Appunti (+Slides) Biologia e didattica della biologia 2018-2019, Appunti di Biologia

Scarica Appunti (+Slides) Biologia e didattica della biologia 2018-2019 e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! BIOLOGIA, fondamenti e didattica – APPUNTI 1 LA VITA Il termine “biologia” significa discorso, studio sulla vita. La vita è un insieme di funzioni che rendono un organismo capace di conservarsi, svilupparsi, riprodursi e mettersi in rapporto con l’ambiente e altri organismi; ma è anche la condizione compresa tra la nascita e la morte di un individuo. I biologi individuano una serie di proprietà e funzioni che distinguono il vivente dal non vivente. La vita è un sistema termodinamico aperto in grado di mantenersi autonomamente in uno stato energetico di disequilibrio stazionario e in grado di dirigere una serie di reazioni chimiche verso la sintesi di sé stesso. Un essere vivente è un’entità limitata nello spazio e nel tempo (Quando si nasce? E quando si muore?) costituita da: 1. Organizzazione: favorisce un approccio sistemico ed è possibile individuare uno spettro biologico realizzando una gerarchia. 2. Metabolismo: flusso di materia ed energia che consente all’individuo di conservarsi come struttura organizzata. Si possono intendere tutti i processi che concorrono ad assicurare una peculiarità degli esseri viventi: mentre la loro forma e il loro aspetto esterno rimangono relativamente costanti almeno per un certo tempo, la struttura molecolare cambia di continuo. Tutto ciò richiede energia e trasformazione di materia; per energia si intende la capacità di produrre lavoro o più propriamente la capacità di determinare specifici cambiamenti; Unità di misura dell’energia: 1 caloria = energia richiesta per riscaldare di 1 °C 1 grammo di acqua alla pressione di 1 atmosfera, ma possono essere usate altre unità, analoghe alle calorie a meno di costanti e come unità ufficiale oggi si preferisce usare il Joule - 1caloria= 4,18 joule). Il metabolismo come termodinamica: I° Principio: “non è possibile avere creazione o distruzione di materia ed energia, ma soltanto modificazioni, ovvero l’energia non può essere creata né distrutta” ; II° Principio “le modificazioni avvengono lungo la direzione che ha il gradiente dell’irreversibilità” ; Entropia: “E’ lo stato del sistema il cui valore aumenta quando il sistema si modifica spontaneamente. In un sistema isolato negli stadi iniziali e finali del sistema la quantità di energia resta invariata, ma nei secondi l’entropia è maggiore che nei primi.” 3. Riproduzione: tutti gli individui si riproducono, ossia producono una copia più o meno simile che è in grado di produrne un’altra e così via: asessuata (di un unicellulare, il risultato è uno o più discendenti identici al genitore), sessuata (di una coppia di organismi pluricellulari, il risultato è uno o più discendenti i cui caratteri sono la combinazione di quelli dei genitori) 4. Evoluzione: il genoma degli individui tende a cambiare nel tempo da una generazione all’altra. È il cambiamento nel tempo delle frequenze geniche di una popolazione; nulla ha senso in biologia se non alla luce dell’evoluzione. La teoria di Darwin risale a 160 anni fa ed è l’unica che è in grado di offrire una visione unitaria dell’enorme varietà dei fenomeni biologici; in realtà Darwin non fu il primo a parlare di evoluzione, ma il primo a fornire un quadro coerente. 5. Acidi nucleici (DNA e RNA) Si tratta di entità materiali sedi di organizzazione, metabolismo, riproduzione ed evoluzione con cellularità). La vita è caratterizzata da continuo cambiamento, quindi tutte le forme di vita necessitano di continuo rapporto di energia. L’energia deve essere fornita da una sorgente esterna per garantire lo svolgimento dei processi metabolici. L’energia scorre in un’unica direzione attraverso i sistemi biologici: fluisce attraverso il sistema, può essere utilizzata per compiere un lavoro o viene immagazzinata nei legami chimici delle sostanze organiche e alla fine viene liberata e dissipata. IL METODO Il metodo di procedere della scienza e della biologia in particolare è imposto dall’oggetto: la biologia è una disciplina scientifica, ha sviluppato un proprio linguaggio e un proprio metodo di studio e di lavoro, per conoscere la biologia occorre accettare gli strumenti e i criteri proposti dal metodo scientifico, tutto quanto esula da questo criterio non è scienza e/o biologia. Il metodo scientifico si basa su ipotesi: affermazioni verificabili con esperimenti o con ulteriori osservazioni; un’affermazione, per essere scientifica deve poter essere falsificabile (la forma deve permettere di valutarla in senso negativo: Popper). È un ragionamento deduttivo: parte da principi generali, per giungere a conclusioni specifiche. I passi del metodo scientifico: 6. Problema - Domanda: sviluppare una domanda o un problema che possa essere risolto attraverso la sperimentazione. 7. Osservazione - Ricerca: fare osservazioni e ricercare l'argomento di interesse. 8. Formulare un'ipotesi: prevedere una possibile risposta al problema o alla domanda. 9. Esperimento: sviluppare e seguire una procedura. Includere un elenco dettagliato dei materiali occorrenti. Il risultato deve essere misurabile (quantificabile). 10. Raccogliere e analizzare i risultati: modificare la procedura se necessario. Confermare i risultati per ripetere il test. Include tabelle, grafici e fotografie. 11. Conclusione: includere una dichiarazione che accetti o rifiuti l'ipotesi. Formulare raccomandazioni per ulteriori studi e le eventuali migliorie alla procedura. 12. Comunicare i risultati: presentare il progetto al pubblico. Aspettarsi delle domande dal pubblico. La variabile indipendente è il fattore che lo sperimentatore varia intenzionalmente. La variabile dipendente, o di risposta, è il fattore che cambia come conseguenza dei cambiamenti fatti nella variabile indipendente. In un esperimento scientifico è previsto un gruppo di controllo che non sia esposto a cambiamenti. L’uso del gruppo di controllo assicura che i dati raccolti siano effettivamente dovuti al cambiamento della variabile che si sta testando. Il gruppo di controllo deve sottostare alle stesse condizioni del gruppo sperimentale; tutti gli esperimenti devono averne uno. Le costanti in un esperimento sono tutti i fattori che lo sperimentatore deve mantenere invariati. Le prove di riferimento vengono replicate a gruppi ed esposte alle stesse condizioni nell’esperimento. Gli errori da evitare: avere un pregiudizio nei confronti dell’ipotesi (formare un’ipotesi è un passo importante, ma l’obiettivo del metodo scientifico non è necessariamente quello di dimostrare che l’ipotesi è corretta; lo scopo è imparare dall’esperimento); non tener conto dell’errore sistematico nell’esperimento (è praticamente impossibile controllare ogni variabile indipendente in un esperimento, specie quelli causati dall’errore umano; questo è il motivo per cui gli esperimenti vengono ripetuti molte volte, ma è ancora possibile che gli errori influenzino l’analisi dei dati e le conclusioni se non sono previsti o tenuti sotto osservazione); credere che la correlazione implichi una causalità (molti test statistici calcolano le correlazioni tra le variabili e quando due variabili vengono trovate correlate, si è tentati di supporre che ciò mostri che una variabile provoca l’altra, ma in realtà questo non significa necessariamente che una cosa stia effettivamente causando l’altra). Bisogna fare attenzione alla documentazione, che permette di ripercorrere quanto fatto, e ai possibili rischi dell’esperimento. La comunicazione nella scienza, il sistema delle pubblicazioni scientifiche: 13. Gli autori preparano un articolo e lo inviano a un giornale scientifico più o meno specializzato 14. Nel giornale l’editor in chief lo legge e se lo reputa interessante lo manda a un editor che abbia una maggior competenza in quel campo 15. Se l’editor lo ritiene un lavoro potenzialmente interessante lo invia a diversi (da 2 a 5) referee (persone che hanno una profonda conoscenza nei diversi aspetti del lavoro) 16. I referee formulano una proposta (reject/major revision / minor revision / accept) 17. L’editor decide e formula una proposta all’editor in chief che prende la decisione finale Chiaramente gli articoli scientifici e quelli divulgativi sono più precisi ed accurati, ma raggiungono una platea più ristretta rispetto ai social network. Dunque, bisogna verificare se chi sta parlando (o viene intervistato) è davvero competente in quel campo, se non lo fosse verificare se fa riferimento alla letteratura scientifica aggiornata e se i primi due punti non fossero soddisfatti è lecito pensare che quanto avete di fronte non è discussione scientifica ma chiacchera da bar e quindi trattarle come tale. La statistica è stata spesso accusata di essere una disciplina con la quale si può dimostrare qualunque cosa. In realtà con la statistica non si dimostra nulla. L’analisi statistica serve per attribuire un livello di confidenza (fiducia) alle conclusioni che si possono voler trarre. La biologia, come le altre scienze, è una ricerca non di enunciati di cui è dimostrata la verità, ma di conclusioni nelle quali poter riporre fiducia. Espressioni critiche riguardo la statistica vengono in genere usate da chi non ha nulla di meglio da dire per continuare a credere in ciò in cui desidera credere. In alcuni casi, effettivamente la statistica viene usata impropriamente per dedurre conclusioni di dubbia validità. Elementi di statistica, gli indici di tendenza centrale: media (si calcola dividendo la somma delle osservazioni per il numero delle unità di campionamento), mediana (è il valore centrale di una serie, si ordinano le osservazioni e si vede dove cade il valore centrale), moda (il valore della distribuzione con il maggior numero di osservazioni). In una distribuzione di dati perfettamente simmetrica media, mediana e moda coincidono; in alcuni casi si osserva una distribuzione bimodale; spesso la disaggregazione dei dati riesce a spiegare il fenomeno. L’errore standard è una misura statistica con la quale individuo una fascia attorno al valor medio in cui mi posso attendere l’effettivo valor medio dei miei dati; in particolar modo si presta attenzione a valutare che esista il 95% di probabilità che il valor medio dei miei dati ricada all’interno della fascia. Si parla di correlazione quando si osserva una relazione quantitativa tra due variabili misurate su una scala ordinale (ranghi) o per intervalli e per rapporti. Uno dei termini utilizzati più di frequente nei test statistici, per misurare la validità di una conclusione che è stata tratta, è un valore P, o livello di probabilità. Per eseguire un test statistico occorre prima di tutto formulare un’ipotesi nulla. Il test statistico genera allora una probabilità (valore P) di ottenere un insieme di dati simile al nostro se l’ipotesi nulla è corretta. P = 0,5 significa che, se l’ipotesi nulla fosse veramente corretta, il 50% degli studi simili al nostro dovrebbe generare esattamente tale insieme di dati o un insieme di dati ancor più lontano dall’ipotesi nulla. Ne consegue che non 14 che legano atomi di zolfo di due unità di cisteina detti ponti disolfuro –S-S. Molte proteine sono costituite da più catene polipeptidiche, che interagiscono tra loro in modo specifico. • struttura quaternaria (interazioni tra polipeptidi): deriva dall’interazione delle diverse catene polipeptidiche. 21. Acidi nucleici: sono le molecole contenti le informazioni genetiche (catene di amminoacidi) che governano i processi vitali; sono costituiti da nucleotidi: combinazioni di molecole di zuccheri, strutture circolari contenenti azoto e ponti di fosforo che legano i nucleotidi. Nelle cellule ci sono due tipi di acidi nucleici: RNA (acido ribonucleico) e DNA (acido desossiribonucleico). Si tratta di polimeri di nucleotidi: zucchero a 5 atomi di carbonio (ribosio e desossiribosio) + uno o più gruppi fosfati + basi azotate (purine e pirimidine) + DNA contiene le purine A (adenina), G (guanina) e le pirimidine C (citosina) e T (timina) ; RNA contiene le purine A (adenina), G (guanina) e le pirimidine C (citosina) e U (uracile). Se si pensa al DNA come a una scala composta da corde, le corde laterali sono lo zucchero e i gruppi fosfati, i pioli invece sono dati dalle basi azotate. Dunque il DNA contiene le istruzioni per assemblare le proteine. LA CELLULA La teoria cellulare: tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule; cellule derivano solo da altre cellule; le cellule hanno un antenato comune. Si studia tramite microscopio ottico ed elettronico: si osserva in alcuni vetrini, ma l’immagine che si presenta non corrisponde ai modelli che si trovano sui libri; bisogna esserne consapevoli. Ogni cellula ha bisogno di mantenere separato il proprio contenuto interno dall’ambiente esterno; di conseguenza ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica. È essenziale perché la superficie della cellula deve permettere gli scambi con l’ambiente esterno, alcune per farlo richiedono energia, altre no; è importante perché così la cellula può assumere ed espellere sostanze. A parità di volume complessivo, più cellule di piccole dimensioni garantiscono una superficie maggiore perché è più possibile lo scambio tra interno ed esterno. Per capire di quante cellule è composto un uomo bisogna pensare al suo volume e dividerlo per quello cellulare: si può lavorare con le potenze del 10 e approssimare per avere chiari gli ordini di grandezza. Assumiamo per ipotesi che le cellule siano cubi di 10 μm di lato; assumiamo per ipotesi che un uomo sia un cubo di 1 m di lato (due errori che si compensano parzialmente tra di loro). In un metro ci sono 100.000 cellule da 10 μm, dunque in un metro cubo 1.000.000.000.000.000 (un milione di miliardi). Non sempre è necessario essere estremamente precisi: ave lavorato in maniera approssimata prima, ha portato a un risultato dopo. Tutte le cellule condividono numerose strutture di base: sono tutte delimitate da membrana plasmatica, e racchiuso dalla membrana plasmatica vi è una sostanza semifluida detta citosol; entrambe contengono acidi nucleici, ma in questo sta la differenza. 22. Cellula procariota (nucleo rudimentale circondato da membrana). Le cellule procariote non hanno nucleo né organelli specifici delimitati da membrana. Sono più piccole di quelle eucariote: il loro diametro varia infatti da circa 0,3-0,5 micrometri a 1-10 micrometri. Tra gli organismi procarioti vi sono: i batteri e archebatteri. Come confermano testimonianze fossili le cellule procariote sono più primitive (sono la prima forma di vita comparsa sulla terra) di quelle eucariote. Secondo alcuni scienziati le cellule eucariote si sarebbero evolute per simbiosi (quando due organismi si uniscono e di fatto funzionano come un unico organismo, ad esempio i licheni che sono formati da un fungo e un’alga) tra diversi procarioti; a sostegno di questa teoria vi è il fatto che la maggior parte dei procarioti ha circa le stesse dimensioni di alcuni organelli cellulari degli eucarioti; inoltre alcuni procarioti attuali vivono all'interno di cellule eucariote come simbionti. I procarioti si evolsero quasi sicuramente prima che l'atmosfera contenesse ossigeno, infatti oggi alcuni batteri riescono a vivere anche in assenza di ossigeno. I procarioti rappresentano la parte più cospicua della biomassa terrestre, cioè delle forme viventi sulla terra. 23. Cellula eucariota (nucleo ben formato circondate da membrana cellulare). Le cellule eucariote sono caratterizzate dalla presenza di organelli delimitati da membrane. Vi si riconosce: un nucleo, che contiene il materiale ereditario (DNA); un gel omogeneo, detto protoplasma (citoplasma/nucleoplasma e parte liquida detta citosol); una serie di organelli (variano tra cellule animali e vegetali); un’impalcatura di sostegno, il citoscheletro; una parete cellulare esterna (almeno per piante, funghi e batteri). Tra cellule animali e vegetali si osservano numerose differenze. La presenza della membrana non esclude che ci siano altri elementi all’esterno di essa. Esperimento: immergere un uovo nell’aceto per due giorni, immergere un uovo nell’acqua distillata poi in una soluzione ipersalina per capire il funzionamento della membrana cellulare. Le animali sono altamente specializzate, quello che troviamo nei libri è solo un modello, ma non si può generalizzare. Il nucleo è l’organulo più evidente della cellula (5μm). Attorno al nucleo vi è un involucro nucleare costituito da due membrane, che in alcuni punti si fondono formando i pori nucleari. L’informazione della cellula è conservata sotto forma di DNA (sequenze di nucleotidi che contengono tutte le istruzioni per la produzione delle proteine: importante è l’ordine). Nel nucleo il DNA può replicarsi o trascrivere la sua informazione in molecole di RNA messaggero che passano nel citoplasma dove sono sintetizzate le proteine. Nel nucleo il DNA è associato con alcune proteine a formare la cromatina (struttura organizzata). I ribosomi sono organuli non membranosi adibiti alla sintesi delle proteine. Sono particelle costituite da RNA, in particolare da quello ribosomiale. Ogni ribosoma è costituito da due subunità. Si possono avere ribosomi liberi (sospesi nel citosol) e ribosomi legati al reticolo endoplasmatico. Il sistema endomembranoso: il labirinto di membrane interne che si osserva al microscopio elettronico è detto reticolo endoplasmatico. Sono membrane, a forma di sacche appiattite, che originano diversi compartimenti all’interno del citoplasma. Si distingue: il reticolo endoplasmatico liscio (sede primaria del metabolismo dei fosfolipidi, degli steroidi e degli acidi grassi) e rugoso (sulla sua superficie si appoggiano i ribosomi, svolge un ruolo primario nella sintesi e nell’assemblaggio delle proteine). Il complesso del Golgi è costituito da pile di sacche membranose, dette cisterne. Il suo ruolo principale è quello di elaborare, selezionare e modificare le proteine. Il tipico percorso di una proteina destinata ad essere secreta dalla cellula è: sintesi della proteina sui ribosomi, aggiunta di una componente carboidratica nel reticolo endoplasmatico, passaggio nella superficie cis dell’apparato del Golgi tramite vescicole di trasporto, ulteriori modifiche, trasporto dalla superficie trans del Golgi alla membrana plasmatica tramite vescicole, rilascio del contenuto dalla cellula. I lisosomi sono piccole vescicole, piene di enzimi litici, disperse nel citoplasma. Gli enzimi che si trovano all’interno dei lisosomi permettono di degradare molecole complesse. I perossisomi (altri organuli con membrana) permettono di catalizzare le reazioni nelle quali l’idrogeno è trasferito dai vari composti dell’ossigeno. Nelle cellule vegetali (sono presenti anche in alcune cellule animali) c’è un grande organulo (occupa la maggior parte della cellula), detto vacuolo che può contenere acqua di riserva, sali, pigmenti e rifiuti. Mitocondri e cloroplasti sono gli organuli predisposti per la trasformazione dell’energia: ❒ I cloroplasti trasformano l’energia luminosa in energia chimica mediante un processo fotosintetico: si trova quindi nelle cellule vegetali e in alcuni batteri fotosintetici. ❒ I mitocondri producono ATP attraverso il processo cellulare; l’equazione è l’inverso della fotosintesi: consumando ossigeno e glucosio si produce questa molecola che permette lo svolgimento di lavori cellulari. Il citoscheletro è un’impalcatura, una struttura dinamica, costituita da tre tipi di filamenti:, i microfilamenti, i filamenti intermedi e i microtubuli, che sono i filamenti più spessi del citoscheletro (diametro di 25 nm) e raggiungono la lunghezza di qualche μm, sono costituiti da due proteine (α- β-tubolina che formano tra loro un dimero), hanno una polarità, sono ancorati ad altre parti della cellula, e nelle cellule che non si stanno dividendo l’estremità meno è ancorata ad una regione MTOC (Micro Tubule Organizing Center). Nelle cellule animali il MTOC principale è detto centrosoma, in cui vi sono due strutture dette centrioli che formano due cilindri cavi. Involucro cellulare: nelle cellule vegetali si ha una parete cellulare (microfibre di cellulosa immerse in una matrice di altri polisaccaridi e di proteine). Le cellule animali non hanno pareti cellulari ma una matrice extracellulare (formata da glicoproteine prodotte dalla cellula) che hanno funzioni particolari (ad esempio, il guscio dell’uovo serve a proteggere l’embrione). Attività pratiche collegate alle cellule: membrane cellulari, estrazione clorofilla e pigmenti, osservazione delle cellule (o di parti di esse), giochi con le cellule. PROPRIETA’ DELLE MEMBRANE BIOLOGICHE Sono costituite da fosfolipidi disposti in doppio strato e da proteine. I fosfolipidi hanno la caratteristica di essere molecole anfipatiche (cioè con un’estremità idrofila e una idrofoba) e essendo disposti in doppio strato permettono di impermeabilizzare la cellula (code a contatto tra di loro e test idrofile verso l’interno e l’esterno). Il modello a 14 mosaico fluido suggerisce che le proteine sono immerse e disperse nel doppio strato fosfolipidico, che si trova in uno stato fluido. Le proteine di membrana possono essere integrali o periferiche; sono orientate in maniera asimmetrica nel doppio strato; hanno funzione di trasporto e trasferimento dell’informazione enzimatica (poiché le cellule non possono fabbricare da sole ciò di cui hanno bisogno e i loro rifiuti devono uscire): trasporto passivo che non richiede energia e le sostanze si diffondono spontaneamente secondo i loro gradienti di concentrazione (diffusione, diffusione facilitata) e attivo che richiede energia. La diffusione semplice è un processo fisico basato su movimenti casuali; quando si ha una differenza di concentrazione all’interno di una soluzione, le molecole del soluto tendono a diffondersi nel solvente fino ad avere una distribuzione uniforme. L’osmosi è la diffusione di acqua attraverso una membrana semipermeabile, uno dei meccanismi di trasporto osservabile nelle cellule. Le pareti cellulari rigide di piante e batteri permettono una differenza di concentrazione (l’interno della cellula rispetto all’esterno); l’acqua tende ad entrare per osmosi riempendo i vacuoli centrali e rigonfiando le cellule (si crea una pressione della pressione di turgore). Il trasporto passivo (diffusione facilitata) avviene secondo il gradiente di concentrazione; la membrana può essere resa permeabile ad alcune sostanze (ioni o molecole polari) grazie ad una proteina di trasporto. Il trasporto attivo avviene contro gradiente, quando gli ioni vengono trasportati contro il loro gradiente, e ciò richiede energia. Altri due sistemi per introdurre o espellere materiali sono: l’esocitosi (all’interno della cellula una serie di sostanze da espellere vengono circondate da membrana plasmatica che si fonde con quella cellulare e si apre vero l’esterno; particelle di grandi dimensioni vengono espulse dalla cellula per mezzo di vescicole) ed endocitosi (particelle di grandi dimensioni vengono inglobate nella cellula tramite vescicole). GIOCHI CON LE CELLULE Per trasmettere nozioni in maniera non formale, non in laboratorio. 24. Far costruire un memory: collegare la struttura alla funzione di ogni organello cellulare 25. Far mimare le funzioni degli organelli (e il resto della classe deve indovinare) Per trasmettere codici o informazioni senza usare l’alfabeto, ma con carte numerate da 1 a 30: immaginiamo che ogni numero sostituisca una lettera; idem con carte da gioco; con solo 4 tipi di carte (tutti assi, senza limiti di quantità): creo triplette (non coppie perché non basterebbero le combinazioni) solo con i 4 semi che ho (ad esempio: A=1cuore+1picche+1quadri, B=1cuore+1fiore+1picche) sequenza degli amminoacidi, DNA: la sequenza delle basi azotate permette di assemblare correttamente le proteine, a 3 a 3, con 4 basi, perciò posso costruire catene di codici per una ventina di amminoacidi 26. Osservazione del sistema membranoso con le uova 27. Osservazione della clorofilla: attività di incipit per lavorare sulla clorofilla, estraendola dalle foglie 28. Attività per comprendere le differenze tra lo schematismo formale delle illustrazioni dei libri e la realtà anatomica di una cellula MITOSI E MEIOSI: DUPLICAZIONE CELLULARE Le cellule si originano dalla divisione di altre cellule; questo processo comporta la trasmissione dell’informazione genetica da una cellula all’altra. Il DNA è in grado di sintetizzare delle copie di se stesso. Nella normale fase di vita di un organismo, molte delle sue cellule vengono duplicate: i cromosomi si duplicano formando delle copie uguali a se stessi. Il cromosoma è la struttura del nucleo della cellula, costituito da cromatina, che contengono i geni (porzioni di DNA, unità per l’informazione ereditaria, visibili al microscopio durante la divisione cellulare); la cromatina è DNA + proteine che costituiscono i cromosomi; il cromatidio è una delle due metà identiche di un cromosoma duplicato; il genoma è in origine tutto il materiale genetico in una cellula, è uno sterminato materiale per le istruzioni che le cellule sono in grado di recuperare. Alcuni geni si attivano per sintetizzare le proteine, nel momento giusto. generazione F2 (prodotta mediante incrocio o autoimpollinazione di individui F1) con piante a stelo lungo e altre a stelo corto (in proporzione 3:1). All’epoca si riteneva che l’ereditarietà fosse controllata da fluidi che si mescolavano nel momento in cui si formavano gli ibridi, ma in tal caso si dovrebbe avere un ibrido intermedio (questo in alcuni casi avviene). Mendel studiò gli ibridi in cui i fattori ereditari di un genitore mascheravano quelli dell’altro. Con una terminologia moderna si dice che il carattere espresso nella generazione F1 (in questo caso lo stelo lungo) è detto dominante, mentre quello non espresso (lo stelo corto) è detto recessivo. Quando entrambi i caratteri sono presenti, quelli dominanti mascherano quelli recessivi. Mendel non aveva la conoscenza del DNA, e di conseguenza propose che ogni caratteristica ereditaria fosse controllata da due fattori che si comportano come particelle presenti in ciascun individuo. Queste particelle sono quelle che oggi chiamiamo geni. Oggi viene usato il termine allele per riferirci alle forme alternative di un gene: allele dominante (gene per lo stelo lungo) e allele recessivo (gene per lo stelo corto); occupano loci corrispondenti sui cromosomi omologhi. Locus indica la porzione di un particolare gene sul cromosoma; oggi lo si riferisce a un segmento di DNA che possiede l’informazione necessaria al controllo di qualche aspetto dell’organismo. Omozigote è un individuo con i due alleli identici (BB o bb) per un singolo locus; eterozigote un individuo con due alleli differenti (Bb) per un singolo locus. Fenotipo è l’aspetto esterno di un organismo; genotipo è la costituzione genetica di un individuo. Il topo femmina nero (BB) si riproduce col maschio marrone (bb). Durante la meiosi nei gameti arriva un solo cromosoma che porta l’informazione dominante. La cavia marrone porta nei gameti l’informazione recessivo. Nella fecondazione lo zigote riceve un cromosoma dominante dallo spermatozoo, quello recessivo dalla cellula uovo. La cavia nera è figlia eterozigote perché ha alleli diversi: il fenotipo è uguale, ma il genotipo è diverso. Il principio della segregazione stabilisce che prima della riproduzione sessuata i due alleli portati da un genitore devono essere separati (ossia segregati). Gli alleli rimangono intatti e in questo modo un allele recessivo può ricomparire nella generazione F2. Incrocio monoibrido (esempio delle cavie): durante la meiosi nel genitore femmina i due alleli BB si separano e lo stesso avviene con gli alleli del maschio (bb). Ogni gamete contiene o un solo allele B o un solo allele b. La fecondazione dell’uovo dà origine a uno zigote con alleli Bb . Questa è l’unica combinazione possibile e quindi l’allele B maschera quello b e le cavie della generazione F1 sono nere. Durante la meiosi delle cavie F1 l’allele B si separa da quello b e ogni gamete può contenere uno o l’altro dei due alleli ma non entrambi. I gameti che producono gli alleli b e quelli B sono prodotti in modo uguale dagli individui eterozigoti. Le possibili combinazioni che si ottengono vengono rappresentate attraverso il quadrato di Punnett. Il reincrocio permette di individuare la condizione eterozigote. Mendel ha verificato anche che cosa accade quando si ha un incrocio diibrido (individui che differiscono per gli alleli di due loci). Cavia omozigote BBSS (alleli dominanti per colore nero e pelo corto) incrociata con cavia bbss (alleli recessivi per colore marrone e pelo lungo). Generazione F1 tutti BbSs (fenotipo nero a pelo corto). Generazione F2 4 gameti: BS, Bs bS e bs. Si può costruire il quadrato di Punnett e vedere quali sono le frequenze attese. Gli alleli posizionati su cromosomi non omologhi sono distribuiti nei gameti in maniera casuale. Su questa base Mendel ha formulato il principio dell’assortimento indipendente: i membri di una coppia di geni segregano indipendentemente dall’altra coppia di geni. Ogni gamete contiene un singolo allele per ogni loculo, ma gli alleli di loci diversi vengono assortiti nei gameti in modo casuale (assortimento indipendente). Le leggi della probabilità vengono usate per prevedere l’ereditarietà mendeliana: la legge del prodotto (consente di prevedere la probabilità congiunta di eventi indipendenti); la legge della somma (prevede la probabilità congiunta di eventi mutualmente escludentisi). Mendel non possedeva le basi cromosomiche dell’ereditarietà. Oggi sappiamo che tutto questo avviene durante la meiosi e che la meiosi, in tutti i cicli vitali sessuali, deve avvenire prima della formazione dei gameti. Se si hanno geni associati allora non assortiscono indipendentemente. Morgan studiando il moscerino della frutta osservò che i geni sono disposti in modo lineare su ciascun cromosoma e che certi loci sono ravvicinati sulla coppia di cromosomi omologhi. In questo caso, coi loci dislocati sulla stessa copia di cromosomi omologhi non segregano in 14 modo indipendente, ma tendono ad essere ereditati insieme e si dice che sono associati (quindi le frequenze attese sono diverse rispetto a quelle in attese secondo l’assortimento indipendente.) L’ordine lineare viene determinato calcolando la frequenza del crossing over. Il sesso è determinato dai cromosomi sessuali. Nei mammiferi il cromosoma y determina il sesso maschile. Ogni cellula uovo contiene un cromosoma X. Ogni spermatozoo può contenere un cromosoma X o un cromosoma Y. Lo spermatozoo che contiene il cromosoma X dà origine a una femmina e quello che contiene il cromosoma Y a un maschio. OGM La biodiversità indica la varietà della vita presente sulla terra ai diversi livelli, che sarebbero, in particolare, genetico, specifico e di ecosistemi. Da quando esiste la storia dell’uomo, l’agricoltura ha contribuito ad aumentare la biodiversità genetica perché l’uomo ha cercato di ottenere varietà che rispondessero alle sue esigenze. Un OGM è definito dalla legge come un organismo, diverso da un essere umano, il cui materiale genetico è stato modificato in modo diverso da quanto avviene in natura con l’accoppiamento e/o la ricombinazione genetica naturale. Una modificazione genetica si ha con: 1) tecniche di ricombinazione dell’acido nucleico che comportano la formazione di nuove combinazioni di materiale genetico mediante inserimento in un virus, un plasmide batterico o qualsiasi altro vettore, di molecole di acido nucleico prodotte con qualsiasi mezzo all’esterno di un organismo, nonché ́ la loro incorporazione in un organismo ospite nel quale non compaiono per natura, ma nel quale possono replicarsi in maniera continua 2) tecniche che comportano l’introduzione diretta in un organismo di materiale ereditabile preparato al suo esterno, tra cui la microiniezione, la macroiniezione e il microincapsulamento 3) fusione cellulare (inclusa la fusione di protoplasti) o tecniche di ibridazione per la costruzione di cellule vive, che presentano nuove combinazioni di materiale genetico ereditabile, mediante la fusione di due o più cellule, utilizzando metodi non naturali 4) non sono modificazioni genetiche la: fecondazione in vitro, processi naturali, quali la coniugazione, la trasduzione e la trasformazione, induzione della poliploidia (condizione per cui nelle cellule sono presenti più di due copie di cromosomi, come accade per i triploidi, i tetraploidi, gli esaploidi e così via). Non sono OGM organismi ottenuti attraverso la mutagenenesi e la fusione cellulare (inclusa la fusione di protoplasti) di cellule vegetali di organismi che possono scambiare materiale genetico anche con metodi di riproduzione tradizionali. L’uomo ha ottenuto le varietà domestiche (per sopperire alle sue esigenze) tramite selezione artificiale, stimolo di mutazioni genetiche attraverso l’esposizione a radiazioni, tecniche di DNA ricombinante (si inseriscono in un organismo geni di un’altra specie) controllo della riproduzione delle piante ed impollinazione artificiale. Nella letteratura scientifica sono stati compiuti numerosi studi e alla fine è stato raggiunto un consenso che afferma che i cibi OGM non presentano rischi maggiori del cibo non OGM. Non ci sono report o studi che dimostrino danni alla popolazione umana proveniente dal cibo OGM. Le normative impongono controlli severi prima della commercializzazione di piante OGM, cosa che non avviene con le piante tradizionali. Al momento non ci sono prove che ci siano stati effetti dannosi per l’ambiente, anzi in linea teorica (non necessariamente nella pratica) alcuni OGM potrebbero ridurre l’impatto ambientale delle coltivazioni (minor uso di pesticidi ed erbicidi, minor fabbisogno di acqua e di fertilizzanti). Dal trans-genico al cis-genico (ossia trasferimento di geni all’interno della stessa specie): oggi esiste una tecnica (così detta di editing genetico) che permette di intervenire sostituendo le singole basi del DNA; il risultato è che sarà impossibile distinguere un organismo che ha subito questo editing da uno che non lo ha avuto; è una tecnica che si può applicare anche all’uomo. È indispensabile pensare a norme e regole per stabilire i confini nell’uso di queste tecnologie. DAL DNA ALLE PROTEINE Il DNA sovraintende all’assemblaggio delle proteine. Il DNA è il depositario dell’informazione genetica che è l’insieme delle informazioni per assemblare le proteine. Il lavoro fondamentale è ottenere una catena di amminoacidi per l’assemblaggio delle proteine. Le molecole di DNA e l’RNA, negli anni ’40 vengono identificate come il materiale ereditario, ma allora nulla si sapeva circa la loro struttura. Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi: • zucchero a 5 atomi di carbonio (ribosio e desossiribosio) • uno o più gruppi fosfati • basi azotate (purine e pirimidine): il DNA contiene le purine A (adenina), G (guanina) e le pirimidine C (citosina) e T (timina); l’RNA contiene le purine A (adenina), G (guanina) e le pirimidine C (citosina) e U (uracile). Solo la descrizione della struttura del DNA, fatta nel 1953 da Watson e Crick, convinse la totalità del mondo scientifico circa l’ipotesi che il DNA fosse una molecola composta da basi azotate, nucleo e fosforo, come un doppio filamento; una possibile struttura verosimile con i dati chimici esistenti, in particolare per descrivere la struttura del DNA la base di partenza fu la diffrazione ai raggi X di campioni di DNA purificato. Il DNA ha una struttura a doppia elica; nel DNA si formano legami idrogeno tra adenina e timina e tra guanina e citosina. (Le basi azotate sono attaccate allo zucchero, così come il gruppo fosforico). Il singolo filamento di DNA ha il suo negativo dalla parte opposta (accoppiamenti obbligati tramite legami ad idrogeno). Il modello di Watson & Crick, inteso come un cristallo con irregolarità, suggerisce le modalità di duplicazione delle informazioni genetiche. Se le coppie di nucleotidi si appaiano in modo complementare ogni filamento di DNA può servire da stampo per la sintesi del filamento opposto. Una volta rotti i legami a idrogeno ogni semielica si può appaiare con nuovi nucleotidi (replicazione semiconservativa). Durante le fasi di replicazione possono avvenire delle mutazioni che modificano la sequenza delle basi del DNA, queste possono determinare cambiamenti neutri, oppure mutazioni vantaggiose, oppure errori nelle future strutture della proteina e perciò comprometterne il funzionamento. La replicazione del DNA è un processo complesso. Avviene con l’aiuto di alcuni enzimi (DNA polimerasi) che sono in grado di aggiungere un nucleotide al terminale 3’ di una catena polinucleotidica. Il DNA viene trascritto al fine di sintetizzare l’RNA; 3 tipi di molecole di RNA: mRNA-RNA messaggero (la doppia elica si apre e il filamento di mRNA è complementare a quello di DNA; l’mRNA porta in sé le informazioni per la sequenza delle basi azotate), tRNA-RNA trasferimento, rRNA-RNA ribosomale. Le sequenze di basi azotate, a 3 a 3, indicano un amminoacido piuttosto che un altro: è il codice genetico. Si hanno così 64 combinazioni, ma gli amminoacidi sono 20, quindi abbiamo un codice ridondante perché più triplette possono sintetizzare lo stesso amminoacido. Il DNA è trascritto per sintetizzare l’RNA che viene tradotto al fine di sintetizzare un polipeptide: il DNA funge da stampo, alla timina si sostituisce l’uracile. Nella traduzione (che negli eucarioti avviene nel citosol) si ha la sintesi della catena polipeptidica, ogni sequenza di tre basi (tripletta o codone) codifica un amminoacido. Per la traduzione sono necessari tRNA e rRNA. L’mRNA va sui ribosomi (nastro che scorre sui ribosomi) e intanto il tRNA aggancia i singoli amminoacidi e va ad attaccarsi a ribosomi a seconda delle triplette (codoni) delle basi azotate: da un lato attacca l’amminoacido (anticodone) e dell’altro si attacca alla tripletta del mRNA del ribosoma. I tRNA sono le molecole che hanno una funzione “decodificante” nel processo di traduzione. Ogni molecola di tRNA è specifica per un solo amminoacido. Una porzione della molecola contiene un “anticodone” complementare al codone. L’amminoacido è legato ad una estremità del tRNA. 14 Errori o preconcetti sull’evoluzione: • l’entità che evolve è il singolo individuo: cambiamento morfologico / genetico prodotto dall’ambiente su un individuo, evoluzione è modifica genetica per adattarsi all’ambiente in cui si vive, cambiamento lento (vantaggioso o svantaggioso) di alcuni caratteri di un essere vivente, a seguito di mutuazioni casuali un individuo cambia alcune sue caratteristiche che con il tempo si mostrano più favorevoli all’ambiente in cui si vive, cambiamento morfologico / genetico prodotto dall’ambiente su un individuo, evoluzione è modifica genetica per adattarsi all’ambiente in cui si vive, cambiamento lento (vantaggioso o svantaggioso) di alcuni caratteri di un essere vivente, a seguito di mutuazioni casuali un individuo cambia alcune sue caratteristiche che con il tempo si mostrano più favorevoli all’ambiente in cui si vive. • «volontà» di cambiamento (finalità e non contingenza) con un atto cosciente finalizzato ad avere un obiettivo: gli esseri viventi evolvono per sopravvivere e migliorare il loro stato di vituso del termine adattamento. • fenotipo che controlla genotipo (l’evoluzione sarebbe la variazione di alcuni caratteri fenotipici e di conseguenza genotipici in relazione agli adattamenti ambientali, ma in realtà è il contrario). • evolversi significa anche saper prevedere dei possibili cambiamenti e prepararsi per affrontarli. La storia delle scienza può essere divisa in 3 parti: prima di Darwin, la rivoluzione di Darwin e dopo Darwin. La scoperta di Darwin non è isolata, illogica o improvvisa, ma come quasi tute le scoperte scientifiche, è dovuta al fatto che egli sia riuscito ad unire tasselli diversi. Già nell’antichità e in molti racconti fondativi c’è un seme di un’idea di eventi che si sono succeduti nel tempo: la religione ebraica (Bibbia, il racconto dell’origine del mondo secondo una scansione temporale), il mondo greco (Anassimandro – evoluzione nel tempo senza selezione, Empedocle – selezione senza evoluzione per cui alcune forme di vita smettono di esistere, Platone – essenzialismo, cosmo dotato di un’anima demiurgo, riferimenti a principi incorporei, Aristotele – eternità per cui nessuno può essere creato o scomparire, anche se si deve a lui la fondazione della storia naturale da cui si dedurranno poi le prove dell’evoluzione), il mondo romano e classico (Lucrezio – origine spontanea di ogni creatura che se è troppo debole viene eliminata), in cui notiamo l’assenza del concetto di tempo (kosmos perfetto ed immutabile) e quello cristiano che vede una veloce creazione del mondo e una brusca fine (S. Agostino – ipotizzava la possibilità di cambiamento infondendo nella natura il potenziale per produrre nuove specie). Nel periodo tra il rinascimento e illuminismo si riscopre il mondo classico (e le diverse sfaccettature filosofiche), si scoprono nuovi mondi (Americhe, Australia) e ciò porta a scoprire specie nuove e a stimolare gli studi di carattere naturalistico, riscoperta degli studi delle scienze naturali, diverse scoperte mettono in dubbio quanto si è osservato fino ad ora, gli studi sull’astronomia mettono in discussione i testi sacri (Keplero e Galilei). In questo periodo Linneo fa la sistematica degli organismi viventi (si basa in realtà su un attuale punto fermo dell’evoluzione: la discendenza da antenati comuni); Buffon ipotizza che la terra abbia una storia più lunga (fino a 5 milioni di anni) e formula apertamente il concetto di discendenza comune per degenerazione; Cuvier è il fondatore della paleontologia dei vertebrati, osservando le rocce asserì che ciascun orizzonte aveva una sua mammalofauna e quanto più uno strato era profondo, tanto più la fauna che vi si ritrovava appariva differente da quella attuale, fu anche il fondatore dell’anatomia comparata riteneva che le estinzioni fossero causate da catastrofi (eventi naturali) più o meno locali che consentivano il ripopolamento delle specie da aree non colpite (catastrofismo); Lyell descrive un mondo stazionario tanto che il suo pensiero viene definito “uniformismo” per cui l’osservazione dei processi presenti consente di estrapolare al passato i tempi e gli effetti, a suo parere la terra va incontro a trasformazioni graduali dovute a forze che operano in modo uniforme e su tempi molto lunghi; Mantell scopre specie estinte e il primo fossile di dinosauro; Malthus pose l’accento sulla differenza tra la crescita delle popolazioni (esponenziale) e limitatezza delle risorse (aumentano in modo geometrico). Per Lamarck la vita comparve sotto forma di microorganismi per generazione spontanea. Gli organismi cambiano mediante ereditarietà dei caratteri acquisiti. La complessità degli organismi aumenta col tempo per una tendenza intrinseca. All’immagine statica che pervadeva la produzione scientifica dei suoi predecessori, sostituisce una visione dinamica, in cui non solo le specie, ma anche l’intera catena dell’essere e l’intero equilibrio della natura erano in continuo fluire. Colma risolutamente il salto che ancora divideva l’uomo dagli altri animali, considerando il primo come prodotto finale dell’evoluzione. Immagina un mondo che si trasforma e ne propone una spiegazione. L’evoluzione biologica si definisce come un cambiamento nella varietà e nell’adattamento di popolazioni di organismi. La prima teoria coerente fu proposta da Lamarck, il quale si concentrò sul cambiamento nel tempo, cioè su ciò che gli sembrava essere un progresso in natura, a partire dai più piccoli organismi viventi fino alle piante, agli animali più complessi e quasi perfetti, fino all’uomo. Scrisse che gli organismi subiscono modificazioni come risultato di fenomeni naturali, e non per intervento divino. Gli organismi sarebbero pervasi da una forza vitale (generazione spontanea) che li spinge verso complessità e perfezione. Il cambiamento risiede quindi nel singolo individuo e viene poi trasmesso alle generazioni seguenti: principio dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti (giraffe). Chiamava in causa 4 principi: 1. L’esistenza negli organismi di una spinta interna verso la perfezione. 2. La capacità degli organismi di adattarsi alle circostanze, cioè all’ambiente. 3. Il frequente verificarsi della generazione spontanea (gli organismi si possono generare dalla materia inanimata). 4. La trasmissione ereditaria dei caratteri acquisiti. Attualismo lamarckiano: • Niente rimane costante sulla superficie della Terra. I luoghi elevati si degradano continuamente e tutto ciò che se ne stacca viene trascinato verso il basso. • I letti dei fiumi e degli stessi mari si spostano impercettibilmente allo stesso modo dei climi: tutto cambia a poco a poco. Quindi nell’800 erano già presenti molte teorie scientifiche; in questo contesto si inserisce Darwin, uno scienziato che molto giovane partecipa ad una spedizione scientifica come naturalista di bordo con lo scopo di disegnare carte accurate del Sud America; raccoglie casse di materiale che fa spedire in Inghilterra e torna con la fama di un naturalista con una grande scorta di reperti. Impiegò 20 anni ad elaborare un quadro coerente. Mentre Darwin elaborava le sue idee anche un giovane naturalista, Wallace, giungeva a conclusioni simili. In accordo pubblicarono le loro conclusioni. Le sue teorie: 1. Il fatto dell’evoluzione 2. Discendenza comune 3. Gradualità dell’evoluzione 4. Moltiplicazione delle specie 5. Selezione naturale Costruisce il suo ragionamento osservando (il modo corretto per raccontare l’evoluzione di Darwin): 1. Fatto1: Le popolazioni possono crescere esponenzialmente 2. Fatto2: Le popolazioni sono stabili 3. Fatto3: Le risorse sono limitate • Deduzione1: (così giunge alla prima deduzione) la lotta per l’esistenza (“relazioni di competizione ecologica”) 4. Fatto4: I singoli individui sono diversi tra loro anche all’interno della stessa specie si osservano differenze 5. Fatto5: Ereditarietà di una parte della variazione individuale 6. Fatto6: La variazione non è direzionata • Deduzione2: sopravvivenza differenziale dei portatori di variazioni vantaggiose per la sopravvivenza, che sono gli unici a riprodursi (selezione naturale) • Deduzione3: successo riproduttivo differenziale per molte generazioni e quindi la popolazione evolve. L’evoluzione è quindi il cambiamento delle frequenze di geni in una popolazione; l’individuo non si evolve, ma l’entità che si evolve è la popolazione; detto in linguaggio scientifico moderno: l’evoluzione ha luogo come conseguenza degli scostamenti dalla legge di H-W-C dovuti alla realtà della vita. Le popolazioni cambiano nel tempo, anche se discendono tutte da un antenato comune; questo meccanismo avviene lentamente e per gradi, ma produce un aumento di specie sulla terra. La selezione naturale è il meccanismo attraverso cui si spiega l’evoluzione. Postulati della teoria darwiniana: A. Il mondo non è statico ma in evoluzione. B. Il processo evolutivo è di tipo graduale e continuo, cioè non presenta salti discontinui o cambiamenti bruschi. C. Gli organismi simili sono legati tra loro, discendendo da un antenato comune. D. La selezione naturale è la chiave di volta del processo evolutivo; si svolge in due fasi: 1) in ogni generazione si producono un certo numero di variazioni, 2) la selezione che si attua attraverso la sopravvivenza nella lotta per l’esistenza*. Il concetto di selezione naturale venne respinto a lungo e da quasi tutti i biologi dell’epoca perché non era deterministico e pertanto mirava l’argomentazione a favore di un progetto tipico della teologia naturale secondo cui l’esistenza di un creatore poteva essere dedotta dal progetto delle sue opere (ma Darwin non dice nulla sull’origine della vita e dell’universo); altri ancora lo respingevano perché sembrava loro un processo troppo casuale (ignorano quindi la seconda fase del progetto*); una parte della società lo legge come e volesse screditare la religione (ma in realtà Darwin fece attenzione a non prestare le sue teorie a nuove filosofie alternative alla religione; egli era agnostico, per cui credeva nell’esistenza di un creatore che però non interviene nella storia della terra); una corrente di pensiero pensa di adottare una visione macchiettistica della selezione naturale da applicare alle scienze sociali, ma questo non era il pensiero di Darwin. Un organismo compete con gli individui della stessa specie e di specie diverse. Un nuovo adattamento, o in generale perfezionamento fisiologico, renderà quell’individuo e i suoi discendenti, competitori interspecifici più efficienti contribuendo così alla loro diversificazione e specializzazione, che potrà risultare un vicolo cieco o consentire l’accesso a livelli nuovi di radiazione adattativa e quindi a specie diverse (fringuelli delle Galapagos: qui Darwin catturò una serie di uccelli, che uccise per classificarli ed osservarli; stabilì che derivavano da un antenato comune del Sud America e le variazioni, robustezza del becco e colorazione, erano dovute all’ambiente e al clima). Un’obiezione che fu rivolta a Darwin è quella che vede la selezione naturale come una teoria che non può essere dimostrata in laboratorio, ma in realtà oggi possiamo vedere che alcune specie col passare del tempo hanno adottato i comportamenti che Darwin aveva ipotizzato. Il concetto di fitness è il successo riproduttivo finale ottenuto sottraendo la morte alla potenzialità riproduttiva. La selezione è un filtro che stabilisce chi avrà un futuro e chi no, dato che non tutti i nati possono sopravvivere e riprodursi. In una singola specie c’è una varietà genetica potenziale. Darwin studiò moltissimo la selezione artificiale, attuata per far emergere nuove varietà di animali: un allevatore controlla la riproduzione dei propri animali. Darwin fu attratto fin dall’inizio dalla fonte di diversità e in modo più specifico dall’origine delle specie attraverso 14 diversificazione nella dimensione geografica (evoluzione orizzontale). Egli giunse alla conclusione che le popolazioni di fringuelli di ogni isola fossero specie in formazione, quindi al concetto di trasmutazione o evoluzione delle specie tramite il meccanismo della selezione naturale. Le evidenze a sostegno dell’evoluzione sono: i reperti fossili che mostrano l’evoluzione della vita nel corso del tempo (datazione delle rocce e osservazione del fatto che a ogni epoca ci sono delle faune differenti e quanto più ci avviciniamo al presente, tanto più la fauna è simile a quella odierna; inoltre a volte, raramente perché già la formazione dei fossili è un evento raro, si possono trovare delle forme di transizione), convergenza evolutiva (risultati simili partendo da materie prime molto diverse; ad esempio hanno più possibilità di sopravvivere specie diverse ma caratterizzate da colorazione chiara), la selezione artificiale (gli allevatori in poche generazioni ottengono varietà di piante o animali domestici), la storia geologica della terra / tettonica a zolle / deriva dei continenti (gli spostamenti delle varie zolle hanno comportato lo spostamento di determinate specie). Le prive a favore dell’evoluzione sono: testimonianze dei fossili, evidenze biogeografiche, anatomia comparata e studi di biologia molecolare. Esempio famoso e storico di cambiamento in atto è quello della farfalla Biston betularia, che può avere una colorazione più chiara e una più scura, essendo chiaro il tronco delle betulle, la maggior parte di farfalle che vi si trova è chiara; ma con l’inquinamento dato dalle stufe a carbone la fuliggine si è depositata sui tronchi, in queste zone la porzione più abbondante di farfalle è scura; con i nuovi tipi di riscaldamento che hanno pulito l’aria, e di conseguenza i tronchi sono tornati chiari, la maggior parte delle farfalla è tornata chiara. Quindi nella realtà la biologia è ricca di cambiamenti nella popolazione dovuti al successo riproduttivo differenziale, dovuto alla sopravvivenza differenziale. RAZZE UMANE E RAZZISMO La tassonomia è costruita con una serie di pacchetti discreti. La specie è unità di base della classificazione biologica. È possibile unire gli organismi in gruppi man mano più ampi: specie (Canis lupus), genere (Canis), famiglia (Canidae), Ordine (Carnivora), Classe (Mammalis), Phylum (Chordata), Regno (Animalia). È possibile arrivare a un livello inferiore a quello della specie tramite le sottospecie (Canis lupus italicus, Canis lupus familiaris). Col termine “razza”, di uso zootecnico se riferito ai viventi, si intende un gruppo animale appartenente e ad una medesima specie, caratterizzato per la presenza di caratteristiche ereditarie comuni che, in modo più o meno marcato, li identificano come un sottoinsieme della specie differenziato da eventuali altri gruppi co-specifici. È un termine tecnico esclusivamente nella zootecnia, mentre in senso colloquiale viene variamente usato per indicare un raggruppamento di qualsiasi sorta. Gli esseri umani, partendo da un nucleo originario africano si sono diffusi su tutto il Pianeta; ondate migratorie successive hanno creato in epoche storiche successive una complessa trama di etnie. L’umanità ha sempre cercato di dividere su base razziale. Nel 1938 un gruppo di scienziati sottoscrive il “manifesto della razza”, molto efficace dal punto di vista razziale e che sdoganò la persecuzione degli ebrei, si trattava di uno strumento pseudoscientifico con cui il regime fascista ha giustificato la segregazione degli ebrei in Italia e la promulgazione delle leggi razziali. Il razzismo può essere visto come una catena composta da anelli differenti: I. Il primo è quello del razzismo biologico fisico: l’umanità può essere suddivisa in gruppi biologici (razze) ben precise ed evidenziate dall’insieme delle caratteristiche fisiche. II. Il secondo anello: alle caratteristiche fisiche corrispondono caratteristiche genetiche; a questi gruppi corrispondono caratteristiche intellettive differenti, anch’esse ereditabili geneticamente. III. Il terzo: alle differenze di intelligenza dei singoli gruppi corrispondono anche differenze culturali sostanziali. IV. Quarto anello: si può quindi affermare l’esistenza di gruppi superiori o inferiori. Nell’uomo ci sono differenze morfologiche più o meno chiare tra gruppi di individui, ma in ciascun gruppo esistono molte differenze. Lo studio della morfologia porta infatti a cataloghi razziali contrastanti. Negli anno ’50 emerge in antropologia un paradigma alternativo: le razze non esistono come pacchetti chiusi, la realtà è che abbiamo una storia comune e così tante somiglianze che non ci sono divisioni nette. Le razze umane sono quindi convenzioni sociali e non dati biologici. Il primo a rendersene conto è Darwin. Oggi, sia analizzando i caratteri morfologici che quelli genetici vediamo che la variabilità è continua discordante: si possono classificare le persone sulla base di un carattere, ma altri caratteri porteranno a classificazioni diverse. La variabilità all’interno delle popolazioni è maggiore rispetto a quella tra popolazioni diverse, infatti le differenze genetiche nella nostra specie sono più basse di tutti i primati e gran parte delle varianti del DNA è condivisa tra continenti diversi, ossia i membri della nostra comunità sono solo di poco più simili ai membri di comunità lontane, dunque se una catastrofe estinguesse tutte le popolazioni umane tranne 1, conserveremmo circa l’85% della biodiversità umana; due persone dello stesso continente possono essere geneticamente meno simili di due persone di continenti diversi (Lewontin). La maggioranza dei caratteri dei geni sono diffusi in tutto il mondo, perché la storia umana è un continuo spostamento di individui e popolazioni a partire da un ceppo originario e questo ha determinato un variabilità e un rimescolamento enorme; nessuna popolazione è stata isolata abbastanza da creare sottospecie e non c’è mai stato un selettivo controllo della riproduzione che ha generato gruppi diversi ben distinti; perciò non possono essere usati i geni per classificare l’umanità. Anche le classificazioni forensi non sono coerenti tra di loro. Dall’insieme dei dati genetici possiamo capire le basi genetiche solo di alcune malattie. • Isolamento etologico: maschio e femmine di specie diverse, sessualmente maturi, non rispondono ai rispettivi stimoli in modo adeguato (uccelli giardinieri). • Isolamento meccanico: negli animali a scheletro esterno differenze nella forma e nella dimensione dei genitali, che sono sclerificati, possono rendere difficile o impossibile l’accoppiamento (salvia nera e bianca). I meccanismi di isolamento postcopula: • Isolamento gametico: attrazione assente tra i gameti, incapacità degli spermatozoi di sopravvivere nell’apparato riproduttivo femminile, incapacità degli spermatozoi di penetrare e fecondare l’ovulo, mancata formazione del tubo pollinico. • Mortalità zigotica ed embrionale • Non vitalità degli ibridi. • Sterilità degli ibridi. • Isolamento etologico degli ibridi: ibridi interspecifici, vitali e fertili, con uova e spermatozoi normali, non sono in grado di riprodursi perché incapaci di un efficiente comportamento riproduttivo. • Insuccesso degli ibridi: alcuni ibridi interspecifici sono completamente o parzialmente fertili, ma la progenie o è sterile o poco vitale. I principali meccanismi di speciazione: • Allopatrica: il differenziamento genetico e, spesso anche l’isolamento riproduttivo, vengono acquisiti in condizioni di isolamento geografico c’è una separazione geografica insuperabile (esempio: pesci ciprinidi, oca hawaiana, scoiattolo del Gran Canyon, pesci ciclidi). • Simpatrica: senza separazione geografica, c’è quindi la probabilità che le due varianti emergenti si riproducano tra di loro ed emergano nuove specie; radiazione (esempio: uccelli mangia miele). EVOLUZIONISMO E ANTIEVOLUZIONISMO Da subito le teorie e il quadro complessivo proposto da Darwin è stato messo in discussione, con affermazioni differenti: A. Interpretazione letterale della Bibbia (teoria della terra giovane): esistono però delle prove scientifiche / evidenze sperimentali (datazione della terra) che testimoniano il fatto che ciò che è narrato nella bibbia non può essere avvenuto realmente B. Teoria delle risonanze evolutive: proposta da un giovane fisico di Napoli che afferma l’esistenza di un modello matematico che riuscirebbe a spiegare l’evoluzione tramite equazioni dei pendoli a moto forzato; si opporrebbe alla teoria della selezione naturale, ma in questa sua pubblicazione ci sono errori grossolani a livello biologico e paleontologico che rendono irrealistico tutto il resto. C. Intelligent design (esistenza di un orologiaio/progettista/designer che avesse progettato il mondo così come lo vediamo): è la proposta evoluzionista più diffusa e per molto tempo è stata l’alternativa all’evoluzionismo darwiniano. Crede nel fatto che la vita sia stata progettata e realizzata. Chi sostiene questa prospettiva crede che sia scientifica e in quanto tale dovrebbe essere insegnata come alternativa al darwinismo, ma non può essere dimostrata. Il movimento è nato negli USA legato ai movimenti evangelici. Non viene più proposta un’interpretazione letterale della bibbia come fonte di verità scientifica, ma si afferma che gli organismi viventi sono un fenomeno troppo complesso per essere spiegati dalla casualità dell’evoluzione darwiniana (ma l’evoluzione non è casuale!). Affermano che un evento estremamente improbabile non può avvenire per caso (argomentazioni logiche non sono coerenti e veritiere, basta pensare alla vincita del lotto). Non si tratta di una scienza (e quindi deve stare fuori dalle aule scientifiche) perché non ha mai generato un progetto di ricerca e non esistono esperimenti finalizzati a dimostrare l’esistenza di un progettista. Le argomentazioni che usano sono le stesse degli avversari di Darwin di quell’epoca. Questo designer opera inoltre in modo illogico e con incongruenze nel suo operato. Bisogna ricordare che l’evoluzione non ha nulla a che fare con le nostre filosofie personali. D. Immoralità della teoria stessa che obbliga la popolazione ad assumere dei punti di vista E. Teach the controversity (non bisogna nascondersi dietro al dogmatismo per cui una scienza non si mette in discussione, ma una scienza si può discutere solo tramite un’altra scienza. Tutti questi approcci hanno bugie ed errori comuni: innanzitutto il fatto che l’evoluzione sia solo una teoria, il fatto che i fossili non provino l’evoluzione umana portando però come prova a sostegno solo l’uomo di Piltdown (che non è stato usato per studiare l’evoluzione), il fatto che l’evoluzione violerebbe il 2^ principio della termodinamica (ma bisogna far attenzione al fatto che questo principio funziona solo in un sistema chiuso e isolato), strutture come il flagello batterico hanno una complessità irriducibile, le mutazioni non producono nuove informazioni (ma in realtà esistono batteri che digeriscono il nylon e le alghe unicellulari possono evolversi in multicellulari). Di fronte a questo contesto bisogna: fare in modo che queste tematiche restino fuori dalle aule di scienze, dai musei e dai laboratori, che non sono luoghi in cui far intervenire i sostenitori; valutare se partecipare a un dibattito; spiegare agli eventuali creazionisti che non è necessario credere all’evoluzione, purché la si comprenda. L’antievoluzionismo si è diffuso negli USA negli anni ’80 ed è tuttora molto radicato; ciò ha influenzato anche l’Europa ed ha delle conseguenze nel mondo della scuola (selezione dei libri) e della politica (elezioni): accordi tra il partito repubblicano e la chiesa evangelica affinché non venisse insegnata la teoria dell’evoluzione. Anche in Italia c’è una parte di movimenti antievoluzionisti: lo storico De Mattei, vicepresidente del consiglio nazionale delle ricerche, 14 ha organizzato un convegno dal titolo “evoluzionismo, il tramonto di un’ipotesi”, in cui affermava di credere alla bibbia e non al creazionismo; con il ministro Falcucci, nei programmi delle scuole medie è richiesto l’insegnamento dell’evoluzione, ma durante il governo Berlusconi (ministro Moratti) si propone l’eliminazione di questo argomento; con Prodi (ministro Fioroni) una commissione (tra i membri: Rita Levi Montalcini) riinserisce la tematica; infine nel 2009 con il ministro Profumo, si torna a richiedere la trattazione dell’argomento evoluzione, anche se con alcune ambiguità. Quando, nel 2004, fu richiesta la revisione del programma con l’eliminazione della teoria dell’evoluzione, ci si basava sulla troppo giovane età degli scolari, inadatta alla materia, sul fatto che questa teoria venisse narrata come un racconto mitologico, ma ciò denota solo una grande ignoranza in materia (Moratti), sul fatto che queste teorie non vadano bene ai bambini perché si rischia di far intendere in modo sbagliato e far confondere tra scienza, filosofia e religione (Buttiglione). DIDATTICA DELL’EVOLUZIONE [www.pikaia.eu] Prima di tutto è necessario aggiornarsi, perché questi paradigmi si modificano velocemente. Inoltre è molto importante fare attenzione alle fonti e al linguaggio; bisogna evitare di usare i termini “moderno, primitivo, avanzato, casuale, anello” che non farebbero che reintrodurre un linguaggio lamarkiano e l’espressione “molti scienziati credono”, che è troppo poco scientifica. Una serie di letture possono aiutarci: little Darwin, l’evoluzione di Calpurnia, il mistero di Burgess Shale, anthill, l’orologiaio miope, consigli sessuali per animali in crisi, il coccodrillo come fa. L’idea che dobbiamo interiorizzare per capire l’evoluzione è quella della profondità del tempo: gomitoli colorati ci aiutano perché possono fungere da misure (se 1000000 di anni corrispondesse a 1 metro di lana, quanti metri servono per rappresentare la storia della terra?). Bisogna eliminare l’evoluzione dell’uomo lungo una linea: da sostituire con uno schema a cespuglio che non trasmette il fatto che ci siano delle specie inanellate ed univoche, ma l’idea che in uno stesso periodo coesistono ominidi differenti. Si possono invitare i bambini a fare delle ricerche con materiale selezionato, da cui partire per raccontare le diverse specie di ominidi e mano a mano inserirli in uno schema. Alcuni giochi possono richiedere di catturare determinate prede in base all’ambiente in cui si trovano, altri evidenziano la contingenza nell’evoluzione delle popolazioni. Si può preparare un gioco di carte con l’obiettivo di memorizzare le caratteristiche di ominidi e primati. Oppure: individuare una decina di primati o ominidi, scegliere una serie di caratteristiche per ogni specie; si prepara una carta per ogni specie e si divide in 2 il mazzo, i 2 giocatori scelgono al coperto una carta, chi è di turno guarda la sua e sceglie la caratteristica su cui puntare se è superiore a quella della carta dell’altro vince le due carte; vince chi alla fine ha tutte le carte (come il gioco di carte dei pokemon). Si possono anche utilizzare dei giochi di ruolo come veicolo per imparare i meccanismi e le dinamiche evolutive: trovare un caso di studio plausibile con organismi e contesti ambientali inventati, ma meccanismi e dinamiche realistici; dare ruoli in modo che alla fine si possa giungere all’elaborazione di una teoria (sulla base del fatto che la miglior teoria è quella che consente di rispondere al maggior numero di domande con la maggior semplicità). L’insegnante è il master: è neutrale, può fornire risposte a tutti (massimo 10 domande per squadra), ma non suggerimenti. Si possono coinvolgere i bambini in una raccolta dati per una ricerca. STORIA DELLA VITA SULLA TERRA La formazione della terra risale a 4,6 milioni di ani fa, ma ciò che si sa della vita riguarda gli ultimi 500 milioni di anni. Per rappresentare il tempo si può usare la linea, una sorta di orologio, una linea su scala logaritmica e non proporzionale o uno schema riassuntivo (li vita compare 3,5 miliardi di anni fa in seguito alle trasformazioni di una realtà chimica detta brodo primordiale dove si sono formate molecole sempre più complesse, fino agli acidi nucleici; la vita si evolve lentamente secondo la selezione naturale durante le ere geologiche che sono divise in periodi). L’ipotesi sull’origine della vita sulla terra sostiene la formazione dei primi organismi unicellulari che in seguito hanno dato luogo agli organismi pluricellulari. ▲ Secondo l’ipotesi extraterrestre la vita sarebbe nata in qualche luogo dello spazio e, in seguito, avrebbe colonizzato la Terra. Crick, uno degli scopritori del DNA, sostiene che esseri intelligenti avrebbero “inseminato” la Terra. Più credibile appare l’ipotesi secondo la quale comete o asteroidi avrebbero portato sulla Terra le prime cellule dalla cui evoluzione si sarebbero originati i viventi che popolano il nostro pianeta; tracce di molecole organiche sono state trovate su meteoriti ed asteroidi caduti sulla Terra. ▲ Secondo l’ipotesi terrestre la vita sarebbe nata sul nostro pianeta. Viene condivisa dalla quasi totalità degli scienziati e sarebbe avvenuta in 2 tappe: prima si sarebbero formate le molecole organiche (a partire da sostanze inorganiche) ed in un secondo momento esse avrebbero dato origine alla prime cellule per fenomeni di autoaggregazione. L’evoluzione chimica primordiale implica: ossigeno libero scarso, sorgente di energia, disponibilità di materiale chimico e tempo affinchè si formassero molecole organiche e cellule; erano presenti quando la terra si è formata. Dopo la formazione della Terra 4,5 miliardi di anni fa, l’atmosfera primordiale era riducente ossia formata da composti dell’idrogeno (metano, ammoniaca, vapore acqueo) e poi anidride carbonica e azoto che si erano formati in seguito alle esalazioni vulcaniche ed alle piogge che formarono i primi oceani. L’ossigeno era assente e, di conseguenza, anche l’ozono (una forma di ossigeno), per cui i raggi ultravioletti del Sole passavano indisturbati. Inoltre intensi campi di energia elettrica erano all’origine di fulmini che, incessantemente, squarciavano l’atmosfera. Tutto ciò fornì l’energia necessaria per innescare le reazioni chimiche che, da semplici composti inorganici (acqua, anidride carbonica e ammoniaca) portarono alla formazione di composti organici complessi. Le molecole semplici, così formate, vennero poi trasportate dalle piogge nell’oceano primitivo che diventò ricco di sostanze organiche (è stato definito “brodo primordiale”). In questo contesto nacque la vita. Gli studiosi Haldane e Oparin, negli anni ‘20, erano giunti alle conclusioni che la vita si sarebbe potuta originare dalla materia non vivente in quanto, in un passato lontanissimo, in condizioni diverse da quelle attuali, da semplici composti inorganici si sarebbero formate spontaneamente le prime molecole organiche, cioè le basi della vita. Tale ipotesi è stata successivamente confermata nel 1953 da Miller, il quale riproducendo sperimentalmente le condizioni atmosferiche presenti sulla Terra, alle sue origini, ottenne numerose molecole organiche. Il primo a condurre degli esperimenti per dimostrare la sua infondatezza fu Redi, medico, naturalista e poeta. Redi dimostrò che, al contrario di quanto si credeva, non nascevano larve sopra la carne, se questa era sigillata in un recipiente in modo che gli insetti non potessero depositarvi le uova. Un secolo dopo, un altro naturalista italiano, Spallanzani, dimostrò che liquidi isolati e bolliti rimanevano sterili. Ma per molti anni si continuò a credere che vermi e insetti potessero nascere spontaneamente da materia organica in decomposizione sotto l’azione del sole. Solo con Pasteur, nel 1862, la questione fu definitivamente risolta. Il biologo francese ripeté gli esperimenti di Spallanzani, ma con accorgimenti tecnici che li resero inconfutabili. Il primo a riflettere profondamente sulla questione fu Aristotele. Sembra che il filosofo greco ammettesse la possibilità della generazione spontanea, ovvero che la materia inanimata potesse, in qualche modo, trasformarsi in vivente. Questa teoria rimase una credenza diffusa per molti secoli. Prima ipotesi: la generazione spontanea Non è possibile visualizzare l'immagine. Non è possibile visualizzare l'immagine. Gli antichi greci, non riuscendo a spiegarsi la provenienza dei ranocchi credevano che fosse il fango degli stagni a modellarsi spontaneamente assumendo la forma dei ranocchi e la vita stessa. Oparin teorizza la comparsa della vita in un’atmosfera primordiale riducente, dove non sarebbe esistito ossigeno libero come oggi, bensì una miscela di gas composta prevalentemente da idrogeno. In particolare, sviluppando l’idea del contemporaneo Haldan, egli postula che tale atmosfera fosse ricca di metano, ammoniaca e acqua, sostanze in grado di reagire tra loro sotto l’azione di raggi ultravioletti e fulmini. I composti del carbonio che si formavano (come urea, formaldeide e amminoacidi) trasportati in mare, andavano poi a costituire il “brodo primordiale”. Qui ci sarebbero state le condizioni per la sintesi di molecole complesse, simili agli acidi nucleici. L’ipotesi di Oparin, qualche decennio dopo, verrà in parte confermata sperimentalmente dal biochimico Miller. Attraverso un esperimento che consisteva nel mettere in un pallone di vetro, dell’acqua mantenuta in ebollizione, il vapore affluiva in un secondo pallone dove, con l’ammoniaca, il metano e l’idrogeno, formava una miscela simile all’ipotetica atmosfera primordiale sottoposta a continue scariche a simulare i fulmini frequenti nell’atmosfera primitiva; successivamente il vapore passava in un condensatore nel quale, raffreddandosi, ritornava allo stato liquido raggiungendo di nuovo il primo pallone (sistema di bolle con scariche elettriche). Dopo una settimana di ininterrotto funzionamento si osservarono la presenza di aminoacidi (base delle proteine) nel liquido, che dimostrarono che anche nell’atmosfera primordiale poteva essere avvenuto qualcosa del genere. Si concorda sull’ipotesi che il mondo iniziale fosse formato da RNA, poi DNA (che rimane più stabile). Dalle molecole alle cellule: la vita è nata sia nel brodo primordiale e sia nei fondali oceanici 3,5 miliardi di anni fa. Quando il brodo primordiale raggiunse un’elevata concentrazione, le molecole organiche cominciarono ad aggregarsi formando i coacervati, piccole goccioline contenenti amminoacidi e proteine delimitati da una membrana che li separava dall’ambiente esterno, chiamati anche microsfere, con una membrana simile a quella cellulare davano origine a nuove microsfere per un processo di gemmazione; da queste si formarono in seguito le prime cellule procariote. Una teoria sostiene che cloroplasti e mitocondri fossero dei batteri in passato, che poi si sono uniti a vivere all’interno delle altre cellule. In alcune rocce ritrovate in Sudafrica risalenti a circa 3 miliardi di anni sono stati trovati resti fossili microscopici a forma di bastoncino: i batteri, organismi con cellula procariota, semplice, priva di nucleo e contenente pochi organelli. Essi erano eterotrofi per cui ricavavano le sostanze nutritive dal brodo primordiale ed erano anaerobi, ossia in grado di vivere senza ossigeno. Col passare del tempo le molecole organiche presenti nel brodo primordiale divennero insufficienti per nutrire la popolazione cellulare in forte crescita per cui in alcune cellule svilupparono la capacità di “costruirsi da sole” i nutrienti attraverso la fotosintesi. La fotosintesi è un meccanismo che consente, mediante l’utilizzo dell’energia luminosa, di sintetizzare zuccheri a partire da acqua e anidride carbonica, liberando ossigeno. Circa 3,5 miliardi di anni fa comparvero così i primi organismi autotrofi; essi arricchirono l’atmosfera di ossigeno che così divenne ossidante (2 miliardi di anni fa) e comparvero le alghe azzurre che riuscirono, grazie alla fotosintesi, a sopravvivere nonostante la scarsità di sostanze nutritive. La vita si spostò così dalle profondità oceaniche ai bassi fondali dove arrivava la luce. Nello stesso periodo, per l’aumento dell’ossigeno nell’atmosfera si formarono i batteri aerofobi. Essi sono capaci di utilizzare l’ossigeno per vivere ossia capaci di respirare. Successivamente si formò la prima cellula eucariota (1,8 miliardi di anni fa), più complessa, con un nucleo ben definito e delimitato da una membrana nucleare e la presenza di organelli nel citoplasma. Secondo l’ipotesi oggi più seguita, la prima cellula eucariota si sarebbe formata in seguito ad una simbiosi ossia ad una “convivenza” tra un batterio aerobio ed uno anaerobio. I primi eucarioti erano eterotrofi e con un meccanismo analogo al precedente si 14 meglio alla storia umana per capire la transizione tra cacciatori/raccoglitori e agricoltori e perché hanno addomesticato gli animali. Quest’ultimo punto è una svolta nell’evoluzione poiché garantisce un surplus di cibo, le civiltà diventano sedentarie, stando a contatto con gli animali domesticati si può essere infettati dalle loro malattie (al pari delle influenze aviarie) e ciò ha causato la diffusione del vaiolo che poteva essere mortale, ma aveva poche possibilità di diffondersi molto poiché talmente virulente da autoeliminarsi. Un esempio di guerra biologica si vede negli spagnoli che hanno sbaragliato gli Inca portando nei loro accampamenti delle coperte infette di vaiolo: una popolazione che non è mai entrata in contatto con questo virus viene devastata perché non vi sono anticorpi in grado di combatterla. L’altro vantaggio degli animali domestici sta nelle armi (basti pensare al ruolo dei cavalli nella velocizzazione degli spostamenti e nella cavalleria) e nell’acciaio, nel senso di sviluppo di nuove tecnologie per avere autonomia logistica (ruota trainata da un cavallo o da un asino). Per domesticazione si intende un’interazione speciale tra due popolazioni. Le interazioni possono essere: neutralismo, competizione, amensalismo, parassitismo, predazione, commensalismo, protocooperazione e mutualismo (tra cui la domesticazione, entrambe le specie hanno un vantaggio). La domesticazione è un processo di selezione artificiale in cui pinte e animali sono posti in una nuova nicchia ecologica che è completamente determinata dalle esigenze antropiche, ma in cui gli uomini assicurano la possibilità di riprodursi e di essere protetti dai predatori; l’interazione uomo-animali è di tipo simbiontico. La domesticazione è un processo di selezione artificiale; il controllo umano della riproduzione modifica fenotipo e genotipo (esempio: girasole). La domesticazione della piante avveniva in tutto il mondo e ciò significa che quando l’umanità ne ha avuto bisogno è stata in grado di addomesticare tutte le piante. In Eurasia c’erano grandi animali da domesticare, ma nel resto del mondo no perché addomesticare un mammifero è difficile; se solo una di queste condizioni manca non si riesce a domesticare un animale e in africa non ci sono molte specie che rispettano tutte queste condizioni: • docilità di carattere e non pericolosità per l’uomo: non si cavalcano le zebre perché sono animali aggressivi ( cavalli), non si allevano gli ippopotami perché sono pericolosi ( maiali per la carne) • scarsa distanza di fuga (animali e uomini vivranno in spazi ristretti): l’antilope cervicapra si terrorizza alla presenza dell’uomo e cerca di scappare ( renna per i lavori di traino) • riproduzione in cattività: il ghepardo non può ( gatto per la caccia) • comportamento gregario: lo sciacallo non riconosce un capobranco e quindi l’uomo non può sostituirsi ad esso ( cane) • facilità di procurare cibo per l’animale: non si possono allevare i panda per fare pellicce perché l’eucalipto è difficile da procurare ( pecora) • crescita rapida: gli elefanti asiatici hanno bisogno di 15 anni per essere adatti al lavoro ( asino) La domesticazione serve per: per la cooperazione nella caccia e contro i competitori, per il cibo, per forza lavoro, vestiti, estetica e affezione. L’uomo si sviluppa come cacciatore e raccoglitore in africa, nei millenni affina le capacità di caccia, ma contemporaneamente le prede affinano quelle di difesa; i mammiferi che hanno accumulato una storia competitiva con l’uomo cacciatore sono quindi quelli africani. Quando l’uomo si sposta in Eurasia i grandi mammiferi vengono sterminati in poco tempo, poiché quei mammiferi non avevano le competenze per contrastare l’uomo. Perciò Diamond ipotizza che in questo modo ha estinto anche alcune specie che sarebbero state domesticabili; fa anche osservare che la percentuale di grandi mammiferi e uccelli inetti al volo diminuisce improvvisamente quando arriva l’uomo, ma non in africa, dove restano costanti: ciò dimostra che in africa e in Eurasia è avvenuta una coevoluzione, anche perché l’uomo si è insidiato da più tempo. Inoltre, non ci sono grandi differenze climatiche in Eurasia, ma in America sì (anche solo tra Nord e Sud). BIOLOGIA, fondamenti e didattica – APPUNTI 3 SEMINARIO DI ZOOLOGIA Al mondo si stima esistano circa 8,7 milioni di specie (fino a poco fa il range era dato tra 5-100 milioni). Finora ne abbiamo classificate circa 1,8 milioni (86% ancora sconosciuto). La tassonomia è la disciplina che si occupa dell’identificazione e dell’ordinamento di tutte le specie viventi. La classificazione dei viventi si basa su rapporti di affinità e diversità (cioè i loro legami di parentela). La moderna classificazione riflette, mediante il principio darwiniano di discendenza comune, la filogenesi, ossia la storia evolutiva dei vari taxa. Gli organismi sono ordinati secondo una classificazione gerarchica, formata da gruppi entro gruppi. In questo sistema un particolare gruppo rappresenta un’unità tassonomica (taxon o, al plurale, taxa) e il livello a cui è collocato è una categoria tassonomica. Le principali categorie tassonomiche utilizzate per la classificazione biologica sono sette (più eventuali sottocategorie): Regno, Phylum, Classe, Ordine, Famiglia, Genere, Specie. La specie è l’unità fondamentale della classificazione biologica. Oggi si utilizza la nomenclatura binomia: la Specie viene indicata con due nomi, il nome del Genere più un termine che lo specifica. Il nome del Genere è sempre scritto per primo e in maiuscolo e può essere usato da solo quando ci si riferisce a tutte le specie che costituiscono quel genere. Il secondo termine non ha un significato se scritto da solo, dal momento che specie di differenti Generi possono avere lo stesso termine specifico. Il termine che si accompagna al Genere è di solito un aggettivo o un termine qualificativo (ma non mancano esempi di specie dedicate a personaggi famosi). Per convenzione il nome della specie è sempre scritto in corsivo. I viventi sono classificati in 5 regni: L’attribuzione di certi organismi al regno Animalia dipende dal riconoscimento di un comune progenitore e dal fatto che essi condividono tratti anatomici e fisiologici del tutto peculiari, tali da non essere presenti in altri Regni. L’albero evolutivo degli animali si basa su dei caratteri chiave specifici che sono stati usati per poter operare una classificazione; riguardano aspetti strutturali o dello sviluppo degli animali. Gli animali hanno piani di organizzazione anatomica diversi, e si possono distinguere: A. Animali a simmetria raggiata o bilaterale: La simmetria riguarda l’organizzazione del corpo degli animali. • Simmetria bilaterale: esiste un piano che divide il corpo in due metà speculari. • Simmetria radiale: esiste un asse principale per il quale passano più piani di simmetria (le parti del corpo dell’animale sono disposte attorno all’asse). B. Animali acelomati, pseudocelomati o celomati: Gli animali possono essere classificati in base a come si presenta una cavità corporea, il celoma, cioè uno spazio ripieno di liquido tra il tubo digerente e la parete corporea. 14 • Acelomati (Platelminti, Nemertini) la sola cavità interna del corpo di questi animali è rappresentata dal canale alimentare. • Pseudocelomati (Aschelminti): presentano una cavità interna di tipo secondario (pseudo-celoma). • Celomati (Molluschi, Anellidi, Artropodi, Echinodermi, Cordati): cavità del corpo piena di liquido delimitata dal mesoderma. La presenza del celoma offre diversi vantaggi: • i movimenti del corpo sono più liberi; • l’ampio spazio permette lo sviluppo di organi e sistemi di organi complessi; • il fluido celomatico protegge gli organi interni dai danni meccanici e dalle escursioni termiche; • la cavità funge da deposito e trasporto di sostanze nel corpo; • negli animali privi di scheletro fornisce sostegno idrostatico. C. Animali protostomi o deuterostomi: Un terzo carattere chiave per classificare gli animali riguarda lo sviluppo dell’embrione. ✓ Protostomi: sono animali la cui bocca si origina dal blastoporo (Platelminti, Molluschi, Anellidi, Nematodi, Artropodi). ✓ Deuterostomi: animali la cui bocca si origina secondariamente alla formazione dell’ano dal blastoporo (Echinodermi, Cordati). Blastoporo: l'apertura che si forma in seguito al processo di gastrulazione e che mette la cavità della gastrula in comunicazione con l'esterno (la gastrula è uno stadio dello sviluppo embrionale degli animali). Nel regno Animali, una classificazione può essere fatta distinguendo tra Vertebrati (scheletro interno provvisto di colonna vertebrale) e Invertebrati (circa 97% animali; privi di colonna vertebrale). Phylum Porifera, Spugne Seppur con caratteristiche primitive, le Spugne si possono considerare specializzate sotto diversi aspetti: La struttura del corpo è costruita attorno ad un sistema di canali e camere acquifere. La loro fisiologia dipende dal flusso dell’acqua attraverso il corpo ed è questo flusso che supplisce alla mancanza di organi (nutrizione, scambi gassosi, rimozione scorie azotate e trasferimento gameti). Tre tipi strutturali delle spugne: Ascon, Sycon e Leucon. Si ritiene che siano i più primitivi tra gli animali pluricellulari. Hanno simmetria radiata o forma irregolare. Sono prive di organi, non hanno capo o estremità anteriore; non hanno bocca, né cavità gastrica. Sono animali sessili marini o d’acqua dolce. Per questi motivi, esse sono state considerate animali solo dopo il 1765. Sono filtratori, e si nutrono separando all’acqua batteri ed altre minutissime sostanze organiche sospese. I coanociti (particolari cellule flagellate) aiutano a convogliare l’acqua, le particelle intrappolate scendono verso la base del collare dove vengono inglobate dalla cellula. Il sostegno scheletrico è dato da spicole interne silicee o calcaree e/o fibre spongina. Ermafrodite o sessi separati; hanno fecondazione interna con sviluppo di larva flagellata liberamente natante. Phylum Cnidaria, Animali a simmetria radiale Gli Cnidari comprendono animali marini a vita libera (meduse) o sessili (polipi). Hanno simmetria raggiata, con un’estremità del corpo che porta l’unica apertura della cavità gastrovascolare (bocca/ano). Alcuni sono sessili con la bocca rivolta verso l’alto, altri sono a vita libera con la bocca rivolta verso il basso. Hanno una vita solitaria o coloniale. Hanno cnidociti (posizionati sui tentacoli) cellule urticanti estroflessibili per la cattura del cibo, esclusive di questo Phylum. La riproduzione è asessuale (avviene per gemmazione) o fecondazione esterna con sviluppo di larva (planula) liberamente natante. a. Classe Hydrozoa (idre e idroidi): Colonie idroidi (idrocoralli) possiedono scheletro solido di carbonato di calcio. b. Classe Scyphozoa e Cubozoa (meduse): Forma medusoide dominante e forma polipoide limitata allo stadio larvale. c. Classe Anthozoa (coralli, anemoni di mare): Quelli che chiamiamo normalmente coralli sono antozoi scerattinici coloniali. Scheletro formato da carbonato di calcio. Il ciclo riproduttivo della medusa vede il rilasciamento nel mare di cellule spermatiche e uova che si possono fecondare formando la planula, stadio larvale che si sviluppa e deposita sul fondo; l’individuo adulto ha forma di poliploide da cui si staccano piccole sezioni impilate che tornano ad essere strutture natanti e si sviluppano in un altro organismo adulto medusoide. Phylum Platyhelminthes, Vermi Piatti I Platelminti sono animali a simmetria bilaterale con il corpo fortemente appiattito in senso dorsoventrale. Comprendono sia vermi piatti marini e d'acqua dolce, a vita libera, sia fasciole e tenie parassite. La condizione di bilateralità e la cefalizzazione (sviluppo del capo) sono caratteristiche animali correlate alla mobilità. La superficie del corpo dei platelminti a vita libera è ricoperta da ciglia (movimenti idrostatici), che vengono utilizzate nella locomozione, mentre il corpo delle forme adulte parassite è ricoperto da un tegumento non ciliato. La bocca rappresenta l’unica apertura del canale alimentare (ad eccezione delle tenie in cui è assente, qui alimentazione per assorbimento). Manca un sistema di trasporto interno ed il sistema nervoso è primitivo, formato da cordoni nervosi longitudinali. La maggior parte è ermafrodita e lo sviluppo diretto. Sono protostomi acelomati. condizioni ambientali più favorevoli. Essi possiedono uova cleidoiche ben sviluppate (ovvero uova autosufficienti): un guscio offre protezione contro la disidratazione e racchiude al suo interno il nutrimento necessario allo sviluppo dell’embrione. Gli Insetti rivestono una notevole importanza ecologica nell’ambiente terrestre: due terzi di tutte le piante Fanerogame dipendono dagli Insetti per l’impollinazione principalmente api, vespe, farfalle e alcuni ditteri). Le piante coltivate dall’uomo dipendono anch’esse dall’impollinazione operata dagli Insetti. Hanno anche un enorme importanza per l’uomo: alcuni sono vettori di organismi che provocano malattie nell’uomo e negli animali domestici come la malaria, la febbre gialla (zanzare), l’elefantiasi, la malattia del sonno (mosca tse tse), il tifo (pidocchi), la peste bubbonica (le pulci), la febbre tifoide e la dissenteria (mosche). Il corpo è organizzato in tre regioni principali: capo, torace e addome. Sul capo sono presenti un paio di antenne (sensoriali) e delle appendici alimentari (mandibole e mascelle). Originariamente le parte boccali erano adattate per masticare vegetali, poi si sono adattate a ampia varietà alimentare. Sul torace sono presenti le appendici atte alla locomozione (tre paia). Possono inoltre essere presenti una o due coppie di ali. Gli Insetti possono avere un’organizzazione sociale (formiche, termiti, api, vespe), la comunicazione interspecifica attraverso feromoni, suoni o segnali luminosi. Cicli vitali degli insetti possono vedere: metamorfosi graduale (giovani simili agli adulti ma senza ali dopo diverse mute acquistano le ali; es. cavallette, blatte, cimici), metamorfosi completa (3 stadi: larva, pupa e adulto; es. farfalle, coleotteri), no metamorfosi (i giovani sono simili agli adulti; es. collemboli). Le larve sono in grado di utilizzare fonti di cibo ed habitat che non sono disponibili per l’adulto e viceversa. In alcuni Insetti la pupa si comporta come uno stadio quiescente resistente, in modo da consentire al ciclo vitale di superare le condizioni avverse presenti durante certe stagioni dell’anno. Presentano diversi ordini: Ortotteri (cavallette, grilli, cicale, locuste, insetti stecco e mantidi religiose), Odonati (libellule), Lepidotteri (farfalle, falene), Coleotteri (ordine più grande di tutto il regno animale: scarabei, cervi volanti, maggiolini e coccinelle), Ditteri (moscerini, mosche, zanzare), Imenotteri (api, vespe, formiche). Phylum Echinoderma Gli Echinodermi sono, insieme agli Emicordati e ai Cordati, degli animali deuterostomi (la bocca si origina come una nuova apertura, mentre la formazione dell’ano è in corrispondenza del blastoporo). Sono animali esclusivamente marini. Comprendono le stelle di mare, i ricci di mare, le oloturie e i gigli di mare. Vivono quasi esclusivamente sul fondo, solitamente su substrati duri quali rocce, conchiglie e coralli. Gli Echinodermi hanno un endoscheletro organizzato in piastre o ossicoli calcarei che comprendono anche le spine superficiali e che danno il nome al phylum (echinodermata = derma provvisto di spine). Il loro carattere distintivo è dato dalla presenza di una simmetria radiale pentamera. Essi presentano un sistema acquifero (sistema di canali che ha origine dal celoma durante lo sviluppo embrionale), esclusivo di questo phylum. È un sistema formato da canali e appendici, internamente ciliato è ripieno di un liquido le cui funzioni sono locomotoria, alimentare, di scambio di gas ed eliminazione di cataboliti azotati. Nelle stelle marine (Classe Asteroidea) la bocca è rivolta verso il basso, nella parte centrale del corpo. Dal disco centrale del corpo si prolungano diverse braccia. Sulla parte inferiore delle braccia sono presenti i pedicelli ambulacrali, strutture caratteristiche. Il sistema acquifero, tramite un complesso sistema di contrazioni muscolari delle ampolle, regola la pressione dei pedicelli e ne determina il movimento. Durante il movimento, un braccio si comporta da braccio guida ed esercita un temporaneo comando su tutti gli altri. La maggior parte delle stelle marine è carnivora e si ciba di rifiuti: Crostacei, Molluschi ed Echinodermi sono le loro prede più frequenti. La capacità rigenerativa delle stelle di mare è ben nota. Qualsiasi frammento del corpo, che contenga una porzione del disco centrale, è in grado di rigenerare un intero individuo (tuttavia tale processo può essere piuttosto lento e durare circa un anno). I ricci di mare (Classe Echinoidea) hanno un corpo sferico con il polo orale che contiene la bocca rivolto verso il basso. Benchè non presentino braccia, sono presenti cinque piastre ambulacrali provviste di pedicelli. Numerosi ricci usano i pedicelli per spostarsi, così come fanno le stelle di mare, utilizzando il sistema acquifero. Hanno un apparato boccale raschiatore. Si nutrono di alghe e altri animali che vengono strappati dal substrato o masticati da una complessa struttura mobile, la lanterna di Aristotele, che contiene cinque denti estroflessibili. Altri Echinodermi sono i gigli di mare (Classe Crinoidea), le stelle serpentine (Classe Ophiuroidea) e i cetrioli di mare o oloturie (Classe Holothuroidea). Phylum Chordata I Cordati sono animali deuterostomi con simmetria bilaterale. Hanno differenze intraspecie che li ha portati a differenziarsi molto. Sono animali che possiedono un organo di sostegno interno detto corda. Presentano, almeno in uno stadio del loro ciclo biologico, 4 caratteri distintivi: 1. Notocorda, organo assile longitudinale dorsale di sostegno 2. Tasche faringee che si aprono come fessure sulla superficie del corpo 3. Tubo nervoso (o cordone) dorsale da cui si origina il sistema nervoso 4. Larva con coda postanale muscolare Nei cordati più semplici, come l’anfiosso e le ascidie, la corda permane nell’individuo adulto, mentre nei vertebrati dopo lo stadio embrionale viene sostituita dalla colonna vertebrale. I cordati si dividono in 3 gruppi/subphylum che si differenziano per la posizione della notocorda rispetto a cordone nervoso: 14 a. Subphylum Urochordata, i Tunicati: I Tunicati sono animali caratterizzati dal fatto che la corda, per lo più transitoria, è limitata alla sola regione codale. Sono dotati di un rivestimento caratteristico, la tunica: questa svolge protezione e sostegno. Sono animali sospensivori che filtrano l’acqua e vivono ancorati ad un substrato. La tunica può essere spessa o sottile, liscia o rugosa; composta da un carboidrato simile alla cellulosa. I Tunicati più conosciuto sono le Ascidie. Le ascidie sono organismi marini bentonici, che popolano fondali sabbiosi e rocciosi, ma talora possono svilupparsi anche su altri substrati, quali ad esempio altri animali o persino scogli al limite fra l’alta e la bassa marea. Presentano la corda dorsale solo nella regione caudale e solo negli stadi embrionali. b. Subphylum Cephalochordata, gli Anfiossi: I Cefalocordati sono animali pisciformi, marini, che vivono nei mari caldi e temperati in acque litoranee a piccola profondità. Assomigliano a piccoli pesci lanceolati. Vivono infossati nella sabbia e nuotano e scavano gallerie con movimenti ondulatori del corpo. Si alimentano filtrando l’acqua. Il gruppo comprende poche specie, fra cui il più noto è l‘Anfiosso. Hanno una coda post-anale, un codone nervoso, una notocorda e fessure branchiali. La coda permane per tutto l’arco della vita e occupa l’intera lunghezza del corpo. c. Subphylum Vertebrata: Un Vertebrato è un cordato che possiede un endoscheletro (scheletro interno) cartilagineo o osseo. I Vertebrati sono organismi deuterostomi, celomati, a simmetria bilaterale. La corda dorsale, comune con i Cordati, è presente solo nell'embrione, ed è sostituita poi da una colonna vertebrale costituita da una struttura scheletrica robusta. Il sistema nervoso centrale è dorsale alla corda ed è presente una dilatazione della parte anteriore del tubo neurale (encefalo) ed una protezione dell’encefalo (cranio). I primi Vertebrati erano animali acquatici. Quelli attuali vivono in tutti gli ambienti ma i vertebrati terrestri sono discendenti da un comune vertebrato acquatico. Rivestono e sostituiscono la corda dorsale con un sistema scheletrico metamerico, la colonna vertebrale. Classe Agnatha, Lamprede e Pesci senza mandibole Gli Agnati sono i Vertebrati più primitivi che si conoscono. Le Lamprede (Classe Agnatha) sono dei Vertebrati acquatici ancestrali, privi di mandibole e mascelle. Hanno una bocca circolare a ventosa (con piccoli denti cornei) e un corpo lungo e cilindrico, anguilliforme. La bocca a ventosa gli permette di ancorarsi ai sassi oppure, per nutrirsi, al corpo dei pesci. Usando la lingua raschiano la pelle dell’ospite e poi ne succhiano il sangue, sono pertanto degli ectoparassiti. Alcune trascorrono la vita adulta in mare ma risalgono i fiumi per riprodursi, altre ancora sono specie fluviali. Classe Chondrichthyes, Pesci Cartilaginei (Squali, razze, torpedini, mante). La caratteristica principale dei Condroitti è lo scheletro interno cartilagineo (senza tessuto osseo) che non è fatto di tessuto osseo calcificato, ma ha una rigidità inferiore. Il suo vantaggio è che dà sostegno e allo stesso tempo flessibilità. Si è evoluto in ambiente acquatico perché sulla terra uno scheletro del genere non potrebbe sostenere animali di massa enorme. La presenza nell’individuo adulto di uno scheletro cartilagineo è possibile in quanto il sostegno del corpo è possibile, in acqua, anche senza la presenza di uno scheletro più robusto in osso. Si differenziano dai pesci ossei per alcune caratteristiche: • hanno quasi sempre la bocca ventrale, cioè posizionata nella parte inferiore del capo (e non in punta) • non possiedono una vescica natatoria (organo che permette ai pesci ossei di galleggiare perché pieno di gas), per cui per galleggiare i condroitti devono muoversi continuamente • hanno solitamente cinque fessure branchiali ai lati della testa ben visibili (nei pesci ossei sono coperte da un opercolo) Sono generalmente dei predatori, tranne alcune grandi specie che si nutrono di plancton (es. squalo balena). Classe Osteichthyes, Pesci Ossei I pesci ossei comprendono la maggior parte dei pesci viventi conosciuti. Occupano la maggior parte degli ambienti acquatici (acqua dolce e marina) e possono avere dimensioni di pochi centimetri o alcuni metri. La principale caratteristica che li differenzia dai pesci cartilaginei è lo scheletro interno ossificato che si forma per ossificazione dello scheletro embrionale di cartilagine. I pesci ossei hanno il corpo ricoperto da scaglie, lamelle disposte come tegole, con funzione protettiva nei confronti dell’abrasione, e conferiscono una certa rigidità alla sottile pelle, pur mantenendo la flessibilità del corpo; contribuiscono all’idrodinamicità del corpo del pesce. La bocca è in posizione terminale (e non sul lato inferiore, come nei pesci cartilaginei). Respirano l’ossigeno disciolto in acqua attraverso le branchie disposte ai lati del corpo e coperte da un opercolo. Hanno inoltre un organo peculiare, la vescica natatoria che permette di regolare il loro peso specifico e sostarsi in tal modo a profondità diverse. Al posto degli arti hanno pinne: una o due pinne dorsali e una pinna caudale. Gli occhi sono posti lateralmente. La vescica natatoria regola il galleggiamento riempiendosi di gas, in modo da poter nuotare consumando meno energia e da poter effettuare spostamenti verticali senza nuotare. La maggior parte dei pesci ossei sono ovipari (depone uova entro le quali si compie lo sviluppo embrionale) a fecondazione esterna. Nella fecondazione esterna gli spermatozoi maschili e l’uovo femminile si incontrano all'esterno degli organi sessuali femminili. Ad esempio, un pesce di sesso femminile diffonde le proprie uova nell’acqua, dove poi incontrano gli spermatozoi e vengono quindi fecondate. Il numero di uova deposte è molto vario, e possono deporne un numero elevatissimo (il merluzzo fino a dieci milioni). Le linee evolutive dei pesci ossei sono assai complesse e diversificate, così come i loro adattamenti: esistono pesci di mare e di acqua dolce (ma anche pesci che usano entrambi gli ambienti in momenti diversi della loro vita), ci sono pesci sedentari ed altri migratori, si distinguono specie litoranee (vivono vicino alle coste, la maggior parte), specie pelagiche (di mare aperto) e specie abissali (fondo degli abissi). La maggior parte delle specie ha abitudini predatrici: alcuni sono addirittura in grado di divorare prede superiori alla propria massa, altre invece si nutrono di plancton. Classe Amphibia Dai pesci si sono evoluti gli anfibi che ancora oggi, nonostante per la maggior parte siano dei Vertebrati terrestri, portano le tracce della loro origine acquatica in quanto il loro ciclo vitale è vincolato alla presenza di acqua. L’evoluzione degli anfibi ha permesso ai Vertebrati di colonizzare l’ambiente terrestre. Sono animali a pelle nuda, che respirano attraverso branchie (girini) e attraverso polmoni e pelle (adulti). La pelle è sempre inumidita perché che funziona come organo polmonare aggiuntivo. Gli anfibi sono animali a sangue freddo (eterotermi), ovvero non sono in grado di regolare la temperatura del loro corpo con il solo metabolismo interno. Per questo motivo la loro temperatura corporea tende a variare con la temperatura dell’ambiente esterno. Da questo deriva l’evoluzione di adattamenti comportamentali per termoregolare (regolare in temperatura) del proprio corpo (sono animali a sangue freddo anche i Pesci e i Rettili). Sono ovipari con uova senza guscio. La fase larvale è legata agli ambienti acquatici mentre quella adulta all’ambiente terrestre. La larva degli anfibi è dotata di coda, può avere un alimentazione erbivora o carnivora e respira con le branchie. La larva, dopo aver passato un certo periodo in acqua nutrendosi ed accrescendosi, va incontro a metamorfosi, le branchie vengono riassorbite e l’individuo inizia a prendere la forma dell’adulto. I principali raggruppamenti degli Anfibi sono: a. Apodi (senza zampe): cecilie, gimnofioni b. Urodeli (con coda e corpo allungato): tritoni, salamandre c. Anuri (senza coda e con zampe posteriori ben sviluppate per il salto): rane, rospi, raganelle Classe Reptilia L’abbandono definitivo dell’acqua avvenne quando comparvero animali con la pelle a scaglie, resistenti alla siccità e capaci di deporre uova che racchiudevano nel guscio un ambiente liquido in miniatura. Dagli anfibi si sono quindi evoluti i Rettili. Dai Rettili si sono poi evoluti i Mammiferi e gli Uccelli. Essi si sono meglio adattati all’ambiente terrestre e sono quindi in grado di vivere lontano dall’acqua (ma rimane sempre importante per la loro sopravvivenza). Respirano con dei polmoni e lo strato corneo di scaglie è particolarmente spesso, e protegge l’animale dalla disidratazione, dall’abrasione e dalle ferite; conferiscono maggiore aderenza al substrato e quindi facilitano la locomozione. Hanno una locomozione più rapida rispetto agli anfibi, alcuni con arti sviluppati. Sono anche loro animali eterotermi, motivo per cui molte specie frequentano ambienti caldi. Sono ovipari (depongono uova nell’ambiente) e la fecondazione è di solito interna (avviene all’interno del corpo femminile). Fanno eccezione alcune specie di lucertole le cui uova vengono covate all’interno del corpo materno (ovovivipare). L’uovo amniotico è comparso per la prima volta nei Rettili (ma è presente anche negli Uccelli e nei Mammiferi Monotremi) e ha rappresentato la più importante conquista evolutiva di adattamento all’ambiente terrestre. Grazie ad esso i Rettili hanno potuto deporre le uova sulla terra ferma e quindi essere indipendenti dall’ambiente acquatico, colonizzando con successo l’ambiente terrestre. Il liquido amniotico mantiene l’embrione in un ambiente umido di protezione e ricco di sostanze nutritive (sacco vitellino) e gli scambi gassosi sono regolati dal corion. I gruppi sono: a. Cheloni (tartarughe e testuggini) b. Loricati (coccodrilli, alligatori, caimani) c. Squamati: Ofidi (serpenti), Sauri (lucertole, gechi, camaleonti, iguane) Classe Aves, Uccelli Gli Uccelli sono derivati da un gruppo di Rettili. Il più antico uccello era ancora assai simile a un rettile nella sua struttura di insieme. Gli uccelli hanno adattato il corpo per volare. Adattamenti: • Riduzione del peso (ossa leggerissime e pneumatiche che rendono il corpo più leggero e meno faticoso da involare; e sacchi aerei, prolungamento dei polmoni, riducono il peso) • Muscoli pettorali potenti innestano su uno sterno molto sviluppato (la carena) • Hanno penne derivate dalle squame dei rettili. Le penne assolvono due importanti funzioni: isolano termicamente dall’ambiente esterno e aumentano la superficie delle ali, facilitando il volo, e quindi tutte le funzioni ad esso connesse (ricerca del cibo, fuga dai predatori, ricerca del partner). La loro particolare struttura, fatta di sottili filamenti ramificati e agganciati tra loro (barbe e barbule), permette di ottenere la massima superficie con un peso minimo, e un’efficiente capacità isolante. La capacità di volare non è la caratteristica che permette di distinguere in modo univoco gli uccelli, poiché anche altri animali vertebrati sono in grado di volare (es. i pipistrelli). Inoltre esistono molti uccelli che non sono in grado di volare nonostante la presenza delle ali (struzzo o kiwi). Altri ancora si sono specializzati più nel nuoto 14 ✓ Oggi ci troviamo durante un momento di estinzione di massa, la 6^: ci sono delle specie endemiche, strettamente ristrette in un’area geografica. La crisi della biodiversità è uno dei più impellenti problemi ambientali a livello mondiale poiché si stima che si perdano 27000 specie all’anno (3 all’ora). Le cause vengono sintetizzate con la sigla HIPPO: ■ H: perdita e alterazione dell’habitat che vengono continuamente distrutti e degradati; ciò è particolarmente grave in zone ricche di biodiversità, che quindi provocano perdite più drammatiche, un esempio è la foresta equatoriale e tropicale (qui si verifica anche la frammentazione o effetto margine, per cui come la deforestazione procede, altre particelle risentono dell’influsso dell’ambiente circostante e si degradano). ■ I: specie invasive che hanno un importante impatto sull’ambiente. Si intende una specie che trasportata fuori dal suo areale originario e sfuggita al controllo dell’uomo, comincia a riprodursi e ad alterare gli ecosistemi che invade (rospo marino, tarlo asiatico, scoiattolo grigio). ■ P: inquinamento, spesso si crea un effetto a cascata (avvoltoi). ■ P: conflitto con la popolazione umana in quanto l’azione antropica è uno dei motori che contribuiscono a spiegare l’attuale situazione e distribuzione delle specie. ■ O: eccesso di caccia e raccolta (tonno, merluzzo, dodo, moa, alca). Questi fattori sono intrecciati tra di loro e bisogna inoltre ricordare che il riscaldamento globale ha una forte influenza (balie nere, tartarughe, rana toro). Gli anfibi sono in declino a scala mondiale, ma potrebbe trattarsi anche di una fluttuazione, per cui è necessario un monitoraggio che implica risorse; si può lavorare con volontari per progetti su larga scala per il monitoraggio della biodiversità, anche se non è sempre semplice raccogliere i dati. La biologia della conservazione si occupa proprio della crisi della biodiversità e si fonda su 3 principi: evoluzione, ecologia dinamica e presenza umana; ai quali si aggiungono 4 postulati: la diversità degli organismi, la complessità ecologica e l’evoluzione sono buona cosa, la diversità biologica ha un valore intrinseco. È possibile finanziare sinergie positive: progetti di riforestazione, ecoturismo, tutela di specie minacciate, progetti di conservazione. La ricchezza di specie in un’isola dipende dalla quantità di estinzioni e di colonizzazioni; McArthur e Wilson hanno teorizzato che le estinzioni sono direttamente proporzionali alla grandezza dell’isola, mentre le colonizzazioni sono inversamente proporzionali alla distanza dell’isola, quindi grandezza e distanza sono predittori del numero di specie, che viene espresso con un’equazione logaritmica. Nelle isole antropizzate vi è un numero minore di specie native e maggiore di specie alloctone, ciò dimostra che oggi le estinzioni e le colonizzazioni sono determinate dalle attività umane. I fattori geografici rilevanti di un’isola sono: area, isolamento e altezza; numero di abitanti e presenza di aeroporti. Quindi gli uomini sono la causa principale delle colonizzazioni recenti, anche se l’ambiente è importante e modificano le tradizionali relazioni biogeografiche: isole grandi e abitate hanno meno specie, la relazione area-specie non è lineare. Un esempio di cambiamento di habitat è la deforestazione (mata atlantica, foresta amazzonica). Anche il turismo ha un grosso impatto sull’ecosistema: esempio del Nepal, in cui gli sherpa coltivarono foraggio per gli animali; da quando gli alpinisti occidentali sono riusciti a scalare l’Everest, una serie di persone ha iniziato ad esplorare questa valle, cambiando la sua economia, che si è man mano sempre più incentrata sul turismo. La stagionalità è fondamentale perché i monsoni giocano un ruolo rilevante. Il turismo ha modificato la struttura dei villaggi. Alcuni esemplari di yak (maschio) e nak (femmina) sono stati domesticati, ma persistono comunque branchi di selvatici; possono essere incrociati con altri bovini per ottenere ibridi più docili e adatti alle temperatura più basse. Nonostante le femmine fossero più abbondanti per il latte, in un paio di villaggi sono stati registrati aumenti di esemplari maschili perché a causa del turismo era necessario trasportare materiali e i maschi erano più adatti. Esaminando le comunità di uccelli, si nota la scarsa presenza di specie tipiche di alberi maturi e risultano più numerose le specie di qualità ecologica inferiore: indice della situazione di degrado in cui versano le foreste del parco. Ciò deriva dal rapporto tra uomo e ambiente nel parco naturale Sagarmatha: gli sherpa si sono insediati ed hanno iniziato a tagliare le foreste, ma questo era un disturbo a scala locale con piccoli tagli forestali (il combustibile principale non era infatti il legno, ma lo sterco di yak essiccato) poiché il fattore limitante è la geomorfologia (si tagliavano gli alberi solo sui terreni pianeggianti che servivano per creare i campi), quindi l’eterogeneità del paesaggio aumenta e la biodiversità è più alta poiché sono avvantaggiate tutte le specie che usano foresta e spazi aperti, anche perché la società che abita questo luogo non uccide animali (per cultura e religione), questi ultimi si avvicinano infatti agli uomini, sfruttando le risorse e creando una rete trofica più complessa (carnivori che si cibano di erbivori) e la biodiversità aumenta. Col passaggio al turismo la pressione sui sistemi naturali è aumentata creando disturbi a larga scala, sfruttamento intenso delle foreste (per il calore in assenza di elettricità) e forti cambiamenti culturali (perdita della pastorizia e della produzione di formaggi), e disturbi non incorporati: complessivamente si registrano danni ai sistemi ecologici e diminuzione della biodiversità. Tutto ciò implica una regolazione del turismo, che non significa limitare gli accessi o eliminare tutti i benefici, ma serve solo per limitare i danni sull’ambiente. La 6^ estinzione di massa è legata all’uomo, seppure è bene ricordare che non tutti gli insediamenti antropici sono negativi per l’ambiente. Bisogna essere consapevoli che sulle specie invasive ha senso intervenire se ciò ha senso e ha garanzia di successo, non se richiede un intervento annuale che sarebbe troppo costoso: scoiattoli grigi del Nord America che hanno soppiantato quelli rossi europei, derattizzazione, nutrie, robinia che cresce anche il luoghi aridi ma che fa scomparire le piante boschive tradizionali in quanto buon competitore, tartarughe, rospi marini (predatori degli insetti parassiti delle canne da zucchero) che poiché velenosi hanno fatto collassare i grandi rettili (coccodrilli) i quali erano predatori dei roditori (dannosi per le coltivazioni australiane). Le invasioni biologiche sono un processo a più fasi: 1. dispersione al di fuori dell’areale originale della specie 2. insediamento delle popolazioni in aree nuove 3. invasione del nuovo areale la pronta risposta è la migliore strategia: evitare le introduzioni o rimuovere immediatamente le popolazioni potenzialmente invasive. Meno dell’1% delle popolazioni autoctone diventa invasiva, perciò si costruiscono modelli/ mappe di idoneità dell’habitat che si basano su presenza-assenza e fitness/presenza della riproduzione (teniamo presente anche che la riproduzione può avvenire senza che ce ne accorgiamo e che il clima influisce molto): serve per capire dove andare ad operare sulle aree idonee per la riproduzione (tartaruga vs testuggine europea nelle acque dolci). In tutto questo bisogna tenere conto del fatto che il clima sta cambiando e di conseguenza anche le condizioni che garantivano la riproduzione di certe specie: a breve termine vedremo quindi l’espansione di aree idonee per la riproduzione e perciò dovremmo agire nell’ottica di un’eradicazione immediata prima del successo riproduttivo. Il commercio di animali ornamentali o di affezione è tra le principali fonti di specie alloctone per i tetrapodi. Il rilascio di animali d’affezione è particolarmente grave per anfibi e rettili. Le strategie per la prevenzione: divieto di importazione (nonostante gli interessi economici e commerciali), identificare le specie che possono diventare effettivamente invasive ed eventualmente renderle sterili. I rettili più commerciati ed introdotti sono le testuggini d’acqua dolce: fino alla fine degli anni ’90 la Trachemys scripta era quella più importata, poi non più per il rischio di naturalizzazione e il commercio si è spostato verso altre sottospecie; sono stati costruiti dei modelli bioclimatici per capire le condizioni di riproduzione ed individuare le specie potenzialmente rischiose. Le nuove specie potenzialmente rischiose hanno prezzo commerciale basso (per cui sono acquistate da molti). I modelli di distribuzione potenziale evidenziano, per ogni specie, le località di presenza referenziale e i dati bioclimatici; essi vanno poi confrontati con i dati del paese in cui si rischia la naturalizzazione. La sfida per il futuro sta nella complessità di considerare e gestire un numero imprecisato di specie provenienti da tutto il mondo ed elaborare strategie per evitarne la liberazione; bisogna quindi attribuire un ruolo importante alla comunicazione e all’educazione e conoscere bene la biologia degli animali che si vuole adottare. L’ambrosia è una specie invasiva vegetale. Sapere la distribuzione della biodiversità e delle specie è una sfida per chi fa conservazione delle risorse naturali. Molte specie non sono ancora state descritte (catena linneana) perché ogni anno se ne scoprono delle nuove; altre invece sono conosciute, ma non descritte (catena di Wallace). La specie effettiva non è quella osservata, ne rimane sempre una parte sconosciuta e tutto è determinato dal campionamento. Si possono usare dei modelli ecologici per stimare la ricchezza considerando fattori bio ed eco geografici (temperatura, precipitazioni, vegetazione, superfice, traspirazione) e il campionamento. Quindi bisogna riflettere su dove ha più senso fare ricerca. FILM: IL MIO AMICO NANUK SPUNTI PER LE LEZIONI Le zone artiche sono tra le aree a maggior rischio di cambiamenti perchè il riscaldamento complessivo dell’atmosfera si concentra principalmente qui e ciò sta portando a un aumento della temperatura sensibile. Definizione di riscaldamento globale: chi studia il clima osserva che c’è un cambiamento delle temperature medie della terra dovuto alle emissioni antropiche di gas ad effetto serra; esso porta a un aumento delle temperature medie sulla terra, di circa 1°. Il cambiamento è più veloce di quello che sia mai avvenuto il passato e ciò si deve all’azione antropica che mette gas che contribuisce a far aumentare la temperatura. I cambiamenti dell’artico sono una delle sentinelle del cambiamento globale, perciò il film è uno spunto per parlarne. Il ghiaccio che si scioglie è acqua in più. Il modello occidentale di sviluppo e trasformazioni economiche spesso annulla le culture locali. Evidentemente non è tutto realistico ciò che è presentato nel film, poiché anche se gli orsi sono da un lato pericolosi per l’uomo in quanto cacciatori attivi e soprattutto diventano aggressivi se percepiscono che i cuccioli sono in pericolo. Si avvicinano ai centri urbani perché gli orsi hanno imparato a mangiare dai rifiuti, ma interazioni così ravvicinate tra uomini e orsi sono pericolose. È realistico il periodo di cure parentali molto lungo da parte della mamma (2 anni); è realistico che il cucciolo che perde la figura parentale segua qualcun altro, soprattutto se gli dà da mangiare. Il film offre degli spunti: clima e geografica, alimentazione, bussola, rapporto uomo-ambiente, mulinelli, premonizione delle tempeste, migrazioni, aurora boreale, riconoscimento madre-figlio, estinzione, sopravvivenza dell’uomo, inuit. Gli orsi bianchi sono dell’ordine dei carnivori nella famiglia degli ursidi; la parola orso ha una nomenclatura fuorviante (vanno differenziati dai procioni e dal panda minore), per cui è meglio usare la terminologia formale. Sono ai vertici della rete trofica (il modo in cui gli etologi descrivono un ecosistema, comunità biologica con tutte le relazioni biologiche e i fattori non biologici, e raccontano le relazioni tra le diverse specie che lo vivono). La biologia degli orsi a partire dalla visione di un film: da qui può partire un percorso sull’educazione ambientale (visione di un ambiente fragile). Orsi ed evoluzione, il caso del panda: possiamo vedere un esempio di cooptazione nel 6° dito del panda che non aveva il pollice opponibile, ma ne aveva bisogno per la scorticazione. Si può anche riflettere sull’aggressività degli orsi, per rendersi conto che gli animali possono essere pericolosi e di conseguenza non sempre buoni, come può sembrare a chi non li vive (esempio: orsi dell’Adamello-Brenta: nucleo i 14 orsi consanguinei che si sono incrociati tra loro e perciò è stato necessario un progetto di rinforzo della popolazione che seppur inizialmente era stato positivamente accettato, si è poi rivelato dannoso nei confronti delle coltivazioni, degli allevamenti e anche dei turisti); ciò dimostra la necessità di un’educazione che ci permetta di conoscere ed accettare le conseguenze di questo tipo di interventi. ESEMPI DI LEZIONI SUGLI ANIMALI ♦ Meccanismi difensivi e mimetismo: Possiamo individuare 2 tipi fondamentali di sistemi difensivi: passivi o primari (adattamenti biologici e morfologici; agiscono indipendentemente al fatto che un predatore sia nelle vicinanze o meno: riducono la possibilità di incontro tra preda e predatore) o attivi o secondari (vengono messi in atto solo quando se ne sente la necessità: fuga, deviazione dall’attacco, bluff) Alcuni comportamenti hanno una funzione mimetica antipredatrice. Molti animali stanno nascosti dai predatori, altri regolano i loro ritmi di attività in modo da evitare l’esposizione all’attacco dei predatori (attivi di notte), altri hanno le corazze, altri difese chimiche (farfalle monarca, con una colorazione molto visibile e un gusto amaro), colori aposematici o criptici. Il mimetismo serve ad ingannare il predatore che non riesce a distinguere la preda: può essere difensivo (insetti, sogliola, lucertola tropicale, farfalla geometra) o aggressivo (tartaruga). In alcuni casi il corpo può essere messo in rilevo da luci e ombre: contro-ombreggiatura-obliterante che elimina il rilievo (gazzella) e colorazione disgregativa che rende meno definito il contorno in un branco (zebra). Alcuni hanno colorazioni fobiche (falena sfinge testa di morto). Il mimetismo batesiano si ha quando i predatori imparano ad evitare prede sgradevoli per condizionamento, di conseguenza evitano anche le specie che assomigliano ad esse (farfalle monarca-vicere, coleotteri-cavallette, ragni commestibili-velenosi, formiche-ragni). Il mimetismo mulleriano vede un’evoluzione convergente di specie inappetibili che convergono ad avere lo stesso aspetto (serpente corallo-falso serpente corallo). ♦ I rettili: hanno dei colori particolari e a volte li cambiano anche; tutto quello che spesso sappiamo di loro non è vero; si sanno difendere; usano la lingua per conoscere il mondo; forniscono cure parentali. Per muoversi: scivolano, corrono, si arrampicano anche su superfici lisce, planano, saltano, nuotano. Sono raggruppabili: ringocefali, testuggini, squamati e coccodrilli. Sono i parenti più prossimi dei dinosauri, dopo gli uccelli. I serpenti sono lucertole che hanno perso le zampe. I serpenti hanno la possibilità di svicolare mandibola e mascella e quindi di ingerire cibi di grandi dimensioni. I serpenti velenosi possono essere di 3 tipi in base a dove sta il veleno: aglifi, opistoglifi, solenoglifi. ECOLOGIA ED EDUCAZIONE AMBIENTALE Questa parola è stata coniata nel ’66. È lo studio della struttura e del funzionamento degli ecosistemi (Odum), studio delle interazioni tra gli organismi e il loro ambiente (Bullini, Pignatti, de Santo), lo studio scientifico delle interazioni che determinano distribuzione ed abbondanza degli organismi (Krebs, il quale si domandava cosa non fosse ecologia). Letteralmente è la composizione di 2 vocaboli greci per cui letteralmente significa discorso/studio sulla casa (intesa come mondo). L’ecologia sarebbe dunque la totalità della scienza delle relazioni tra un organismo con l’ambiente, comprendendo in senso ampio tutte le condizioni di esistenza di natura organica e inorganica. Oggi l’ecologia integra discipline scientifiche diverse tra di loro, riguarda infatti in primo luogo la biologia, ma coinvolge altri ambiti disciplinari. Esisteva l’ecologia anche prima che venisse coniato questo nome da Haeckel: già Linneo e Darwin avevano studiato distribuzione ed abbondanza degli organismi come le cause dell’evoluzione per selezione naturale. Una personalità importante è quella di von Humbuls, che pose basi importanti per l’ecologia esplicitando il legame tra clima, vegetazione e limiti attitudinali. Toroi e Muner assistono a una mutazione rapidissima dell’ambiente degli stati uniti nella zona centro-occidentale: le montagne e le zone rocciose erano luoghi intoccati dall’uomo, se non dai nativi americani, quando si costruiscono le ferrovie queste zone diventano praterie o aree coltivate e diminuiscono i bisonti; i due studiosi iniziarono quindi a pensare ad un’area selvaggia senza gli uomini: così nascono i primi parchi nazionali e le prime aree protette (modelli di conservazione della natura). Warming identifica gli scopi dell’ecologia: ✓ Trovare quali specie sono associate in habitat similari ✓ Delineare la fisionomia della vegetazione e del paesaggio ✓ Comprendere come mai ogni specie ha una forma e un habitat particolare ✓ Individuare le motivazioni per cui le specie si raggruppano in comunità ben definite ✓ Analizzare le esigenze delle piante e le modalità della loro esistenza nei confronti dell’ambiente 4 approcci/radici: 1. Chimico-fisico: ottimizzare le produzioni agricole spinge a studiare i meccanismi dei cicli nutrienti delle piante. Partendo dagli studi su come aumentare la produttività dei campi, von Liebig è arrivato a formulare la legge del minimo. 2. Dinamica delle popolazioni: si mettono in relazione le popolazioni e le risorse (Malthus). 3. Scoperte zoologiche e botaniche