CENNI DI GENETICA

1
M. Benelli, B. Boccardi, A. Vitale
ARGOMENTI
1) STORIA DELLA TERRA ED ORIGINE DELLA VITA
2) CENNI DI GENETICA E TEORIA DI DARWIN-WALLACE
3) EVOLUZIONE DELLE SPECIE SULLA TERRA
2
Parte prima STORIA DELLA TERRA ED ORIGINE
DELLA VITA
3
FORMAZIONE DELLA TERRA

La Terra si è formata insieme al Sole e agli
altri pianeti 4.567 miliardi di anni fa per
collasso gravita- zionale a partire dal
materiale contenuto nella nebulosa solare,
costituita principalmente da idrogeno ed elio.
La Terra, come gli altri pianeti interni, si
formò a partire da materiale di composizione
chimica nettamente diversa da quella del Sole,
costituito da metalli ed altri elementi pesanti,
alcuni radioattivi. La successiva
differenziazione gravitazionale ed il
raffreddamento portarono alla struttura che
conosciamo.
4
STRUTTURA DELLA TERRA

• Il sistema Terra è formato da
• un'atmosfera
• un'idrosfera
• una litosfera rigida,divisa a sua volta in
• crosta
• mantello superiore
• un'astenosfera plastica
• un mantello profondo
• un nucleo metallico(liquido all'esterno e solido
  all'interno)?

5
NASCITA DELLA LUNA
Ipotesi più accreditata TEORIA DELL'IMPATTO
GIGANTE
Dopo la sua formazione, la Terra fu colpita da un
grosso corpo delle dimensioni di Marte (Immagini
tratte dal libro di McBride Gilmour The Solar
System, Cambridge Univ. Press,
6
ETA' DI FORMAZIONE DELLA LUNA Fino a pochi
anni fa si riteneva che l'impatto gigante fosse
avvenuto 4.52 miliardi di anni fa. Secondo uno
studio del 2008 dell'Istituto di tecnologia di
Zurigo, basato sull'analisi della concentrazione
di tungsteno- 182, la Luna sarebbe più giovane
di quanto si credesse. Il tungsteno-182 è
generato sia nel decadimento dell'afnio-182, sia
quando il tantalio-182 viene colpito da raggi
cosmici. Anche studi precedenti avevano preso in
considerazione il tungsteno, ma nei calcoli non
veniva sottratta la quantità prodotta nel secondo
modo, quindi si giungeva ad una sovrastima
dell'età della Luna, che invece sembrerebbe
essere di 4.48 miliardi di anni.
7
NON SI PUO' RACCONTARE LA STORIA DELLA TERRA
SENZA RACCONTARE CONTEMPORANEAMENTE LA STORIA
DELLA VITA
TEORIA DI GAIA
La Terra si comporta come fosse un unico
gigantesco organismo vivente in grado di
autoregolarsi.
È la vita che ha fatto della Terra ciò che essa
è, pur essendo solo la sua inquilina (J. E.
Lovelock)
8
RELAZIONE FRA VITA E PIANETA TERRA
Le forme di vita più complesse si sono adattate
ed evolute in relazione allambiente terrestre.
Viceversa la vita ha influito notevolmente sulla
storia della Terra
9
 
La scala temporale dellorigine della vita sulla
Terra
?
Raffreddamento della Terra Impatto di meteoriti
Reperti fossili
3.5
4.0
3.0
4.5
Età della Terra (miliardi di anni fa)?
Questa slide e le 2 seguenti sono prese dalla
conferenza di A. Lazcano (UNAM, Mexico) The
emergence of life on Earth recent advances, old
problems. Bologna 10.6.2007
10
L origine della vita può essere stata
Prebiotica Mondo RNA Mondo DNA
a) terrestre
venne dallo spazio esterno (panspermia)?
b) extraterrestre
11
Unorigine eterotrofa della vita?
atmosfera riducente
sintesi di composti organici
zuppa primordiale
eterotrofi primordiali
12
Nel primo periodo dopo la sua formazione la
Terra aveva unatmosfera 10 volte più densa
dellattuale che permetteva alle comete di
arrivare al suolo molto rallentate e riscaldate
dalla maggiore ablazione. In quel periodo ha
ricevuto dallo spazio da 1 a 10 milioni di
tonnellate di materiale organico allanno per un
totale di 1014 tonnellate in 100 milioni di anni.
COMETE PORTATRICI DI VITA
13
ORIGINE DELLA CHIRALITA DEGLI AMMINOACIDI
Ricerche sulle condriti carbonacee suggeriscono
che la chiralità sinistrogira degli amminoacidi
terrestri sia stata ereditata dai materiali
organici venuti dallo spazio. In un tipo
particolare di luce stellare, la ultraviolet
circularly polarized light (UVCPL), presente ad
es. nella nebulosa di Orione, il campo elettrico
ruota attorno alla direzione di propagazione in
senso orario o antiorario e per fotolisi
distrugge i composti organici che hanno la stessa
chiralità. Nella nostra nube primordiale il campo
elettrico avrebbe ruotato in senso orario.
14
Scala dei Tempi Geologici
La scala dei tempi geologici è suddivisa in
eoni, ere, periodi ed epoche

Eone Adeano (dal greco Hades, mondo
infernale),
fino a 3,8 Gyr
Eone Archeano (dal
greco archaios, antico),
da 3,8 a
2,5 Gyr
Eone Proterozoico (dal greco proteros, primitivo
e
zoikos, animale), da 2,5 Gyr a 542Myr Eone
Fanerozoico (dal greco phaneros, manifesto e
zoikos, animale), da 542 Myr ad oggi, a sua
volta diviso in tre ere paleozoica (tra 542 e
252 Myr fa)? mesozoica (tra 252 e 65,5 Myr
fa)? cenozoica (tra 65,5 Myr e oggi)?
15
?
16
La Terra primordiale (Eone Adeano)?
Il termine Adeano viene dal greco Hades, che
significa Inferi. Tale similitudine è adatta a
descrivere le fasi primordiali della Terra,
quando la temperatura superficiale era intorno
ai 110 gradi C. Cause dell'elevata
temperatura 1) Abbondanza nell'atmosfera di gas
serra quali CH4 e CO2 2) Maggiore flusso di
calore dall'interno della Terra dovuto a -
concentrazione di radionuclidi nella crosta
tripla di quella attuale - differenziazione
planetaria 3) Frequenti impatti con
asteroidi 4) Intensa attività vulcanica

17
La Terra primordiale (Eone Adeano)?
Il Sole emetteva il circa il 70 dellenergia
attuale. La Luna era molto più vicina notevoli
maree.
Possiamo immaginarcela così...
18
La Terra primordiale (Eone Adeano)?
L'eone Adeano dura dalla formazione della Terra
fino a 3.8 miliardi di anni fa, età delle più
antiche rocce sedimentarie oggi
preservate. Significa che di una grossa fetta
della storia della Terra non abbiamo informazioni
provenienti da formazioni geologiche. Tuttavia,
all'interno di rocce Archeane nelle colline Jack
Hills, in Australia, sono stati ritrovati degli
zirconi risalenti a 4.4 Ga. Questi zirconi
forniscono due preziose informazioni 1) i
rapporti isotopici dell'ossigeno potrebbero
indicare la presenza di oceani già a quel
tempo 2) contengono dei minerali che potrebbero
indicare la presenza di continenti.
19
Eone Archeano da 3.8 a 2.5 miliardi di anni fa
Le più antiche rocce sedimentarie Isua,
Groenlandia Occidentale

3.8 Ga
Tali rocce rappresentano la prima evidenza della
presenza di acqua liquida contengono lava a
cuscino, che si forma quando il magma
solidifica in acqua.
Lava a cuscino nelle rocce di Isua- (Foto di
Minik Rosing)
20
Eone Archeano da 3.8 a 2.5 miliardi di anni fa
Le rocce archeane forniscono evidenza certa della
presenza della vita - Evidenza indiretta dai
rapporti isotopici del carbonio in alcune rocce
marine o dai banded iron beds, i cui strati di
ossido di ferro sono probabilmente dovuti
all'interazione con batteri produttori di
ossigeno. -Evidenza diretta stromatoliti,
strutture sedimentarie che mostrano l'azione di
comunità di batteri. Le più antiche risalgono a
3400-3500 anni fa e sono state trovate nella
regione Pilbara, in Australia.
Stromatolite di Pilbara, Australia (foto da
www.fas.org)
21
Eone Archeano da 3.8 a 2.5 miliardi di anni fa
Le prime forme di vita archeane erano certamente
procarioti, organismi unicellulari privi di
membrana cellulare e di strutture interne. Ci
sono diverse ipotesi su quale tipo di procarioti
fosse più diffuso. E' probabile che i primi
batteri fossero soprattutto clorobatteri, cioè
contenenti clorofilla batterica grazie alla quale
realizzavano una fotosintesi anossigenica. Quest
a ipotesi spiega anche la scarsissima presenza di
ossigeno nell' atmosfera archeana, che era invece
ricca di gas serra. La forte concentrazione di
gas serra spiegherebbe anche il cosiddetto
paradosso del Sole debole a quei tempi il Sole
aveva una luminosità pari ai 2/3 dell'attuale,
ma si hanno evidenze della presenza di acqua
liquida e di una temperatura ambientale intorno
ai valori attuali.
22
Eone Proterozoico da 2.5 a 0.542 miliardi di
anni fa
L'eone Proterozoico fu ricco di importanti
avvenimenti. La transizione da Archeano a
Proterozoico coincise con un sensibile
cambiamento del clima e delle condizioni di vita
sulla Terra. Lo sviluppo di cianobatteri,
produttori di ossigeno, portò ad un notevole
arricchimento di questo elemento,che nel corso
dell'intero Proterozoico passò dallo 0.001-0.1
al 10-20 dei livelli attuali. Ciò ebbe un
notevole impatto sulla vita molte forme
anaerobiche si estinsero nella cosiddetta
catastrofe dell'ossigeno, avvenuta 2.45 miliardi
di anni fa.
23
Eone Proterozoico da 2.5 a 0.542 miliardi di
anni fa
Una tappa fondamentale fu la transizione dai
procarioti agli eucarioti, organismi con una
struttura più complessa, dotati di una membrana
nucleare e di altre strutture interne dette
organelli. Si ritiene che il passaggio a questo
nuovo anello della catena evolutiva sia
avvenuto tramite il processo di endosimbiosi,
in cui un procariota viene inglobato
all'interno di un altro, e da organismo
indipendente diventa un organello del nuovo
organismo. I più importanti organelli generati in
questo modo furono i mitocondri, addetti alla
respirazione, e i cloroplasti, addetti alla
fotosintesi nelle cellule vegetali.
24
Eone Proterozoico da 2.5 a 0.542 miliardi di
anni fa
Dopo questa importante transizione, gli organismi
eucarioti si evolvettero diversificandosi in
phyla, fino ad arrivare alla nascita dei primi
animali alla fine del Precambriano.
25
Eone Proterozoico da 2.5 a 0.542 miliardi di
anni fa
Durante il proterozoico la Terra attraversò 4
glaciazioni, talmente estese che interessarono
quasi tutto il globo, tanto che si parla di
Snowball Earth. Tali glaciazioni sono confermate
dalla presenza di sedimenti di tipo glaciale
posti a paleolatitudini molto basse, anche
tropicali. Non è chiaro quali possano essere
state le cause che hanno dato il via a questi
fenomeni, e ci sono forti dubbi anche
sull'impatto che tali glaciazioni avrebbero
dovuto avere sullo sviluppo della
vita. Sembrerebbe naturale avere delle estinzioni
di massa, ma non ci sono elementi che
suggeriscano questa ipotesi. Al contrario,
l'ultima glaciazione (580 Ma) fu seguita
dall'esplosione cambriana (542 Ma) certamente
agevolata dalla presenza di nicchie ecologiche
diversificate.
26
La Terra Palla di Neve
Le glaciazioni sono iniziate sulla Terra circa
2,2 Ga fa
A partire da circa 740 Ma fa, la Terra ha subìto
un periodo di glaciazioni estese, durate per
milioni di anni. Questa immagine della Namibia,
che era ai tropici 650 Ma fa, testimonia che era
sotto i ghiacci. La vita, che consisteva anche
di eucarioti piccolissimi, ha subìto notevoli
costrizioni.
27
(No Transcript)
28
Tettonica delle placche
Nome moderno della teoria della deriva dei
continenti, proposta nel 1910 da A. Wegener,
secondo cui la litosfera è suddivisa in una
dozzina di placche principali, che si muovono
galleggiando sull'astenosfera.
29
(No Transcript)
30
Movimenti della litosfera

• Molte rocce, contenenti granuli di ossido di
  ferro, acquistano una magnetizzazione permanente
  che rispecchia il campo esistente al momento
  della loro formazione. Questo ha consentito di
  misurare il campo magnetico terrestre degli
  ultimi 3.5 Gyr (paleomagnetismo) e di ricostruire
  i movimenti della litosfera determinando le date
  delle aggregazioni
• Aggregazione di Ur 3,0 Gyr
• Aggregazione di Kenorland 2,5 Gyr
• Aggregazione di Nuna/Columbia 1,8 Gyr
• Aggregazione di Rodinia 1,1 Gyr
• Frammentazione di Rodinia 760 Myr
• Aggregazione di Pannotia 600 Myr
• Frammentazione di Pannotia 550 Myr
• Aggregazione di Pangea 300-250 Myr
• Frammentazione di Pangea 200 Myr

31
(No Transcript)
32
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33
Evoluzione dell'atmosfera nel Precambriano
Nella prima fase l'atmosfera era probabilmente
costituita solo da emissioni vulcaniche Vapor
acqueo (H2O) 85 Anidride carbonica (CO2)14
Metano (CH4)1 Azoto molecolare (N2) 0.23
. L'anidride carbonica ha in parte reagito con
le rocce della crosta terrestre formando i
diversi carbonati e in parte si è disciolta negli
oceani CO2 CaSiO3gtCaCO3 SiO2 La comparsa
delle prime forme di vita ossigeniche ha avuto
poi un notevole impatto sulla composizione
chimica dell'atmosfera, che si è progressivamente
arricchita di ossigeno. .
34
Evoluzione dell'atmosfera dalla formazione della
Terra ad oggi
Circa 4 miliardi di anni fa l'atmosfera era
dominata dalla CO2 e poi dal metano in seguito
l'azoto divenne l'elemento principale.
35
PROBABILMENTE LA VITA SULLA TERRA E COMINCIATA
MOLTE VOLTE.
36
ESTINZIONI
Durante il Precambriano il numero di meteoriti
era molto alto, ed è naturale pensare che ci
siano state diverse sterilizzazioni. In seguito,
il numero di meteoriti è diminuito e la Terra è
diventata più ospitale per molti versi. Tutta
la storia della vita è stata determinata da
estinzioni, più o meno gravi e con diverse cause.
Nel Fanerozoico sono avute 5 estinzioni di
massa, e altre di minore entità.
37
LE 5 ESTINZIONI DI MASSA
1) ORDOVICIANO SUPERIORE 444 milioni di anni
fa Imponenti glaciazioni causarono l'abbassamento
del livello marino. Si estinse l'85 delle specie
marine, soprattutto i trilobiti, che avevano
dominato fino ad allora. 2) TARDO DEVONIANO 375
milioni di anni fa Le cause non sono ben chiare.
Potrebbe trattarsi di cambiamenti climatici. Si
estinse l'82 delle specie. 3) PERMIANO-TRIASSICO
252 milioni di anni fa Fu l'estinzione più
tremenda della storia. Si estinse il 96 delle
specie marine. Si pensa che la causa sia stata
un'enorme eruzione vulcanica in Siberia, ma anche
l'ipotesi di un asteroide è stata avanzata dopo
il ritrovamento di due crateri di 250 Km di
diametro in Antartide ed in Australia risalenti a
quel periodo. 4) TRIASSICO-GIURASSICO 200
milioni di anni fa Si estinse il 76 delle
specie. La causa potrebbe essere stata una
variazione climatica che porto ad un forte
riscaldamento globale. I primi dinosauri
sopravvissero e ciò aprì la strada alla loro
radiazione adattiva nel Cretaceo. 5)
CRETACEO-TERZIARIO 65,5 milioni di anni fa E'
la famosa estinzione che eliminò i dinosauri e
favorì lo sviluppo dei mammiferi. Fu causata
probabilmente da un meteorite di 10 km di
diametro, precipitato sulla penisola dello
Yucatan e da imponenti eruzioni Trappi del
Deccan (India).
38
Parte seconda CENNI DI GENETICA E TEORIA DI
DARWIN-WALLACE
39
PROPRIETA DELLA VITA SECONDO SCHROEDINGER (1944)
Capacità di creare lordine a partire dal
disordine, sfruttando fonti di energia esterne
Capacità di trasmettere le proprie
caratteristiche per mezzo di un cristallo
aperiodico
40
PROPRIETA DELLA VITA

• Termodinamica capacità di assorbire energia per
  creare ordine localmente.
• Metabolica capacità di consumare energia per il
  sostentamento, per muoversi e crescere.
• Biochimica capacità di produrre certi tipi di
  biomolecole (per esempio lATP).
• Genetica capacità di riprodursi ed evolversi per
  selezione naturale.

41
Le forme di vita sulla Terra

• Il fatto che la vita si basi su un unico codice
  genetico fa pensare che tutte le forme di vita
  derivino da un antenato comune LUCA (Last
  Universal Common Ancestor).
• Esse possono essere suddivise in 3 dominii
• - Batteri e Archea (Procarioti)?
• Eucarioti.

LUCA
Recenti ricerche sulle forme viventi marine non
escludono che ci sia un quarto dominio
42
Da Nature 7/2/2008
43
Archebatteri (archaea)

• Differiscono geneticamente dai batteri per più
  del 50.
• Il loro DNA è quasi sempre lineare.
• La loro membrana non è proteica o lipidica come
  per i batteri, ma è costituita essenzialmente da
  catene di isoprene, un idrocarburo alchenico.
• Molti di loro sono estremofili,
• alcuni termofili.
• LUCA potrebbe essere stato un Archaea.

44
CODIFICA DELLE PROTEINE
I geni del DNA vengono copiati in RNA messaggero
(mRNA), che tramite i ribosomi determina la
costruzione delle proteine.
I ribosomi sono composti da RNA ribosomiale
(rRNA) e da proteine.
45
IL CODICE DELLA VITA
il DNA è suddiviso in settori chiamati
geni. Negli Eucarioti il DNA è avvolto su
particolari proteine (istoni) e suddiviso in un
numero limitato di cromosomi. Nei Procarioti
batteri è circolare. Nei Procarioti archea
può essere lineare e avvolto su istoni, come per
gli Eucarioti.
46
Evoluzione per selezione naturalela teoria di
Darwin e Wallace
Lavoro a cura di Angela Vitale
2009 bicentenario della nascita di Darwin, 150
anni dalla pubblicazione de Lorigine delle
specie
47
Le Specie
Appartengono a specie diverse gli organismi che,
anche se possono accoppiarsi, hanno prole sterile.
Per i batteri, si definiscono specie diverse
quando differiscono per più del 15 di
determinati caratteri o altro.
Le specie non sono altro che varietà fortemente
caratterizzate. (Darwin)?
Le specie viventi classificate sono circa due
milioni.
48
Habitat e nicchia ecologica
La nicchia ecologica non è lo spazio occupato da
un organismo, bensì il ruolo che esso ha. La
definizione più semplice è che la nicchia
rappresenta la professione di un organismo,
ossia il complesso di attività che esso svolge, e
va distinta dall'habitat che è l'indirizzo
dell'organismo.
Legati al concetto di nicchia ecologica sono i
fattori ambientali, come i limiti di temperatura
tollerati dagli individui e le loro esigenze di
umidità i fattori biologici, come il tipo e la
quantità di risorse nutritive i fattori
comportamentali, come le migrazioni o i cicli di
attività quotidiana o stagionale.
49
La lotta per lesistenza
Tutti i viventi sostengono unaccanita concorrenza
Risposta allelevato tasso di riproduzione delle
specie (nascono più individui di quanti ne
possano sopravvivere dottrina di Malthus estesa
a tutti i viventi)?
Ciascun individuo, lottando per la propria
sopravvivenza, contribuisce al successo della
specie e, se raggiunge letà della riproduzione,
può lasciare un maggior numero di discendenti.
50
La lotta per lesistenzacosa accade esattamente?
Ciascuna specie è soggetta a forti variazioni del
numero di individui che la compongono
Le specie simili e concorrenti cercano di
impadronirsi delle stesse nicchie ecologiche
Se gli individui di una specie sono anche solo
leggermente favoriti, il loro numero aumenterà a
spese delle specie concorrenti
Es CLIMA In un ambiente in cui è presente un
clima estremo, nella lotta per la vita sarà
avvantaggiata la specie più adatta a sopravvivere
a quelle condizioni climatiche particolari.
51
Lotta per lesistenza e interdipendenza tra
specie non affini
Alcune specie possono influenzare la presenza o
il numero di individui di unaltra specie
attraverso passaggi successivi della catena
alimentare.
Es Gatto delle campagne inglesitopolino
bombovioletta del pensiero.
La struttura di ciascun essere vivente è
correlata con quella di tutti gli altri
viventi con i quali entra in concorrenza per
lalimento e lo spazio vitale, o con quelli che
deve evitare o con quelli che suole catturare.
(Darwin, Lorigine delle specie)?
52
La lotta per lesistenza è una guerra della
natura?
Quando riflettiamo su questa lotta possiamo
consolarci nella sicurezza che la guerra della
natura non è incessante, non esiste la paura, la
morte di solito è immediata e i vigorosi, i sani
e i felici sopravvivono e si moltiplicano.
(Darwin, Lorigine delle specie)?
53
La selezione naturale
E la conservazione delle variazioni favorevoli
dei caratteri e leliminazione delle variazioni
nocive
Agisce in ogni luogo e in ogni momento
Qualsiasi variazione che fornisca allindividuo
un certo vantaggio, nella lotta per lesistenza,
rispetto agli altri individui della stessa specie
o di specie correlate, sarà conservata e
trasmessa ai discendenti. Questo perché tale
individuo avrà vita più lunga e facile, e una
probabilità maggiore di lasciare una progenie
numerosa.
54
La selezione sessuale
E un fenomeno che aiuta la selezione naturale.
Dipende prevalentemente da una lotta tra i maschi
della stessa specie per il possesso delle
femmine, con il risultato che il perdente avrà
pochi o nessun successore.
La vittoria è guidata dal possesso di armi
speciali nate come variazione di un carattere
originario. Es la coda del pavone, le corna del
cervo, la mascella uncinata del salmone.
55
Variazione dei caratteri e differenziazione delle
specie
I discendenti modificati di qualsiasi specie
avranno un successo tanto migliore quanto più la
loro struttura sarà differenziata, perchè questo
li metterà in condizioni di invadere luoghi
occupati da altri viventi. (Darwin, L'origine
delle specie)?
Partendo da un piccolo ambiente, la selezione
naturale forgerà prodotti dell'evoluzione in
grado di adattarsi alle mutevoli condizioni
ambientali e abitare in luoghi leggermente
differenti da quelli occupati dalla specie
originaria.
Le varietà (create da una specie modificata per
anagenesi rigenerazione di parti distrutte)
occupano varie nicchie ecologiche e gli individui
si incrociano solo fra loro.
La selezione naturale agisce sulla singola
varietà, in maniera differente a seconda delle
condizioni esterne, continuando a selezionare gli
individui più adatti alla sopravvivenza.
56
Prove a favore del darwinismo

• I dati a sostegno della teoria sono abbondanti,
  vari e in continuo incremento, facilmente
  accessibili attraverso musei, libri e lavori
  scientifici.
• I dati sono raccolti nell'ambito di 4 discipline
• Biogeografia
• Paleontologia
• Embriologia
• Morfologia

57
Biogeografia
E' lo studio della distribuzione geografica degli
organismi. Si è osservato che specie
strettamente correlate si trovano generalmente in
habitat confinanti inoltre habitat tra loro
analoghi, ma su continenti diversi, sono occupati
da specie dissimili.
Paleontologia
E' lo studio dei resti fossili degli
organismi. Fossili di specie correlate tendono a
ritrovarsi gli uni adiacenti agli altri,
intrappolati in strati sedimentari successivi.
58
La varietà, isolata dalla specie originaria, può
arrivare a differire molto da essa, diventando
una specie a sé stante (speciazione). Questo
processo è descritto da Darwin come principio di
divergenza.
Linea di Wallace
Regione biogeografica indiana (a ovest della
linea blu )?
Regione biogeografica australiana (a est della
linea blu)?
59
Embriologia
E' lo studio dello stato iniziale di ogni essere.
Si pensava che gli embrioni appena formati
fossero molto simili, rivelando solo in seguito
la struttura del progenitore. Ma questa idea si
è rivelata fuorviante. Tutti gli embrioni dei
vertebrati nascono con le branchie, che vengono
poi conservate solo nei pesci.
Morfologia
Studio della forma e della struttura esterna
degli organismi. Questi sono raggruppati secondo
gerarchie di somiglianze, ossia gruppi di specie
simili sono contenuti all'interno di
raggruppamenti più grandi e tutti hanno
un'origine comune. Da Linneo fino ad oggi la
morfologia ha avuto un compito preponderante
nella classificazione. In futuro la
classificazione si baserà prevalentemente sulla
discendenza genetica.
60
Coevoluzione
L'orchidea del Madagascar (Angraecum
sesquipedale) possiede un ricettacolo per il
nettare lungo 28 cm. Darwin previde la scoperta
di un organismo atto ad impollinarla, che è stato
poi trovato uno sfingide (Xanthopan morgani
praedicta) dotato di una lunghissima proboscide,
adatta e succhiare il nettare di questa orchidea.
61
LEVOLUZIONE, basata sulla SELEZIONE NATURALE
DOVUTA ALLA COMPETIZIONE si serve anche
della SIMBIOSI p.e. nella digestione ad opera dei
batteri (nelluomo i batteri sono 10 volte più
numerosi delle sue cellule)
della SIMBIOGENESI p.e. dei mitocondri o dei
cloroplasti
Della COEVOLUZIONE p.e. tra sfingide ed orchidea
62
LA TEORIA DELLEVOLUZIONE SI EVOLVE

• Nel XX secolo la teoria di Darwin è stata
  arricchita dalla sintesi moderna che ingloba la
  Teoria di Mendel successivamente è stata
  integrata da su
• TEORIA DEGLI EQUILIBRI PUNTEGGIATI
• EPIGENETICA

La tendenza evolutiva della vita sulla Terra
ci dà le conoscenze di base per fare ipotesi
sullevoluzione di uneventuale vita altrove e
rispondere alla domanda Come potrebbero
essersi evoluti gli esseri viventi su altri
pianeti? (Tenendo conto delle estinzioni e delle
contingenze locali)
63
1930-50 sintesi moderna. L'evoluzione procede
per selezione naturale e le specie nascono per
accumulo di mutazioni in popolazioni isolate.
1930-50 sintesi moderna. L'evoluzione procede
per selezione naturale e le specie nascono per
accumulo di mutazioni.
1977 Woese classifica gli organismi secondo le
affinità genetiche nei 3 dominii bacteria,
archaea e eucarya.
1871 Darwin pubblica L'origine dell'uomo.
1858 Darwin e Wallace comunicano la loro
scoperta.
1906 misurazione del decadimento radioattivo. La
Terra ha miliardi di anni e le specie hanno avuto
il tempo di evolversi per selezione naturale.
1974 in Etiopia viene rinvenuta Lucy una
australopicetina.
2009 la speciazione è talvolta dovuta
all'attivazione o disattivazione dei geni durante
lo sviluppo dell'organismo.
1953 Crick e Watson scoprono la struttura del
DNA e la modalità con cui avviene il passaggio
delle informazioni genetiche.
Da National Geographic 02/2009
2003 completata la sequenza del genoma umano.
Esso mostra forte affinità con quello dello
scimpanzè.
1865 Mendel dimostra che i fattori(geni) non
si combinano insieme nelle generazioni successive
ma sono ereditati indipendentemente.
1910-15 Morgan scopre il ruolo dei geni
nell'ereditarietà e la loro collocazione sui
cromosomi.
1920-30 si dimostra che le mutazioni non
trasformano le specie, ma forniscono il materiale
su cui agisce la selezione.
Dal 1977 i coniugi Grant hanno studiato
l'evoluzione dei fringuelli delle Galapagos,
dimostrando che avviene in tempo reale.
64
Equilibri punteggiati
Una delle critiche alla Teoria dellEvoluzione
riguarda la mancanza di fossili intermedi fra le
specie e quindi non vitali o non adeguati
allambiente in cui vivevano.
Negli anni 70 S. J. Gould e N. Eldredge hanno
proposto la teoria degli Equilibri Punteggiati,
che prevede la capacità delle specie di adeguare
il proprio metabolismo alle variazioni ambientali
fino a quando non intervenga un modifica
sostanziale, positiva o negativa, del DNA,
comportando dei salti. Secondo Gould lo stress
aumenta la variabilità del DNA. Nella figura in
ordinate è riportato il numero di nuove specie
originate in quel periodo.
65
Epigenetics A Landscape Takes Shape
Epigenetics A Landscape Takes Shape
EPIGENETICA
Nel 1957, C. Waddington, che coniò il termine
epigenetica, propose il panorama epigenetico
alternative per levoluzione della cellula.
Lattuale panorama è molto più complesso. Le
funzioni epigenetiche sono altamente interattive.
CELL Epigenetics A Landscape Takes Shape 23. 2.
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Evoluzione Genetica ed Epigenetica
DNA
Genetica (Hardware)?
FENOTIPO E COMPORTAMENTO
Epigenetica (Software)?
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Evoluzione
Epigenetica Modifica lespressione genica senza
cambiare le Basi del DNA
DNA
PROTEINE
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Evoluzione
Genetica ed Epigenetica
L epigenetica è particolarmente importante nei
fenomeni del comportamento. Il sistema
neurosensoriale è molto ricettivo e plastico nei
confronti degli stimoli ambientali. Le modifiche
morfofunzionali apportate da questi potrebbero
essere facilmente trasmesse mediante ormoni al
sistema genetico e determinarvi nuovi
assetti. In sostanza, i viventi sperimentano il
loro ambiente ed attraverso tale esperienza
elaborano la loro evoluzione. (Sarà, 2005)?
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Evoluzione Genetica ed Epigenetica
Epigenetica nei gemelli monozigoti. Analisi
statistiche suggeriscono che coppie di gemelli
anziani sono epigeneticamente più differenti di
quelle più giovani. Gemelli che che hanno
rivelato di aver trascorso minor tempo assieme
durante la loro vita, o che hanno avuto
differenti problemi di salute, hanno la maggior
differenza epigenetica. (Q Choi The Scientist,
7 luglio 2005).
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Esempio di adattamento allambiente
I coniugi Peter e Rosemary Grant, dal 1977, hanno
trascorso da 2 a 6 mesi ogni anno alle Galàpagos
studiando particolarmente i fringuelli di
Darwin. Le variazioni climatiche hanno cambiato
la disponibilità di cibo ed essi hanno potuto
constatare, in tempo reale, ladattamento dei
becchi dei fringuelli al diverso tipo di cibo. La
epigenetica ha evidenziato il ruolo del gene
della proteina BMP4.
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I moderni Darwin le scoperte più recenti
Abzhanov e Tabin hanno scoperto che quando il
gene della proteina BMP4 viene attivato nella
mascella di un embrione di fringuello, il becco
diventa più profondo e largo. Questo gene si dice
espresso in maniera più forte nel fringuello
terricolo grosso (Geospiza magnirostris) che usa
il suo robusto becco per spaccare grossi semi e
noci. In altri fringuelli un gene esprime una
proteina chiamata calmodulina, che dà origine a
un becco lungo e sottile è il caso del
fringuello terricolo grosso dei cactus (Geospiza
conirostris), che se ne serve per cercare i semi
nei frutti della pianta.
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In realtà, il gene della BMP4 è responsabile
anche dell'ispessimento delle mandibole dei
ciclidi del Lago Vittoria, in Africa.
IL GENE SVOLGE LO STESSO RUOLO IN UCCELLI E PESCI
DI DUE CONTINENTI DIVERSI!
LE SPECIE HANNO TUTTE UN'ORIGINE COMUNE!
Anche il gene FOXP2 ha un ruolo cruciale sia per
lo sviluppo del canto degli uccelli che per
quello della parola nell'uomo (è fondamentale
nell'apprendimento del sofisticato movimento di
labbra e lingua)?
L'evoluzione non agisce solo modificando i geni,
ma anche cambiando il modo in cui essi vengono
attivati o disattivati (abbiamo una sorta di
genetica a interruttore)?
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Evoluzione Genetica ed Epigenetica
Gli strumenti di codifica epigenetica più comuni
METILAZIONE il gruppo metile, CH3, ha affinità
per le citosine del DNA. Più un filamento di DNA
è metilato, minore è la probabilità che venga
trascritto in RNA e, dunque, che svolga la sua
funzione (Gibbs, 2004). ACETILAZIONE con
l'aggiunta di gruppi acetilici, CH3CO, si
promuove l'attivazione di geni. ORMONI i
mammiferi superiori producono più di 100 ormoni
diversi. Modificano, via recettori cellulari, la
leggibilità del DNA, o dell'mRNA, con effetto
profondo sull'attività di trascrizione (Arienti,
2004).
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Evoluzione Genetica ed Epigenetica
La metilazione, come imprinting epigenetico, è
trasmissibile alla progenie.
Le esperienze di vita che lasciano un segno
duraturo nellanimale possono essere consolidate
nelle successive generazioni, dando luogo a
comportamenti che chiamiamo istintivi. Si
comprende quindi lorigine di questi
comportamenti!
Da Wikipedia
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Evoluzione Genetica ed Epigenetica
La mancanza di fossili di specie intermedie,
inadatte al loro ambiente, potrebbe essere
dovuta alla originale mancanza o scarsità di tali
specie e ciò grazie agli Equilibri Punteggiati,
che possono essere permessi dallEpigenetica,
consentendo alle specie di sopportare condizioni
avverse per lungo tempo.
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Parte terza EVOLUZIONE DELLE SPECIE SULLA
TERRA Dai batteri alluomo
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Mitocondri e Cloroplasti
Circa 2,4 Ga fa il contenuto di ossigeno
nellatmosfera è iniziato ad aumentare per
lattività dei cianobatteri.
Per molti degli organismi procarioti anaerobici
allora viventi lossigeno era tossico. Per
sopravvivere hanno dovuto attrezzarsi e
collaborare con batteri che, attraverso la
simbiosi, sono poi divenuti mitocondri (gtATP) in
tutti gli eucarioti e cloroplasti (gtzuccheri)
solo nelle alghe e nelle piante (L. Margulis).
Mitocondrio, già batterio simbionte
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ORGANI DELLA CELLULA EUCARIOTICA Organo
Funzione
n
Nucleo
Contiene DNA e RNA Reticolo endoplasmatico
Assemblaggio proteine e lipidi Ribosomi
Formazione
proteine Apparato di Golgi
Modifica molecole Mitocondri
Trasformano zuccheri in ATP
(respirazione
cellulare) Membrana plasmatica
Sostegno e Permeabilità selettiva
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Le Piante
Le Briofite prime piante terrestri
Prima di 440 Ma fa comparvero Muschi ed Epatiche,
organismi eucarioti, pluricellulari, autotrofi, a
vita prevalentemente terrestre, privi di tessuti
veri e propri.
Le Felci prime piante vascolari
Tappeto di muschi
420 Ma fa le Felci iniziarono la loro
colonizzazione delle terre emerse. Si riproducono
ciclicamente per spore e per gameti. Necessitano
di un velo dacqua tra i gameti nel ciclo più
noto ed appariscente.
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Le Piante
Con semi Gimnosperme
400 Ma fa comparvero le prime piante con seme.
Nel successivo Carbonifero (359-299 Ma fa) la
Terra si coprirà di estese foreste.
Con fiori Angiosperme
Comparse forse già nel Triassico (251-200 Ma fa)
o più probabilmente nel successivo Giurassico
(200-145 Ma fa), le angiosperme si diffusero
rapidamente in un grande numero di forme diverse
a partire dal Cretaceo superiore (90 Ma fa).
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La Flora di Madera
In alcuni luoghi della Terra l'isolamento è stato
così prolungato da rendere possibile la presenza,
al giorno d'oggi, di quelli che chiamiamo
fossili viventi. La flora di Madera rassomiglia
all'estinta flora terziaria europea questo
perchè Su una piccola isola la lotta per la vita
deve essere stata meno spietata e le
modificazioni e gli stermini devono essere stati
minori. (Darwin, L'origine delle specie)?
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Progenitori

Le 5 grandi Estinzioni hanno selezionato i
viventi.
Alcuni ossicini della mascella dei rettili
mammaliani diventano lorecchio dei mammiferi
Cinodonte, Terapside, rettile mammaliano. Estinto
210 Ma fa
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Dinosauri i sopravvissuti
Gli uccelli
Il più antico fossile di dinosauro volante,
lArchaeopteryx risale a 147 Ma fa. Recenti
analisi della sua cavità cerebrale hanno
confermato che sapeva volare e non solo
planare. Fra i dinosauri quelli volanti sono gli
unici sopravvissuti. LArchaeopteryx condivide
con gli uccelli un antenato vissuto circa 3 Ma
prima.
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Levoluzione dei Mammiferi
La fine del regno dei Dinosauri ha liberato le
nicchie ecologiche nelle quali si sono
rapidamente evoluti i Mammiferi.
Per esempio, il cavallo ancestrale, denominato
Eohippus, 55 Ma fa, era delle dimensioni di un
cane ed aveva le zampe con 4 dita.
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Levoluzione del Cavallo
Da 10 a 2 Ma fa è vissuta una specie più piccola
delle precedenti, denominata Nannippus, simile ad
una gazzella.
10 mila anni fa si è estinto in Nord America
dove si era principalmente evoluto. I cavalli
selvaggi dei Pellerossa erano quelli europei.
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Levoluzione del Cavallo
La cespugliosità pervade lintera filogenesi dei
cavalli. Il modello della scala potrebbe
essere applicato solo a linee genealogiche che
non hanno avuto successo. I cespugli
rappresentano la topologia appropriata
dellevoluzione. Le scale lineari sono astrazioni
sbagliate, prodotte facendo passare un rullo
compressore su una via labirintica che salta da
un ramo allaltro in un cespuglio filogenetico
(S. J. Gould Bravo Brontosauro, Feltrinelli
2002)?
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Levoluzione dei Felini
Da un felide ancestrale, 10.8 Ma fa, è
derivato il ramo pantere e, per ultimi, 6.2 Ma
fa, i rami leopardo e gatto domestico. Sono
evidenziate dieci importanti migrazioni fra i
continenti, sei delle quali negli ultimi
tre milioni di anni.
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CLADISTICA Un clado raggruppa tutti i
discendenti di un progenitore
MAMMIFERI
Evoluzione dei placentati e marsupiali
Nature 13.12.07 n.450 p. 1011.
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I Primati
Lantenato comune agli scimpanzè ed al genere
Homo è vissuto 7 Ma fa.
In Spagna è stato trovato un fossile, di 13 Ma,
precedente la separazione dei gorilla. Il più
antico fossile di un primate rinvenuto, simile a
un ratto, risale a 65 Ma fa è denominato
Purgatorius.
Bonobo, si è separato dallo scimpanzè 2 Ma fa.
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I Primati
I genetisti hanno in programma lo studio dei geni
di tutti i primati a fianco illustrati, ove sono
indicate anche le date di presumibile divergenza,
in milioni di anni. Lo scimpanzè, il gorilla e
lorangutan, oltre al bonobo, non illustrato,
sono scimmie antropomorfe.
Da SCIENCE 13. 4. 2007 pp. 218-221
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Homo i Geni
Il Prof. E. Boncinelli scrive Molti geni
regolatori controllano, allo stesso tempo,
diverse parti del corpo. Il gene OTX1 controlla
contemporaneamente la formazione del cervello,
dell'orecchio interno, dell'occhio, della
laringe e dell'apparato genito-urinario. Si può
supporre che una mutazione in un gene simile
potrebbe aver accresciuto enormemente le
capacità mentali di uno scimmione ed avergli
fornito, allo stesso tempo, la possibilità di
avvalersi di un linguaggio articolato. Il tutto
potrebbe essere avvenuto, semplicemente, per
favorire un miglior adattamento della funzione
renale a nuove condizioni ambientali.
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Homo
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Homo ha rischiato lestinzione
Per l'eruzione del vulcano Toba (Sumatra) 73500
anni fa, che ha prodotto circa 3000 km3 di magma,
proiettando nella stratosfera qualche milione di
tonnellate di polveri ed aerosol di acido
solforico. Si stima che l'aerosol sia rimasto in
sospensione nell'alta atmosfera per circa sei
anni, producendo una diminuzione di temperatura
di 3 - 5 gradi, con punte locali di 15
gradi. Studi genetici umani indicano una
riduzione della popolazione, prima di 60 mila
anni fa, a circa un decimo del preesistente.
Caldera attuale di 65 km
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Homo sapiens
Secondo linterpretazione di S. J. Gould Se una
piccola ed insignificante popolazione di
protoumani non fosse sopravvissuta alle centinaia
di tribolazioni di una sorte oltraggiosa nelle
savane africane, lHomo sapiens non sarebbe mai
comparso.
Schema da Nature 7.5.2009
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La soglia nascosta dellumano
Levoluzione dallaustralopiteco al genere homo
assomiglia ad una di quelle discontinuità che S.
J. Gould chiama equilibri punteggiati. (Y.
Coppens)? Il passaggio dallanimale alluomo
implica una rottura di soglia, che non esige la
negazione delle continuità biologiche, anatomiche
e persino psichiche tra i due. (G. Martelet)?
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Bibliografia

• Charls Darwin, L'origine delle specie
• Charls Darwin, Alfred Russel Wallace, Abbozzo
  all'origine delle specie del 1842, lettere
  1844-1858, comunicazioni del 1858
• Helena Curtis N. Sue Barnes, Invito alla
  biologia
• National Geographic 11/04, Darwin aveva torto?
• National Geographic 12/08, L'uomo che non era
  Darwin
• National Geographic 02/09, Darwin, le prime
  scoperte
• National Geographic 02/09, Moderni Darwin