della generazione spontanea degli insetti; Spallanzani sulla generazione spontanea degli Infusori; Pasteur sui batteri.

Problema dell’origine e dell’evoluzione delle specie viventi

Per molto tempo non si dava nessuna importanza all’esistenza dei fossili, fino a Buffon, fondatore della zoogeografia. Successivamente, grazie alle teorie di Lamarck, venne introdotta una prima teoria sull’evoluzione degli esseri viventi. Saint-Hilaire postulò che l’ambiente influisce direttamente sul cambiamento organico, dando vita a specie embrionali (variabilità delle specie). Cuvier, fondatore della paleontologia, riteneva le specie embrionali e imputò a catastrofi la “instabili” scomparsa di forme di vita. Schleiden (botanico) ipotizzò la teoria cellulare, ovvero che la cellula è l’elemento base di ogni essere vivente. Lyell ampliò il concetto di Hutton, secondo il quale tutto ciò che accade adesso sulla terra non differisce da quello che è già accaduto in passato.

Il vero cambiamento che permise di vedere l’evoluzione degli organismi viventi sotto un altro aspetto fu la teoria dell’evoluzione di Charles Darwin e Robert Wallace, i quali dissero che le specie si evolvono per “naturale” selezione.

Teoria dell’evoluzione per selezione naturale

Nel suo viaggio alle isole Galapagos, Darwin riuscì a formulare delle teorie riguardo l’evoluzione osservando direttamente l’aspetto degli animali del posto. Notò che tra membri della stessa specie esiste una notevole variazione almeno per alcuni tratti particolari; alcuni di questi sono ereditabili, ovvero vengono trasmesse ai figli; la produzione dei figli da parte di alcune specie di animali è molto alta ma di solito la popolazione non varia di molto. Quindi molti muoiono prima di riprodursi; a causa di questi attributi ereditabili alcuni individui risultano più adatti a sopravvivere all’ambiente, ai predatori, alla competizione con i membri della stessa specie ecc. Questi esemplari tendono inoltre a lasciare figli più simili a loro nelle generazioni future. La teoria a riguardo più famosa di Darwin è quella sulla giraffa.

Differenza Darwin/Lamarck riguardo la giraffa

Inizialmente la giraffa presentava un collo normale, con piccole variazioni tra esemplare e esemplare. Durante un periodo in cui vi era scarsità di cibo, quelle con il collo leggermente più lungo hanno prevalso poiché potevano raggiungere il cibo ad altezze maggiori. Dopo molte generazioni siamo arrivati ad avere la giraffa con il collo molto lungo.

La giraffa originaria aveva lo stesso collo corto. Successivamente, per raggiungere le foglie più alte, si sforzavano ad allungare il collo, fino a quando, dopo piccole variazioni trasmesse alle generazioni future, non siamo arrivati alla giraffa attuale.

Rivoluzione darwiniana

Secondo Mayr la rivoluzione darwiniana è la più importante tra quelle scientifiche. Essa non ha solo sostituito una teoria accreditata come quella delle specie immutabili, ma ha anche richiesto un radicale cambiamento nel modo di pensare dell’uomo, e della concezione di sé stesso.

Affinché la selezione possa agire su determinati caratteri è necessario che:

• I caratteri siano variabili nella popolazione;
• Le variazioni siano ereditabili;
• I caratteri causino una riproduzione differenziale relativa tra gli individui della popolazione.

Un importante contributo alla biologia e alla genetica stato dato da Mendel, abate di Brno. Formulò delle leggi sulla base di numerosi esperimenti effettuati sui piselli:

• LEGGE: ogni carattere è controllato da una coppia di fattori (alleli) che si separano al momento della formazione dei gameti.
• LEGGE: durante la meiosi gli alleli di un gene si distribuiscono tra i gameti in maniera indipendente dagli alleli di un altro gene.

Equilibrio di Castle-Hardy-Weinberg

Le frequenze degli alleli di una popolazione rimangono costanti di generazione in generazione se sono soddisfatte le seguenti condizioni:

• Grande popolazione
• Individui con stessa probabilità di accoppiarsi
• Equilibrio nella mutazione degli alleli
• No migrazione/emigrazione
• Nessun tipo di selezione in atto

Se si hanno soddisfatte queste condizioni allora p² + 2pq + q² = 1 con p e q frequenze degli alleli A e a.

Origine della vita

Un geone è una misura geologica che è lunga 100 mln di anni. Questo concetto di geone permette di suddividere la storia della terra in larghi e semplici periodi facili da ricordare. Il fossile più antico è datato dal geone 34. La vita della terra è stata catalogata in eoni, ere, periodi, epoche e avvenimenti rilevanti.

Tra le ere più importanti troviamo il Paleozoico e Mesozoico, tra i periodi il Cambriano, Carbonifero, Giurassico, tra le epoche il Paleocene, Miocene ecc. Tra gli avvenimenti la comparsa della vita nel Cambriano (solo in acqua), seguito dalla comparsa dei primi pesci, poi dai dinosauri nel Triassico e poi la diversificazione dei mammiferi nei placentati. Intorno a 1,8 mln di anni fa si ha la comparsa dell’uomo.

La cosiddetta deriva dei continenti si ha durante il Pre-Cambriano. Le rocce pre-cambriane sono distribuite nelle aree centrali dei vari continenti, ovviamente molto in profondità. Anche se in generale sono prive di fossili a causa del calore e della pressione in alcuni di essi si ritrovano alcuni campioni che contengono organismi. Le tre formazioni rocciose pre-cambriane sono: Fig-Tree (batteri, alghe azzurre-unicellulari), Gun Flint (batteri, alghe azzurre filamentose e altre forme), Bitter Springs (alghe azzurre/verdi e forse funghi).

La formazione dei primi eubatteri si ha nel Fig-Tree. Questi batteri si dividono in autotrofi (forme fotosintetiche, cianobatteri forme chemiosintetiche) e eterotrofi. I principali “agenti” dell’origine della vita sono gli stromatoliti, delle formazioni fossili di tipo calcareo. Per ritrovare i primi eucarioti bisogna aspettare 1,4 mldd di anni, nelle formazioni Bitter Springs. Alla metà del ‘900 si è tentato di ricreare l’ambiente successivo alla formazione della terra, molto ricco di ossigeno libero, idrogeno, metano, ammoniaca e vapore acqueo. Questi elementi sotto la stimolazione di scariche di energia derivanti da fulmini e grazie alla radiazione solare hanno dato origine ai mattoni fondamentali della vita.

Procarioti ed eucarioti

Le cellule che apparvero sulla terra furono cellule procariotiche e eucariotiche. La cellula procariote ha dei filamenti di materiale genetico sparsi nel citoplasma e dei semplici flagelli per il movimento; oltre alle ridotte dimensioni. Gli eucarioti invece sono molto più complessi: presentano sempre il DNA, circondato però da un nucleo e da una membrana nucleare, si ha un vacuolo per la riserva di energia, cloroplasti e flagelli.

Teoria della simbiosi

Secondo molti ricercatori le cellule complesse sono originate dalla simbiosi tra cellule più semplici. Infatti il mitocondrio ad esempio presenta dei filamenti di DNA. Un altro esempio è fornito da un batterio che vive all’interno delle termiti, che ospita al suo interno altri simbionti. Sulla superficie ci sono altri batteri, chiamati spirochete, che in pratica fungono solo da flagelli, ma all’inizio erano stati presi solo per semplici flagelli.

Terminologia

• Popolazione biologica: Insieme di individui appartenenti alla stessa specie.
• Pool genico: Insieme dei geni costituito da tutti gli alleli di tutti gli individui della popolazione.
• Deme: Sottopopolazione geografica che forma spesso un’unità stretta i cui individui interagiscono tra loro più spesso che con quelli di altri demi.
• Cline: Gradiente geografico di uno o più caratteri nei fenotipi dell’area di distribuzione di una popolazione.
• Flusso genico: Scambio genico tra due popolazioni.
• Fitness: Grandezza misurata dal numero dei geni che un fenotipo trasmette al pool genico della generazione successiva rispetto ad altri fenotipi/genotipi.
• Adattamento: Qualsiasi carattere ereditario in grado di aumentare la fitness di un organismo.
• Nicchia ecologica: È il ruolo di una specie in un ecosistema, ovvero il suo modo di vivere in tutte le condizioni fisiche, chimiche, biologiche che ne permettono l’esistenza in un particolare ambiente.

Meccanismi e modalità di evoluzione

Prove dell’evoluzione

A prova dell’evoluzione ci sono numerose documentazioni: fossili, prove embriologiche comparative, prove oggettive, strutture vestigiali, prove molecolari.

La documentazione fossile testimonia che gli esseri viventi si sono evoluti in una sequenza cronologica. Questa particolare documentazione è una serie ordinata di fossili che sfiorano dagli strati di rocce sedimentarie. L’embriologia, in particolare quella comparata, è lo studio delle strutture che compaiono durante lo sviluppo dei vari organismi allo stato embrionale. Un altro strumento è fornito dall’anatomia comparata, ovvero la messa a confronto di strutture corporee di specie diverse.

Le strutture omologhe sono quelle che sono simili perché derivano da un antenato comune. Le prove da strutture vestigiali sono quelle dove in specie diverse troviamo degli organi o strutture ossee non più funzionali, ma che in altre specie si sono evolute (coccige-coda). Le prove oggettive sono quelle che si possono vedere ad occhio nudo come ad esempio un particolare adattamento cromatico ad un ambiente ostile (farfalla che si nasconde ai predatori mimetizzandosi in un tronco scuro). Le prove molecolari riguardano il DNA. Le specie che hanno un antenato comune risultano avere proteine e DNA in comune, rispetto ad altre specie. Un caso in cui la selezione non ha dato frutti positivi è quello dell’anemia falciforme.

Tipi di selezione

• Selezione stabilizzante (o conservativa): agisce quando vengono selezionati negativamente gli individui che presentano un’espressione estrema di un carattere (ex. capo bambini alla nascita).
• Selezione divergente: fattori intermedi vengono selezionati negativamente e sono favoriti i fenotipi estremi (diversificazione di due pool genici).
• Selezione direzionale: agisce contro gli individui ad uno dei due estremi della curva fenotipica e questo fa evolvere la popolazione verso un estremo o un altro (ex. resistenza a medicinali o insetticidi).

Variabilità genetica

La variabilità genica di una popolazione è mantenuta da diversi fattori: mutazioni geniche o cromosomiche, riproduzione sessuata e meiosi, selezione naturale (quando favorevole); al contrario ridotta dalla sfavorevole selezione naturale e dalla deriva genetica (effetto collo di bottiglia e effetto del fondatore).

• Effetto collo di bottiglia: si ha quando avviene una sopravvivenza causale di alcuni caratteri.
• Effetto del fondatore: È un processo che a seguito di un prolungato isolamento, determina lo sviluppo di una nuova popolazione a partire da un piccolo gruppo di individui, portando con sé una parte soltanto della variabilità genetica originale.

La deriva genetica contribuisce all’evoluzione in due modi: diminuendo la densità genetica si può mettere una popolazione a rischio estinzione; la sua natura casuale aumenta la differenziazione genetica tra due o più popolazioni.

Speciazione

La speciazione è un processo evolutivo grazie al quale si formano nuove specie da quelle già esistenti. Chiaramente il fenomeno opposto è l’estinzione. Questo concetto, sviluppato essenzialmente da Mayr, risulta conseguenza della selezione naturale e della deriva genetica. Ci sono 4 tipi differenti di speciazione di origine geografica: allopratica, parapratica, peripratica, simpatica. I tipi di speciazione sono inoltre associati al tipo di isolamento che la specie subisce, riproduttivo o geografico.

Evoluzione

Torniamo un po' indietro ora per parlare di macroevoluzione:

• Evoluzione filetica o anagenesi: linea evolutiva con un percorso lineare. Il numero di specie estinte nel corso degli anni è maggiore di quello che sono tutt’ora viventi. Molte quindi si sono estinte, altre evolute. La macroevoluzione è lo studio delle linee evolutive e degli eventi di estinzione.
• Evoluzione divergente o cladogenesi: una specie scompare per dare origine a due specie figlie.
• Evoluzione convergente: due specie di linee evolutive molto diverse subiscono adattamenti simili in uno stesso ambiente.
• Evoluzione parallela: specie affini evolvono insieme.
• Stasi: linea evolutiva senza particolari variazioni nel tempo (fossili viventi, celacanto ecc.).

Meccanismi di isolamento riproduttivo

Impediscono ai membri di incrociarsi.

Prezigotici

Si basano su meccanismi comportamentali (displays diversi). Tra questi ritroviamo:

• Stagionali: diversi momenti di maturazione dei sessi.
• Ecologici: diversi ambienti per la riproduzione (acque correnti o calme nei rospi).
• Anatomici/fisiologici: la fecondazione interna non è possibile per la non corrispondenza delle strutture anatomiche.

Postzigotici

I geni delle specie diversi possono essere incompatibili, il che porta nel migliore dei casi alla sterilità degli ibridi.

Speciazione allopratica

La speciazione allopratica prevede che due popolazioni siano separate da barriere geografiche di qualche tipo. Queste popolazioni sono definite isole. Questo isolamento può essere dovuto a barriere naturali preesistenti come montagne, mari ecc. oppure modificazioni ambientali come l’innalzamento del livello del mare, deviazione di un corso d’acqua ecc. Se per qualche motivo la barriera viene meno le specie tornano a vivere in simpatria. L’isolamento di due popolazioni porta alla formazione di ulteriori cambiamenti genetici, per cui se l’isolamento persiste la neo-specie non sarà in grado di incrociarsi con la popolazione originale.

A causa dell’isolamento, sia per deriva genetica sia per selezione naturale, si ha un accumulo di differenze genetiche, con risultato gameti incompatibili e progenie non vitale o sterile.

Segregazione su base comportamentale

Questo tipo di segregazione si ha quando esiste una differenza tra individui della stessa popolazione, ad esempio riguardo al corteggiamento; poiché la femmina risponde maggiormente ad un certo display rispetto ad un altro.

• Specializzazione apparato copulatore: si ha quando l’apparato genitale si differenzia maggiormente per adattarsi a quello dell’altro sesso (millepiedi).
• Segregazione su base temporale: questo isolamento dipende dal diverso momento di maturazione dei sessi, e quindi l’accoppiamento delle specie.

Radiazione adattativa

La radiazione adattativa è un fenomeno di diversificazione “rapida” di nuove specie a partire da una specie madre; ognuna delle nuove specie si adatta per andare ad occupare una specifica nicchia ecologica. Un esempio lampante è quello del fringuello delle Galapagos, il quale è presente in 14 specie diverse, ognuna con un particolare adattamento, come la forma del becco adattatosi in diversi modi e forme.

Speciazione simpatrica

Questo tipo di speciazione avviene quando due popolazioni non isolate si evolvono in specie distinte. La selezione naturale gioca un ruolo fondamentale nella divergenza delle popolazioni. Questo fenomeno è stato documentato nei pesci Ciclidi del lago Vittoria. Inizialmente vi erano 1,2 specie iniziali, in allopatria (separati in qualche modo); a seguito della formazione di nuovi habitat si ha una selezione, adattamento e deriva genetica. Tornando in simpatria si diversificano fino a formare 200 specie diverse. Tutti i ciclidi derivano da un antenato comune (analisi DNA).

Speciazione in atto

Alcune specie “recente” di formazione sono le falene Hedilepta, endemiche delle Hawaii. Si nutrono solo di foglie di banano introdotto 1000 anni fa.

Classificazione

Una classificazione che si limiti a dividere gli animali secondo i vari gradi di somiglianza non può essere accettata ed una classificazione esclusivamente nozionistica viene svuotata di qualsiasi valore culturale e serve solamente a chi deve riconoscere una specie da un'altra, attingendo da una lista di nomi.

Sistematica

La sistematica è la scienza che studia le diversità degli organismi viventi, la loro classificazione e filogenesi. La sistematica secondo Simpson è la parte più elementare e sintetica della biologia perché gli organismi non possono essere studiati se non dopo essere stati distinti in qualche modo. Per stabilire i rapporti di affinità entrano in gioco molte altre discipline. Lo studio della sistematica.