L'evoluzione secondo Darwin e Lamarck | Sbobinature di Biologia

LEZIONE 12

L’EVOLUZIONE

“Sono pienamente convinto che le specie non sono immutabili; ma che tutte quelle che

appartengono a ciò che chiamasi lo stesso genere, sono la posterità diretta di qualche altra specie

generalmente esistita.”

C. R. Darwin

CHE COSA SI INTENDE PER EVOLUZIONE ? Per evoluzione si intende il processo che porta

alla comparsa di nuove specie a partire da forme di vita preesistenti (in seguito a graduali

modificazioni o variazioni genetiche. Le mutazioni, che avvenivano in risposta all’ambiente,

vengono poi trasmesse ereditariamente nel corso del tempo.

A porsi la domanda sull’origine dell’uomo sono stati

inizialmente i filosofi. Tra i più antichi vi è

Anassimandro (VI secolo a.C.), secondo cui le forme

di vita più semplici precedono quelle più complesse. A

tal proposito, il filosofo pensava che gli uomini

derivassero dai pesci.

Più avanti, Empedocle (V secolo a.C.) introdusse il principio della selezione naturale: la vita nasce

da tentativi del tutto casuali della natura che fa

apparire sulla terra varie forme viventi, delle quali

sopravvivono solo quelle più adatte alle

condizioni di vita, perché hanno una struttura

organizzata che assicura il mantenimento e il

miglioramento della specie. Empedocle ha il

merito di aver introdotto la CASUALITA’ nel

processo di evoluzione.

Democrito (V-IV secolo a.C.) addirittura pensava che gli uomini discendessero da vermi formatisi

nel fango. Le sue osservazioni di anatomia lo portarono a classificare gli animali in vertebrati (con

sangue) e invertebrati (senza sangue).

Aristotele (IV secolo a.C.) credeva che tutti gli esseri viventi potessero essere disposti in una scala

gerarchica, cioè ordinata per complessità crescente: una sorta di piramide dove gli organismi più

semplici occupano lo scalino più basso, l’uomo il vertice (perché era l’organismo più evoluto) e

tutti gli altri si trovano in una posizione intermedia.

Fino al tardo Ottocento, molti biologi credevano ancora nella validità della Scala Naturae. Secondo

questa teoria, oggi chiamata fissismo, gli organismi non hanno mai subito variazioni nel tempo;

Aristotele, a tal proposito, pensava che gli organismi viventi fossero sempre esistiti in un certo

modo e in quel modo, riproducendosi, portavano avanti la specie.

Per circa 2000 anni il pensiero rimase vincolato a quest’ipotesi: si pensava che tutti gli organismi

fossero stati creati nella loro fissità di forme e funzioni, finché nel 1700 furono scoperti i fossili.

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LEZIONE 12

L’EVOLUZIONE

“Sono pienamente convinto che le specie non sono immutabili; ma che tutte quelle che appartengono a ciò che chiamasi lo stesso genere, sono la posterità diretta di qualche altra specie generalmente esistita.” C. R. Darwin CHE COSA SI INTENDE PER EVOLUZIONE? Per evoluzione si intende il processo che porta alla comparsa di nuove specie a partire da forme di vita preesistenti (in seguito a graduali modificazioni o variazioni genetiche. Le mutazioni, che avvenivano in risposta all’ambiente, vengono poi trasmesse ereditariamente nel corso del tempo. A porsi la domanda sull’origine dell’uomo sono stati inizialmente i filosofi. Tra i più antichi vi è Anassimandro (VI secolo a.C.), secondo cui le forme di vita più semplici precedono quelle più complesse. A tal proposito, il filosofo pensava che gli uomini derivassero dai pesci. Più avanti, Empedocle (V secolo a.C.) introdusse il principio della selezione naturale : la vita nasce da tentativi del tutto casuali della natura che fa apparire sulla terra varie forme viventi, delle quali sopravvivono solo quelle più adatte alle condizioni di vita, perché hanno una struttura organizzata che assicura il mantenimento e il miglioramento della specie. Empedocle ha il merito di aver introdotto la CASUALITA’ nel processo di evoluzione. Democrito (V-IV secolo a.C.) addirittura pensava che gli uomini discendessero da vermi formatisi nel fango. Le sue osservazioni di anatomia lo portarono a classificare gli animali in vertebrati ( con sangue) e invertebrati (senza sangue). Aristotele (IV secolo a.C.) credeva che tutti gli esseri viventi potessero essere disposti in una scala gerarchica, cioè ordinata per complessità crescente: una sorta di piramide dove gli organismi più semplici occupano lo scalino più basso, l’uomo il vertice (perché era l’organismo più evoluto) e tutti gli altri si trovano in una posizione intermedia. Fino al tardo Ottocento, molti biologi credevano ancora nella validità della Scala Naturae. Secondo questa teoria, oggi chiamata fissismo , gli organismi non hanno mai subito variazioni nel tempo ; Aristotele, a tal proposito, pensava che gli organismi viventi fossero sempre esistiti in un certo modo e in quel modo, riproducendosi, portavano avanti la specie. Per circa 2000 anni il pensiero rimase vincolato a quest’ipotesi: si pensava che tutti gli organismi fossero stati creati nella loro fissità di forme e funzioni, finché nel 1700 furono scoperti i fossili.

Dallo studio dei fossili si aprì un mondo, perché permetteva di confrontare gli organismi vissuti in passato – talvolta molto diversi da quelli attuali – con le forme viventi in quel periodo. Tali comparazioni avevano permesso di comprendere che non c’era affatto “invariabilità”: le specie viventi mutano nel tempo. Il naturalista G. L. Buffon (1707-1788) avanzò l’ipotesi che i viventi si fossero originati da un esiguo numero di antichissimi antenati che appunto li avevano preceduti e che nel tempo avevano subito delle piccolissime variazioni. Buffon intuì che tutte le specie, sia vegetali sia animali, non sono fisse nella forma e funzione, ma in realtà, nel momento in cui una determinata specie vegetale o animale ha dato origine ad una forma migliorata ( con Darwin si parlerà di “forma evoluta”, termine che a quel tempo non esisteva ancora); quest’ultima prende il sopravvento sulla forma precedente, che invece tende a scomparire perché non più adatta alle condizioni ambientali. Quindi Buffon, insieme a Lamarck, è stato il primo, cento anni prima di Darwin, a dare una impronta dinamica agli organismi viventi. Fissismo → Tutte le specie sono state create con le loro attuali caratteristiche e con fini specifici. I PRINCIPI DELL’EVOLUZIONE: IL CONTRIBUTO DI LAMARCK La prima teoria coerente sull’evoluzione dei viventi va attribuita al filosofo francese J. B. Lamarck (1744-1829), che formulò la sua teoria dell’evoluzione per ereditarietà dei caratteri acquisiti. Secondo Lamarck:

ogni specie deriva da altre preesistenti, strutturalmente più semplici;
l’evoluzione delle specie è resa possibile dall’interazione che esse hanno con i diversi ambienti in cui si irradiano e dalle modificazioni delle abitudini e della dieta. Eppure, la teoria di Lamarck aveva diverse lacune. Lamarck, infatti, pensava che l’uso continuo di un organo ne potenziasse il potenziamento e venisse tramandato alla prole, mentre l’assenza di uso di un organo lo avrebbe indebolito e deteriorato, fino a farlo sparire. LA GIRAFFA DI LAMARCK Secondo Lamarck, inizialmente la giraffa aveva un collo molto corto, ma dal momento che le giraffe avevano la necessità di raggiungere le foglie più in alto degli alberi hanno iniziato ad allungare il proprio collo quotidianamente; l’utilizzo continuo di quella parte del corpo ne ha provocato un allungamento permanente, che è stato infine tramandato alla prole. Oggi, alla luce di quanto sappiamo in campo scientifico, la teoria di Lamarck (= il carattere acquisito dall’interazione con l’ambiente viene trasmesso alla prole) è sicuramente infondata. Ad esempio, il figlio di un pugile non nasce più muscoloso del normale, così come il figlio di un individuo che ha tinto i capelli di giallo canarino non avrà mai i capelli biondo canarino, perché il carattere (braccio più muscoloso e capelli tinti di giallo canarino), è acquisito dall'ambiente, non è scritto nei geni. Tuttavia, Lamarck ha avuto il merito di aver sostenuto che le specie evolvono e che tale evoluzione si può studiare e spiegare con il metodo scientifico. L’aspetto più interessante della teoria di Lamarck fu l’aver considerato l’ambiente come un elemento importante della dinamica evolutiva. Restava però un dubbio: capire come le specie più semplici si fossero evolute in specie più complesse.

A partire da queste ipotesi, Darwin formulò la sua grande teoria, a sua volta basata su quattro osservazioni che portano a tre conclusioni:

Le popolazioni naturali di ogni specie (per popolazione intendiamo il numero di costituenti di quella specie) sono potenzialmente in grado di moltiplicarsi con rapidità
malgrado le popolazioni siano potenzialmente in grado di moltiplicarsi con rapidità, le dimensioni di una popolazione rimangono relativamente costanti nel tempo (= non c’è un’esplosione di popolazione). Le prime due osservazioni sono strettamente collegate tra loro! CONCLUSIONE 1 → Questo perché ad ogni generazione molti individui muoiono in tenera età, non riprodursi, generano pochi figli o comunque figli meno idonei , incapaci a loro volta di sopravvivere e riprodursi.
I singoli individui all’interno di una popolazione potevano differire per la capacità di acquisire risorse, sopportare condizioni ambientali estreme, evitare la predazione, ecc. Ciò significa che, all’interno di una popolazione, alcuni individui erano capaci di procacciarsi il cibo, altri invece no, pur appartenendo alla stessa specie. CONCLUSIONE 2 → Il numero di discendenti di una determinata popolazione dipende dalle sue capacità di adattamento all’ambiente in cui quella specie si trova a vivere. Di conseguenza, gli individui meglio adattati generano una prole più numerosa, mentre individui meno adattati generano una prole meno numerosa. Questa è la selezione naturale!
Almeno una parte della variabilità individuale è dovuta a differenze genetiche che possono essere ereditate. CONCLUSIONE 3 → Con il succedersi delle generazioni, un processo riproduttivo tra individui con corredo genetico diverso modifica gradualmente la composizione genetica della popolazione. Questa è l’evoluzione mediante selezione naturale! ATTENZIONE!! I principi della genetica NON erano stati ancora scoperti quando Darwin scrisse L’origine della specie. L’osservazione n°4 costituiva un assioma non dimostrato e un grave punto di debolezza nella sua teoria. Non potendo spiegare il modo in cui opera l’ereditarietà, Darwin pensava che la variabilità della popolazione fosse legata al caso. La genetica molecolare ha oggi confermato l’esattezza dell’ipotesi darwiniana: le variazioni sono effettivamente la conseguenza di mutazioni casuali nel DNA. La mutazione genetica quindi porta alla comparsa di un nuovo carattere, che diventa vantaggioso o svantaggioso: nel caso in cui NON apporta vantaggi, quella mutazione muore con gli individui di quella specie che lo ha generato, al contrario si mantiene. NEO-DARWINISMO O SINTESI MODERNA Darwin non conosceva Mendel e non capì con quali meccanismi venivano trasmessi i caratteri ereditari. La riscoperta, agli inizi del Novecento, dell’opera di G. Mendel (1822-1884), i successivi studi di genetica di popolazioni, la nascita della biochimica – e la conseguente scoperta della struttura del DNA, della replicazione e della trasmissione dell’informazione genetica – apportarono ulteriori conferme alla teoria evolutiva e spiegarono in modo soddisfacente i meccanismi che determinano le trasformazioni delle specie nel tempo.

Si produsse, quindi, una sintesi di idee che portò alla cosiddetta teoria dell’evoluzione o neodarwinismo, che si basa essenzialmente sulla moderna interpretazione genetica della selezione naturale. Gli aspetti fondamentali della teoria sintetica dell’evoluzione sono:

Tutti gli organismi discendono sicuramente da un unico capostipite ;
Nascono più individui di quanti ne possano sopravvivere ;
La variabilità individuale è frutto delle mutazioni che, attraverso interazioni genetiche e crossing-over, arricchiscono il campionario dei diversi aspetti che ogni carattere può assumere (becco, ecc);
La selezione naturale preserva le mutazioni vantaggiose – i cui portatori aumenteranno di frequenza da una generazione all’altra – ed elimina più o meno rapidamente quelle svantaggiose. Nel pool genico, ogni nuovo gene si originerebbe a causa di mutazioni , errori casuali che si verificano a livello genico. Una volta che, mediante tali mutazioni, si è formata una variante nuova di un gene, questa entra a far parte del pool genico cosicché, mediante la riproduzione sessuale, essa può venire trasmessa ad altri individui. Prendiamo ad esempio la lunghezza delle ali in una popolazione di drosofile (moscerini della frutta): i geni che regolano la lunghezza delle ali delle drosofile subiscono una mutazione, per cui queste ali diventano più lunghe. A questo punto, ci sarà una popolazione che possiede geni che producono ali lunghe e un'altra ali corte: è chiaro che la sopravvivenza di ciascuna popolazione dipenda dal tipo di ambiente in cui si trovano gli individui della stessa specie (le ali più lunghe permettono di percorrere una distanza maggiore, quindi di fatto rappresentano un vantaggio). Questa differenza di caratteri può riflettersi in un tasso diverso di mortalità , oppure nella differente capacità di volare che permette all'una, ma non all'altra, di emigrare più facilmente e rapidamente. I FOSSILI I fossili mettono i biologi sulle tracce di organismi appartenenti a specie ancestrali rispetto a quelle moderne. La serie meglio conosciuta è costituita dalle testimonianze degli equidi , da cui si sono sviluppati i cavalli.

Osserviamo un arto di tartaruga [1]: esso è costituito da un omero, ulna e radio, carpo, metacarpo e falangi. Osserviamo adesso un arto anteriore di un pipistrello [2] La ripetizione degli elementi scheletrici è la medesima: c’è sempre omero, radio e ulna (anche se sono più vicini), carpo, metacarpo e falangi. Anche la struttura ossea dell’arto anteriore di un cavallo [3] possiede gli stessi pezzi scheletrici. La quarta immagine invece rappresenta la disposizione scheletrica di un uomo [4]. Di fatto, la struttura di un arto anteriore lungo tutta l’evoluzione rimane fondamentalmente costante: può variare la lunghezza, lo spessore, ma l’impronta resta la stessa. Ritroviamo i seguenti segmenti:  Stilopodio → omero (arto superiore) o femore (arto inferiore)  Zeugopodio → ulna-radio (arto superiore) o tibia-fibula (arto inferiore)  Autopodio: o Basipodio → carpo (arto superiore) o tarso (arto inferiore); o Metapodio → metacarpo (arto superiore) o metatarso (arto inferiore); o Acropodio → falangi_._

Si tratta quindi di organi omologhi : nel cavallo, nell’uomo, nella tartaruga così come nel pipistrello la struttura ossea dell’arto anteriore/superiore, così come quella dell’arto posteriore/inferiore, si ripete. LE STRUTTURE OMOLOGHE COSTITUISCONO UNA PROVA DELL’EVOLUZIONE Considerato che negli arti anteriori di questi organismi esistono gli stessi elementi scheletrici anche se le funzioni sono molto diverse, se queste strutture si fossero sviluppate indipendentemente, data la loro funzione, sarebbero state progettate in modo diverso; invece, la loro somiglianza strutturale è collegabile alla discendenza da un antenato comune. In altre parole, inizialmente la struttura era stata progettata allo stesso modo; poi, nel corso dell’evoluzione gli arti si sono allungati, ristretti, irrobustiti in relazione al tipo di organismo. GLI ORGANI VESTIGIALI: UN “CAPRICCIO DELLA NATURA”? Gli organi vestigiali (dal latino vestigium, impronta) sono organi molto ridotti che non svolgono più alcuna funzione in certe specie. Si tratta di vestigia , cioè residui di organi ben sviluppati in lontani antenati che si sono ridotti in seguito all’adattamento ad un nuovo stile di vita che non ne richiedeva più la funzione. Il nostro corpo annovera vari organi vestigiali:

i muscoli per muovere l’orecchio , sviluppatissimi in altri mammiferi (es. bue e cavallo) che se ne servono per scacciare gli insetti;
l’appendice cecale, che è il residuo di una diramazione dell’intestino ben sviluppata negli erbivori;
le ossa del coccige, che sono ciò che resta dello scheletro della coda.
la plica semilunare che si trova in corrispondenza dell’angolo sinistro dell’occhio umano: non è altro che un rudimento della membrana nittante che in altri mammiferi (uccelli, rettili, anfibi) è molto più sviluppata e può essere abbassata come una tendina trasparente che protegge e lubrifica gli occhi senza impedire la visione; Ma non solo…
i molari dei vampiri (pipistrelli che si nutrono di sangue e quindi non devono masticare il cibo);
le ossa del bacino e del femore delle balene e di alcuni serpenti che, ridotte a piccole dimensioni, non svolgono più alcuna funzione motoria. ..........

storia del nostro pianeta e ha dato luogo alla cosiddetta estinzione permiana che ha provocato la scomparsa dell’85-90% delle specie allora viventi, soprattutto di quelle marine. IL MESOZOICO L’era mesozoica viene suddivisa in: Triassico , Giurassico e Cretaceo. Si ritiene che il clima nel corso di quest’era geologica fosse piuttosto caldo e secco ; le terre emerse erano popolate soprattutto da conifere e da rettili , in particolare, a partire dal Giurassico, dal vasto gruppo dei dinosauri. Tuttavia, cominciarono a diffondersi anche piccoli mammiferi e i primi uccelli , come l’ Archaeopteryx. Anche il Mesozoico termina con una catastrofe planetaria , forse meno sconvolgente di quella che pose fine al Paleozoico, ma più conosciuta : questa catastrofe, infatti, provocò l’ estinzione dei dinosauri a causa di una significativa modificazione climatica che portò a un forte abbassamento della temperatura globale. EVOLUZIONE DEI VERTEBRAI Oggi si ritiene che le prime fasi dell’evoluzione dei vertebrati si siano svolte in mar e in una sequenza che può essere sintetizzata in tre passaggi fondamentali :

comparsa di pre-vertebrati filtratori → animali molto semplici, costituiti da un corpo affusolato, longilineo e una bocca dotata di pompa ciliare che filtrava il materiale, gas e cibo dall’acqua; animali dotati di una corda longitudinale (cordati);
comparsa di vertebrati primitivi agnati → privi di mascelle ma provvisti di una pompa buccale muscolare che gli consentiva di inalare acqua contenente particelle alimentari; vertebrati perché finalmente presentano il carattere tipico di quella classe, ovvero la colonna vertebrale ;
comparsa di vertebrati gnatostoni → provvisti di sostegno scheletrico orale ( cioè dotati di mascelle) che li rendeva abili nella cattura diretta delle prede; erano in grado di approcciare ad una fonte alimentare migliore rispetto ai precedenti. La grande variabilità di vertebrati deriva molto probabilmente dall’ assenza di grossi predatori nel periodo in cui i vertebrati sono comparsi: ciò ha permesso ai vertebrati di colonizzare con tranquillità la Terra. Nello schema che segue sono riassunti gli eventi fondamentali della storia della Terra, immaginando 4,6 miliardi di storia condensati nell’arco di un solo giorno : si parte dalla formazione del nostro pianeta, pochi secondi dopo la mezzanotte, fino ad arrivare alla comparsa del genere umano quasi allo scadere della giornata , passando attraverso tutte le tappe dell’evoluzione della vita.

1 secondo = 52 000 anni 1 minuto = 3 125 000 anni 1 ora = 187 500 000 anni

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