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Indice
Nozioni di base o Fondamenti di geografia fisica Climatologia La temperatura della superficie terrestre Profilo di pressione e struttura generale dell'atmosfera La circolazione dell'atmosfera e degli oceani o Fondamenti di biologia Che cosa è la vita La struttura della cellula e il DNA Cicli cellulari e riproduzione La biodiversità La classificazione degli organismi o L'ecosistema Che cosa è un ecosistema Struttura degli ecosistemi Due esempi: lo stagno e la foresta o Produzione e decomposizione negli ecosistemi Produzione primaria Produzione secondaria La decomposizione Ecologia di una singola popolazione o Introduzione allo studio delle popolazioni La stima dell'abbondanza delle popolazioni naturali Metodi di misurazione e campionamento Il metodo di cattura-marcatura-ricattura o Popolazioni malthusiane Demografia: concetti elementari L'equazione di bilancio Un esempio: la dinamica della cavalletta (Chorthippus brunneus) Un problema proposto: la dinamica della cinciallegra (Parus maior) Tasso finito di crescita Come stimare il tasso finito di crescita da dati di abbondanza Il modello di crescita malthusiana nel caso continuo Comportamento del modello malthusiano per popolazioni a riproduzione continua o Popolazioni strutturate per età o per taglia Curve di sopravvivenza e di fertilità Probabilità di sopravvivenza, tasso di mortalità e vita media Tasso di natalità, funzione netta di maternità e tasso netto di riproduzione Il grafo di vita Matrice di Leslie Proprietà del modello di Leslie Modelli a stadi di sviluppo: matrice di Lefkovitch o Popolazioni con dipendenza da densità
Forme e modi della dipendenza da densità Il modello logistico Comportamento del modello logistico: studio qualitativo... ...e sue soluzioni: simulate e analitiche Modelli a riproduzione concentrata con dipendenza da densità: il modello di Beverton-Holt Natura dei modelli a tempo discreto per popolazioni regolate Comportamenti di un modello discreto: il diagramma di Moran Dinamiche caotiche: il modello di Ricker Comportamenti del modello di Ricker: equilibri, cicli... La struttura trofica degli ecosistemi o Reti alimentari e piramidi ecologiche Flussi di energia e di materia negli ecosistemi Catene e reti alimentari Piramidi ecologiche e bilanci energetici o Consumatori e risorse, prede e predatori Risorse limitanti nelle comunità acquatiche e terrestri I modelli consumatori-risorsa Modello di Lotka-Volterra Risposta funzionale del consumatore Risposta funzionale di tipo 1 Risposta funzionale di tipo 2 Risposta funzionale di tipo 3 Il modello del chemostato con risposta funzionale o I flussi di materia negli ecosistemi e i cicli biogeochimici Bilanci biogeochimici Il ciclo del carbonio L'effetto serra e il riscaldamento globale La circolazione dei tossici negli ecosistemi Bioconcentrazione Biomagnificazione Conservazione degli ecosistemi e biodiversità o La biodiversità Quante specie ci sono? Misurare la biodiversità Esempi di gradienti di diversità Biogeografia delle isole Il processo di perdita di biodiversità Le minacce alla biodiversità Alterazione, perdita e frammentazione degli habitat Introduzione di specie esotiche e di organismi geneticamente modificati Il valore della biodiversità e le conseguenze della sua perdita Conservare la biodiversità
La Terra: un pianeta speciale Il numero di corpi celesti ufficialmente individuati e classificati è sterminato, ma tra di essi il nostro pianeta è davvero speciale. Esso è infatti l'unico che ospita, a quanto sappiamo, un tipo molto particolare di materia: la materia vivente. Lo studio del funzionamento di tutti gli altri pianeti e di tutte le stelle può prescindere dalla conoscenza della biologia, ma lo studio di come funziona la nostra Terra non può farne a meno. Possiamo immaginare che la Terra sia costituita da molti strati o sfere (come mostrato in Fig. 1 ). Figura 1: Uno spaccato che mostra la composizione interna della terra l'atmosfera costituisce il leggero involucro gassoso di aria posto intorno al pianeta. Essa è costituita da vari strati; quello più interno, la troposfera, si estende per 17 chilometri sulla superficie terrestre dal livello del mare e contiene la maggior parte dell'aria del pianeta costituita principalmente da azoto (78%) e ossigeno (21%). Lo strato successivo, che si estende da 17 a 48 chilometri sulla superficie della Terra, è chiamato stratosfera. La sua parte inferiore contiene una fascia di ozono (O che trattiene la maggior parte dei raggi ultravioletti più pericolosi provenienti dal sole (UV-b), permettendo così la vita sulla Terra. L'idrosfera comprende sia le acque superficiali che quelle sotterranee, il ghiaccio polare, gli iceberg e tutti gli strati di ghiaccio permanente sulla Terra e il vapore acqueo che si trova nell'atmosfera. La litosfera costituita dalla crosta terrestre e dal mantello superiore. Contiene i combustibili fossili, i minerali e le sostanze chimiche del suolo (sostanze nutritive) necessarie a sostenere la vita vegetale e animale del pianeta
L'ecosfera o biosfera è la parte della Terra in cui si trovano gli organismi viventi (biota) che interagiscono tra loro e con l'ambiente non vivente (abiotico). Questa zona di vita comprende la maggior parte dell'idrosfera e parti dell'atmosfera inferiore e della litosfera superiore. Si estende dalla fossa oceanica più profonda (più di 10 chilometri sotto il livello del mare) fino alle cime delle montagne più alte. Se paragonassimo la Terra ad una mela, l'ecosfera rappresenterebbe la sua buccia, un ambiente ideale per la vita compreso tra l'interno ardente della Terra e il freddo senza vita dello spazio. Uno degli scopi principali dell'ecologia è quello di imparare il funzionamento di questo sottile strato di aria, acqua, suolo e organismi.
Figura 5: Lo schema della circolazione meridionale dell'atmosfera terrestre. (a) Se la terra non ruotasse e rivolgesse sempre la stessa faccia verso il sole si avrebbero due celle di Hadley caratterizzate da forti movimenti ascendenti ai tropici e subsidenza nelle zone polari; (b) la rotazione della terra (forza di Coriolis) induce una configurazione più complicata con più celle. Oltre alle celle di Hadley si hanno celle in cui la circolazione cambia direzione (celle di Ferrel). La struttura della circolazione meridionale è schematicamente illustrata in Fig. 5. Se la terra non ruotasse e rivolgesse sempre la stessa faccia verso il sole si avrebbe essenzialmente la formazione di due enormi celle di circolazione atmosferica in direzione parallela ai meridiani, una nell'emisfero boreale e una nell'emisfero australe (Fig. 5 a). Infatti la circolazione sarebbe guidata dai seguenti fenomeni: la potenza della radiazione solare per unità di superficie è più forte ai tropici e quindi nella cintura equatoriale si ha aria calda e umida che tende a salire verso l'alto (tra l'altro salendo l'aria si raffredda e l'acqua condensa provocando le grandi piogge tropicali); l'aria tropicale che sale deve venire rimpiazzata da altra aria e quindi si hanno venti di superficie che vanno da nord verso sud; l'aria calda dei tropici non può salire indefinitamente perché salendo va raffreddandosi e quindi aumentando di densità. A un certo punto l'aria si distribuisce un po' verso l'emisfero boreale e un po' verso l'emisfero australe dirigendosi poi verso i poli nella troposfera superiore; poiché i poli (e la faccia nascosta della terra) sono freddi l'aria si raffredda ulteriormente e tende a precipitare (subsidenza) ai poli chiudendo così il ciclo.
Le due celle di circolazione che si formerebbero vengono chiamate celle di Hadley in onore del fisico inglese che nel diciottesimo secolo per primo descrisse correttamente la causa della circolazione meridionale, spiegando così il perché dell'esistenza degli alisei , ovvero quei venti che nella zona equatoriale soffiano da nord-est (emisfero boreale) o da sud-est (emisfero australe). Figura 6: L'origine della forza di Coriolis. Il semplice quadro della Fig. 5 a è però profondamente alterato dal fatto che la terra ruota intorno al suo asse. L'effetto principale della rotazione della terra sulla circolazione meridionale è quello dovuto alla cosiddetta forza di Coriolis. Essa è una forza apparente, cioè una forza che bisogna introdurre se consideriamo un sistema di riferimento che non sia inerziale, cioè dotato di movimento rettilineo uniforme rispetto al sistema di riferimento delle stelle fisse. In effetti per studiare i movimenti delle masse d'aria e delle correnti oceaniche è molto comodo adottare un sistema di riferimento che sia solidale con la superficie terrestre. Però se si vuole capire quali siano le posizioni e le velocità in questo sistema di riferimento bisogna introdurre non solo le forze vere, ma anche quelle che risultano dal considerare non l'accelerazione in un sistema di riferimento inerziale, ma l'accelerazione in un diverso sistema di riferimento. Se non vi ricordate le formule dalla meccanica, potete capire che cosa è la forza di Coriolis con questo semplice ragionamento. Considerate la Fig. 6 , che mostra come la velocità di un oggetto solidale con la superficie della terra è diretta tangenzialmente da ovest verso est, ma ha un modulo che varia con la latitudine: all'equatore la velocità è di 1670 km h , a 30 di latitudine è di 1466 km h , a 60 di 835 km h. Adesso considerate un oggetto che si muove dall'equatore verso nord; poiché deve valere la conservazione della quantità di moto in direzione tangenziale alla superficie della terra l'oggetto manterrà la velocità di 1670 km h in tale direzione spostandosi contemporaneamente verso nord. Ma più a nord la superficie della terra ha una velocità inferiore; quindi l'oggetto non si muoverà lungo un meridiano, ma si troverà ad avere sopravanzato il movimento della terra, ovvero si troverà più ad est. Perciò rispetto al riferimento solidale con la terra è come se ci fosse una forza che spinge l'oggetto verso est. Questa forza apparente è la forza di Coriolis. Con un ragionamento analogo si può vedere che un oggetto che si muove verso l'equatore venendo da nord è deflesso verso ovest. Più genericamente possiamo dire che tutti gli oggetti che si muovono nell'emisfero boreale sono deflessi verso la loro destra. Analogamente tutti gli oggetti che si muovono nell'emisfero australe vengono deflessi verso la loro sinistra. Perciò la forza di Coriolis
Verso i 60 di latitudine le celle di Ferrel si richiudono: c'è un movimento ascensionale dell'aria associato con il tempo instabile tipico di queste latitudini. È il cosiddetto fronte polare che divide la cella di Ferrel da un'ulteriore cella di Hadley, la cella polare, in cui si ha di nuovo la classica circolazione meridionale con venti di superficie che spirano dai poli, venti in quota che spirano verso i poli e subsidenza dell'aria fredda sopra i poli. A causa della forza di Coriolis, che tra l'altro è molto più intensa verso i poli, si ha una forte componente orientale dei venti di superficie provenienti dai poli. La forza di Coriolis è anche la principale responsabile del sistema delle correnti a getto. Le correnti a getto sono collocate nell'alta troposfera in corrispondenza della transizione tra celle di Hadley e celle di Ferrel (vedi la rappresentazione tridimensionale in Fig. 7 ). Ad esempio quando l'aria della tropopausa superiore fluisce verso i poli nelle celle di Hadley equatoriali, essa viene deflessa e accelerata verso est formando le correnti a getto subtropicali. Le correnti a getto possono raggiungere i 400 km h e vengono comunemente sfruttate dai moderni aerei per volare da ovest verso est. La Fig. 7 rappresenta pittoricamente tutte le celle di Hadley e di Ferrel e le correnti a getto. Figura 8: L'andamento globale delle correnti oceaniche. Il regime dei venti superficiali, la forza di Coriolis e la forma dei continenti sono anche in grado di spiegare l'andamento generale delle correnti oceaniche mostrato in Fig. 8. Gli alisei soffiando verso l'equatore da oriente accumulano l'acqua dell'Atlantico contro le coste orientali dell'America. L'acqua sul lato atlantico dell'istmo di Panama è decisamente più alta dell'acqua sul lato pacifico. L'acqua accumulata sfugge verso nord nell'emisfero boreale e verso sud nell'emisfero australe. In questa maniera si forma ad esempio la Corrente del Golfo. La forza di Coriolis continua a deflettere la Corrente del Golfo verso destra cosicchè le acque scorrono lungo le coste occidentali dell'Europa e dell'Africa chiudendo così il ciclo. Tra l'equatore e le medie latitudini tutti i sistemi di correnti sono in senso orario nell'emisfero boreale e in senso antiorario in quello australe. Particolarmente importante è il sistema di correnti che si sviluppa tra l'Australia e l'America Meridionale. Gli alisei accumulano acqua più calda nel Pacifico occidentale tanto che la superficie del mare è circa mezzo metro più alta in Indonesia che in Ecuador. Inoltre nel Pacifico occidentale l'acqua è di circa 8 C più calda che al largo delle coste sudamericane poiché il sistema di
correnti provoca una risalita delle acque profonde più fredde specialmente in corrispondenza del Perù. Poiché le acque profonde sono più ricche di sali nutrienti queste acque sono molto ricche di flora e di fauna marina. Si trovano qui alcune delle zone più pescose al mondo. Tuttavia questo sistema di correnti non è molto stabile. Periodicamente possono svilupparsi condizioni particolari per cui la forza degli alisei diminuisce, le piogge che sono normalmente sul Pacifico occidentale si spostano verso est e si hanno periodi di siccità in Australia e in Indonesia, mentre la risalita delle acque fredde al largo del Sud America si attenua portando a una decisa diminuzione dell'abbondanza degli organismi marini e quindi della pesca. Queste particolari condizioni si hanno spesso nel periodo natalizio e per questa ragione il fenomeno viene chiamato El Niño. Questa oscillazione è uno dei fenomeni che ha la maggior rilevanza nel determinare la meteorologia del nostro globo anche in zone distanti dall'Oceano Pacifico. Figura 9: Il sistema della circolazione termoalina. Differenti colorazioni dell'acqua indicano differenti salinità misurate secondo la Practical Salinity Scale (valori più alti = acque più salate). Tratta da Riebeek e Simmon (2005). Infatti le masse d'acqua oceaniche sono connesse tra di loro a scala globale dal fenomeno della circolazione termoalina. Essa lega le correnti superficiali, essenzialmente causate dai venti e dalle maree, con quelle profonde. Questo fenomeno ha anche giocato un ruolo importante nella durata delle ere glaciali. Come mostrato in Fig. 9 , acqua densa, molto salata si inabissa nell'Atlantico settentrionale fornendo la spinta al cosiddetto ``nastro trasportatore'' delle correnti. Il nastro trasportatore convoglia il calore dall'equatore verso i poli e innalza le temperature artiche. Flussi di acqua dolce che provengano dalle terre emerse vicine al Nordatlantico o dallo scioglimento dei ghiacci possono rallentare la circolazione provocando un raffreddamento dell'emisfero settentrionale. La Fig. 9 mostra la posizione e la direzione delle correnti superficiali calde e di quelle profonde fredde che costituiscono il nastro trasportatore. Viene anche riportata la salinità delle masse d'acqua.
Fondamenti di biologia Che cosa è la vita La caratteristica più peculiare della Terra è senza dubbio la presenza della vita. Tuttavia, benché a livello intuitivo sia evidente la differenza tra ciò che è vivo e ciò che non lo è - almeno per quanto riguarda la maggior parte degli organismi che popolano il nostro pianeta - non esiste una semplice definizione della parola ``vita''. L'incredibile molteplicità di forme assunte dagli esseri viventi rende difficile trovare delle definizioni che distinguano in modo univoco la materia vivente da quella inorganica. È però possibile identificare alcune caratteristiche comuni a tutti gli organismi viventi: sono in primo luogo caratterizzati dall'elevato livello di organizzazione. L'unità strutturale fondamentale degli organismi viventi è la cellula, che contiene al suo interno il materiale genetico (l'informazione ereditaria), nonché una grande varietà di molecole e strutture che le consentono di mantenere le proprie funzioni vitali. L'informazione ereditaria è immagazzinata in macromolecole, la più importante delle quali è il DNA (acido desossiribonucleico). sono in grado di prendere e trasformare la materia e l'energia dell'ambiente esterno e di utilizzarle per sopravvivere e riprodursi. sono - entro i limiti fisiologici - in grado di mantenere condizioni interne favorevoli anche a fronte di cambiamenti nell'ambiente esterno. La capacità di mantenere un'organizzazione e una composizione interna relativamente costanti e anche notevolmente diverse da quelle presenti nell'ambiente esterno è detta omeostasi. reagiscono agli stimoli, rispondendo alla presenza di particolari sostanze chimiche, a variazioni di temperatura, luminosità, umidità. sono capaci di riprodursi, cioè di generare altri organismi simili ai genitori e in grado di riprodursi a loro volta. Gli organismi unicellulari si riproducono per divisione: i discendenti sono quindi delle semplici copie (cloni) del genitore. Nelle forme di vita più complesse, invece, la riproduzione ha luogo con modalità che consentono il rimescolamento dell'informazione genetica proveniente dai genitori, cosicché i discendenti non sono mai esattamente identici ai genitori. Le differenze tra genitori e prole costituiscono uno dei principali motori dell'evoluzione. Gli organismi viventi sono in grado di adattarsi all'ambiente attraverso mutazioni - cambiamenti casuali nelle molecole di DNA - e attraverso la ricombinazione dei geni che avviene durante la riproduzione. Benché la maggior parte delle mutazioni abbia conseguenze dannose sulla possibilità di un individuo di sopravvivere o di riprodursi, alcune possono determinare una migliore capacità di adattarsi alla varietà delle condizioni ambientali. Il processo che determina la sopravvivenza degli individui più adatti ad un determinato ambiente è detto selezione naturale. Quando la somma delle modificazioni genetiche avvenute negli organismi esistenti porta alla formazione di nuovi organismi, si verifica quella che i biologi chiamano evoluzione. La continua differenziazione di nuovi gruppi di organismi è accompagnata dalla progressiva estinzione delle forme viventi che non sono in grado di fare fronte ai cambiamenti delle condizioni ambientali o alla competizione con specie più efficienti.
La struttura della cellula e il DNA Come detto in precedenza, la cellula rappresenta l'unità organizzativa fondamentale degli organismi viventi: è infatti la più piccola unità di un organismo in grado di funzionare in modo autonomo. Ogni cellula è delimitata spazialmente da una membrana esterna, la membrana cellulare , che ha la funzione di separare il contenuto della cellula dall'ambiente esterno e regola i flussi di sostanze in entrata e in uscita dalla cellula grazie alla sua permeabilità selettiva. All'esterno della membrana cellulare, le cellule di vari organismi (batteri, vegetali, funghi) sono ulteriormente delimitate dalla cosiddetta parete cellulare , che svolge una funzione essenzialmente strutturale. All'interno della cellula vi è il citoplasma , una sostanza fluida (ad elevato contenuto d'acqua) che contiene una varietà di molecole e di strutture specializzate dette organelli. Esistono tuttavia due tipi di cellule, fondamentalmente distinti per il loro diverso grado di complessità organizzativa. Le cellule degli organismi procarioti (dal greco pro- , prima di'' e _karion_ ,nucleo''; Fig. 1 a) sono di dimensioni più piccole - il diametro è generalmente compreso tra 1 e 5 m - e hanno una struttura interna molto semplice; il loro materiale genetico non è separato dal citoplasma per mezzo di una membrana, anche se occupa prevalentemente una regione del citoplasma chiamta nucleoide. Le cellule degli organismi eucarioti (dal greco eu , bene'' e _karion_ ,nucleo''; Fig. 1 b) hanno invece dimensioni maggiori (10- 50 m) e il loro materiale genetico è racchiuso all'interno di una membrana, detta involucro nucleare, che delimita il nucleo. Il materiale genetico (le informazioni ereditarie) dirige l'attività della cellula e le consente di trasmettere le sue caratteristiche ai suoi discendenti. Figura 1: Struttura della cellula procariotica (a: Escherichia coli , un batterio normalmente presente nella flora intestinale) e di quella eucariotica (b : Chlamydomonas , un'alga verde). L'ereditarietà biologica, ovvero il processo di trasmissione di caratteri individuali dai genitori ai loro discendenti, è stata da sempre oggetto di stupore. Tuttavia, solo nella seconda metà del diciannovesimo secolo, grazie agli studi effettuati da Mendel, si è iniziato a chiarire il funzionamento dei meccanismi ereditari. Mendel dimostrò che le caratteristiche ereditate vengono trasmesse come unità discrete - dette geni - che si distribuiscono secondo determinate regole da una generazione all'altra. I geni degli organismi sono localizzati nei cromosomi, strutture complesse formate da proteine e da
Cicli cellulari e riproduzione La divisione cellulare è il processo fondamentale che permette la replicazione di una cellula. Negli organismi unicellulari tale processo corrisponde ovviamente anche alla riproduzione di tutto l'organismo. Nei procarioti (ad es. batteri) la riproduzione avviene semplicemente per fissione binaria. In un punto del cromosoma circolare la doppia elica comincia a separarsi e i due filamenti separati servono ognuno da stampo per un nuovo filamento complementare. Si formano così due cromosomi, ciascuno dei quali migra verso parti opposte della parete cellulare. La cellula poi si allunga e si separa dando luogo a due nuove cellule sorelle con il medesimo patrimonio genetico. Più complesso è il ciclo cellulare negli eucarioti. Esso consiste di cinque fasi, schematizzate in Fig. 3. La fase più importante è naturalmente la divisione del nucleo, che prende il nome di mitosi. Essa si suddivide in quattro sottofasi: profase, metafase, anafase e telofase, pure schematizzate in Fig. 3. Nella profase i cromosomi si condensano e diventano visibili al microscopio. Ognuno dei cromosomi consiste di due repliche, detti cromatidi fratelli, ancora uniti in una zona di restringimento comune, detta centromero. Successivamente la membrana nucleare va disintegrandosi mentre si forma una struttura a forma di fuso costituita da fibre tubuliformi, le cui estremità si incardinano su due coppie di centrioli. Alcune fibre connettono ciascuna delle due coppie di centrioli ai centromeri. Nella metafase le coppie di cromatidi si muovono avanti e indietro all'interno del fuso fino a disporsi simmetricamente nel piano equatoriale della cellula. Nell'anafase i centromeri si separano completamente in tutte le coppie di cromatidi fratelli. I cromatidi di ogni coppia si allontanano, così che ogni cromatidio diventa un cromosoma indipendente attirato verso la sua coppia di centrioli. Nella telofase i due assetti identici di cromosomi raggiungono le due estremità opposte della cellula mentre il fuso si disperde. Successivamente intorno a ogni assetto cromosomico si forma una membrana nucleare mentre i cromosomi diventano di nuovo diffusi e non visibili e il citoplasma comincia a dividersi. Figura 3: Le fasi del ciclo cellulare (a sinistra) e quelle della mitosi (a destra). Durante la fase G1 si ha accrescimento della cellula e replicazione degli organelli; durante la fase S la cellula duplica il materiale cromosomico; durante la fase G2 si assemblano le strutture necessarie per la mitosi e per la citocinesi, ovvero la divisione del citoplasma in due.
Mentre nei procarioti la fissione binaria coincide con la riproduzione e coinvolge un solo cromosoma circolare, le cose sono più complicate negli eucarioti che possiedono più cromosomi a struttura lineare. A tale proposito va in primo luogo specificato che i cromosomi possono essere o meno organizzati a coppie di cromosomi omologhi. I due omologhi si somigliano generalmente per forma e grandezza. Nel caso di organizzazione dei cromosomi a coppie si parla di cellule diploidi mentre nell'altro caso le cellule vengono definite aploidi. L'esempio più chiaro è proprio quello dell'uomo, le cui cellule sono diploidi in quanto possiedono 46 cromosomi, organizzati in 23 coppie di cromosomi omologhi vedi Fig. 4. Fanno però eccezione particolari cellule, i gameti (ovuli nelle donne e spermatozoi negli uomini), che sono aploidi, in quanto possiedono solo 23 cromosomi. I gameti vengono prodotti a partire da cellule diploidi, le quali, attraverso un processo chiamato meiosi, duplicano il proprio corredo genetico e poi si dividono in quattro cellule ciascuna contenente uno solo dei cromosomi omologhi. Esistono, anche se non sono molto frequenti, eucarioti completamente aploidi. Ad esempio le amebe (protisti unicellulari) possiedono più di 500 piccoli cromosomi non organizzati in coppie di omologhi. La riproduzione in questo caso avviene con un processo sostanzialmente analogo alla fissione binaria dei procarioti. Le due amebe figlie hanno lo stesso corredo genetico, ovvero sono dei cloni della madre. L'esempio delle amebe è un caso di riproduzione asessuata. Infatti il concetto di sesso è strettamente legato ai concetti di aploide e diploide. Nel caso della specie umana, ad esempio, i due gameti aploidi si uniscono durante la fecondazione per formare un'unica cellula diploide (lo zigote) che poi si svilupperà nell'embrione. Tra le 23 coppie di cromosomi umani c'è una coppia di cromosomi sessuali (indicati convenzionalmente con le lettere X e Y). Il sesso maschile è dato dalla presenza della coppia XY e quello femminile dalla coppia XX. Nel processo di formazione degli spermatozoi, cellule diploidi maschili attraverso la meiosi danno luogo a cellule aploidi (gli spermatozoi) metà dei quali contengono il cromosoma X e metà il cromosoma Y. Gli ovuli invece, poichè originano da cellule diploidi del tipo XX, contengono tutti il cromosoma X. Se lo zigote origina dall'incontro con un ovulo di uno spermatozoo contenente il cromosoma X si avrà una femmina, se origina da uno spermatozoo di tipo Y si avrà un maschio. Il patrimonio genetico dei figli è per metà preso dalla madre e per metà dal padre e quindi i figli non sono cloni dei genitori. Figura 4: Le 23 coppie di cromosomi omologhi nell'uomo. X e Y sono i cromosomi sessuali.
Figura 5: Esempi di riproduzione asessuata: (A) gemmazione in un'idra, (B) moltiplicazione vegetativa in una pianta (esemplare di Kalanchoe pinnata ), (C) frammentazione in una planaria (Genere Planarium ). I quattro pannelli in calce (1d, 3d, 5d e 7d) mostrano con chiarezza quanto rapidamente il frammento di coda della planaria, grazie alla totipotenza delle sue cellule, rigeneri un proprio capo (si notino gli ocelli formatesi già dopo una sola settimana). Un caso particolare di riproduzione a metà tra sessuata e asessuata è la partenogenesi (riproduzione virginale), comune ad esempio tra i rotiferi, che sono una delle più importanti componenti del plancton. Le femmine depongono uova diploidi, che non necessitano di fecondazione. Si hanno quindi femmine che producono figlie che sono cloni di sè medesime. Esistono in realtà casi ancora più complessi di quelli qui sopra descritti. In particolare oltre a cellule aploidi e diploidi si possono avere cellule con triplette, quadruplette, ecc. di cromosomi omologhi. Sono ad es. tetraploidi (quadruplette di cromosomi) i salmoni, sono esaploidi (sestuplette) il frumento e il kiwi. Inoltre la stessa specie può riprodursi a seconda dei casi in maniera sessuata o asessuata. Ad esempio molte specie di rotiferi sono normalmente partenogenetiche, ma in condizioni di stress possono avere cicli sessuati: vengono prodotte speciali uova che sono aploidi e si sviluppano diventando maschi i quali a loro volta fertilizzano altre uova aploidi dando così luogo ad uova diploidi che portano il patrimonio genetico sia della madre sia del padre. Figura 6: (A) L'agrifoglio come esempio di specie dioica. Il rametto di sinistra proviene da una pianta femminile e mostra fiori con pistillo, il rametto di destra proviene da una pianta maschile e mostra fiori con stami che portano polline. (B) Accoppiamento di lumache nere, molluschi ermafroditi; la massa bianca gelatinosa è lo scambio di sperma tra le due lumache. (C) Rametto di larice, una conifera monoica: i coni maschili, gialli, e quelli femminili, viola, sono portati dallo stesso individuo.
La biodiversità Il risultato dell'incessante azione della selezione naturale - combinata con il continuo cambiamento delle condizioni ambientali sulla Terra - è l'innumerevole diversità degli organismi che si sono adattati, nel corso dei miliardi di anni di storia della vita, a sopravvivere nella varietà di ambienti presenti sul nostro pianeta. Tale diversità prende il nome di diversità biologica o biodiversità , e comprende: la diversità genetica (variabilità del patrimonio genetico fra un individuo e l'altro nell'ambito di una singola specie o di una singola popolazione); la diversità di specie (varietà di specie in un determinato habitat); la diversità ecosistemica (varietà degli habitat naturali e delle comunità che interagiscono fra loro e con l'ambiente non vivente). La specie umana dipende completamente dal capitale biologico costituito dalla totalità degli organismi viventi, in gran parte ancora sconosciuto (le specie descritte finora sono quasi due milioni, ma si stima che il numero totale di specie presenti sul pianeta sia compreso fra i 3 e i 30 milioni). Questa ricca varietà di geni, specie ed ecosistemi ci fornisce cibo, legna, fibre, energia, materie prime, sostanze chimiche industriali, medicine e riversa ogni anno fiumi di denaro nell'economia mondiale. La grande biblioteca terrestre delle forme vitali e degli ecosistemi fornisce gratuitamente anche servizi di riciclaggio, purificazione e controllo naturale degli organismi dannosi. Ogni specie contiene informazioni genetiche immagazzinate che rappresentano il suo adattamento, in un percorso che va da migliaia a miliardi di anni, alle mutevoli condizioni ambientali della Terra. Questa è la materia prima degli adattamenti futuri. La biodiversità è un'assicurazione sulla vita'' contro i disastri ambientali. Alcuni studiosi includono anche la diversità culturale umana come parte della biodiversità terrestre. La varietà delle culture umane sul pianeta rappresenta le nostresoluzioni'' sociali e tecnologiche per la sopravvivenza e può aiutarci ad adattarci alle condizioni mutevoli del nostro pianeta.
