Schema didattico sull’evoluzione dei viventi per selezione naturale cumulativa
di Luciano Porta
L’evoluzione è affrontata in questa lezione in modo schematico, ma ragionato, per esigenze didattiche.
Due teorie contrastanti si sono fronteggiate: il fissismo e l’evoluzionismo.
Fissismo: Secondo i fissisti, le specie viventi sono rimaste sempre uguali dalla loro apparizione sulla Terra.
Sono ad esempio fissisti due grandi scienziati: Linneo (1707-1778, naturalista svedese, autore della celebre
opera Sistema naturae, ideatore della nomenclatura binomia, della definizione naturale di specie, di un
metodo razionale di classificazione) e Cuvier (1769-1823, paleontologo francese, ideatore dell’errata ipotesi
delle catastrofi e del geniale principio di correlazione degli organi che gli permise di definire la struttura
completa di un animale estinto a partire da resti fossili parziali).
Evoluzionismo: Secondo gli evoluzionisti, le specie viventi sono diverse da quelle del passato, ma derivano
da esse. L’evoluzionismo è il più importante principio della biologia moderna.
Le principali teorie dell’evoluzionismo sono due:
1) teoria dell’evoluzione per mezzo dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti , del tutto superata (Lamarck,
1744-1829, naturalista francese, autore dell’opera Philosophie zoologique);
2) teoria dell’evoluzione per mezzo della selezione naturale, teoria “ufficiale” della scienza (Darwin, 18091882, naturalista inglese, autore nel 1859 dell’opera The origin of species, una delle vette della cultura di
ogni tempo).
1) TEORIA DELL’EREDITARIETA’ DEI CARATTERI ACQUISITI
Jean Baptiste de Lamarck:
Fu a ragione un evoluzionista.
Comprese che i viventi devono essere ben adattati all’ambiente.
Sostenne un’ipotesi contraddetta da molte esperienze e quindi non accettata dalla biologia
contemporanea. Riteneva che i viventi potessero percepire per mezzo di sensazioni recondite (cioè
nascoste) la propria inadeguatezza ai cambiamenti ambientali. Con un atto di volontà decidevano di
usare di più o di meno alcuni organi (ad esempio le giraffe hanno “sforzato” il collo per mangiare le
foglie degli alberi, essendo diventate aride le praterie).
Se alcuni organi sono usati poco si atrofizzano (cioè si riducono) e se invece sono usati molto si
sviluppano di più. Se entrambi i genitori hanno acquisito durante la vita nuovi caratteri (cioè
caratteristiche) possono trasmetterli ai figli.
Vi sono prove che la teoria di Lamarck è errata (i figli degli atleti non sono più forti degli altri
bambini; cani con la coda mozzata dall’uomo generano cuccioli con coda lunga).
L’ambiente non riesce ad influire, almeno nel modo così semplicistico proposto da Lamarck, sulle
caratteristiche fisiche dei viventi, ma invece influisce sicuramente sulla cultura degli individui.
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2) TEORIA DELL’EVOLUZIONE PER SELEZIONE NATURALE
Charles Darwin:
Viaggiò “intorno al mondo” (dal 1831 al 1836 sul Beagle), assistette a terremoti sconvolgenti,
osservò sulle isole Galapagos fringuelli, iguane, testuggini con alcune differenze da isola a isola per
meglio adattarsi ai diversi ambienti. Rinvenne fossili simili come forma , ma non come dimensioni,
agli scheletri dei viventi attuali.
Lesse i “Principi di geologia” (di Lyell) in cui si affermava che forze naturali, simili nel passato a
quelle attuali, avevano profondamente mutato l’ambiente rendendo così difficile la vita a gran
parte dei viventi, non più adatti alle nuove condizioni.
Lesse il “Saggio sul principio della popolazione e i suoi effetti sullo sviluppo futuro della società”
(opera del 1798 di Malthus, economista inglese) in cui si affermava che mentre la produzione
agricola cresce nel tempo in progressione aritmetica (o in modo lineare) e quindi molto
lentamente, la popolazione cresce in progressione geometrica ( o in modo esponenziale) e quindi
in modo molto rapido con conseguenti gravi carestie che riducono il numero degli individui in modo
drammatico. Per chiarire il concetto facciamo un esempio di progressione aritmetica ed uno di
progressione geometrica.
Esempio di progressione aritmetica: 1+2=3; 3+2=5; 5+2=7; 7+2=9; 9+2=11; 11+2=13; 13+2=15 ...
Esempio di progressione geometrica: 1*2=2; 2*2=4; 4*2=8; 8*2=16; 16*2=32; 32*2=64; 64*2=128..
Osservò le tecniche che gli allevatori adottavano per ottenere nuove razze come le colombe
pavoncelle a coda lunga ottenute con selezione artificiale (allevamento in gabbie distinte a seconda
della lunghezza della coda) dall’incrocio di colombe a coda normale.
Da queste esperienze, da queste letture e da queste riflessioni, dopo decine di anni di studi, Charles
Darwin elaborò la teoria dell’evoluzione per selezione naturale (pubblicata nell’ Origine delle specie
nel 1859) e che può essere così sintetizzata:
Gli individui di una specie non sono identici, ma presentano una notevole variabilità. Darwin non
conosceva le cause della variabilità: la riproduzione sessuata (cioè con due genitori) che genera
individui diversi dai genitori (legge dell’indipendenza di Mendel) e le mutazioni genetiche (il DNA è
molto sensibile a radiazioni, virus, sostanze presenti nell’ambiente). Le variazioni che appaiono nei
discendenti non sono prevedibili (sono fenomeni legati al caso come il percorso di un viandante
che trova sul suo cammino innumerevoli biforcazioni e non conoscendo la strada lancia una moneta
per scegliere la direzione: conosciamo il punto di partenza, ma non quello di arrivo).
Gli individui sono troppi per le limitate risorse disponibili (vedi Malthus).
Si riproducono maggiormente (o riescono a far sopravvivere un maggior numero di figli) i più adatti
(i più forti o i più intelligenti o quelli che collaborano meglio). Trasmettono così i loro caratteri
(caratteristiche) favorevoli a molti discendenti. Si riproducono di meno (o riescono a far
sopravvivere un numero minore di figli) i meno adatti. Notiamo che alcuni caratteri neutri (cioè né
favorevoli, né sfavorevoli) sono ugualmente conservati per il futuro. Come gli allevatori conosciuti
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da Darwin effettuavano una selezione artificiale (es. per ottenere colombe pavoncelle da colombe
a coda normale) , così l’ambiente effettua una selezione naturale (l’ambiente non deve essere
considerato solamente nei sui caratteri fisico-chimici, ma anche in quelli biologici: gli altri viventi).
Si noti che la selezione naturale è una selezione cumulativa. Questo concetto è fondamentale per
dare rilevanza scientifica alla teoria di Darwin, rendendo l’evoluzione molto più rapida e
compatibile con i tempi geologici. Facciamo un esempio facilmente comprensibile e non legato alla
biologia di selezione cumulativa. Abbiamo un sacchetto pieno di dadi e vogliamo che escano ad
esempio solo le facce col numero 6. Possiamo seguire due metodi: li lanciamo tutti e se non sono
usciti tutte le facce col 6 li lanciamo nuovamente e così via fino a che tutte le facce non sono quelle
desiderate. Questo metodo che è basato sulla selezione non cumulativa è lentissimo e
praticamente non otterremo mai le facce desiderate se i dadi sono molti. L’altro metodo è basato
sulla selezione cumulativa: lanciamo tutti i dadi e mettiamo da parte tutti quelli usciti con la faccia
6. Rilanciamo solo gli altri e mettiamo da parte quelli usciti adesso con il 6 e così via. Dopo pochi
lanci tutti i dadi sono usciti con la faccia voluta. Ovviamente invece delle facce col 6 potevamo
scegliere un altro numero o addirittura scegliere per ogni dado una particolare faccia diversa da
quella degli altri dadi. I dadi sono i caratteri fisici o comportamentali degli individui appartenenti a
una specie; le facce di ogni dado gli aspetti che ogni carattere può assumere e i lanci rappresentano
le generazioni che si susseguono. Nell’immagine appare la schermata ottenuta con un mio
programma (presente nella sezione PROGRAMMI ESEGUIBILI del sito) che simula il lancio di un
numero a scelta di dadi ciascuno dei quali deve uscire con una determinata faccia. Si noti la grande
rapidità della selezione cumulativa rispetto a quella non cumulativa. Alcuni valori sono espressi in
notazione scientifica.
La separazione riproduttiva tra individui della stessa specie che presentano variabilità favorisce
l’evoluzione soprattutto in piccole popolazioni. La separazione può essere dovuta a barriere
geografiche (come catene montuose, mari ... ), comportamentali o biologiche.
In seguito è proposto un esempio di speciazione (nascita di nuove specie da specie precedenti)
favorita da separazione riproduttiva in piccole popolazioni di pesci di un lago con il fondale con due
diversi livelli di profondità se varia ripetutamente il livello dell’acqua.
Immaginiamo che con il livello alto dell’acqua si manifesti
variabilità in una specie di pesci nella zona A. Poiché i pesci
possono liberamente spostarsi tra A e B, è ben difficile che
due individui in cui si siano manifestate mutazioni simili
possano incontrarsi per riprodursi e trasmettere questa mutazione ai discendenti. Se il livello
dell’acqua si abbassa i pesci mutati nella zona A rimangono isolati, si riproducono tra di loro e danno
origine a molti individui mutanti. Se, a questo punto, il livello dell’acqua si innalza nuovamente i pesci
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possono nuovamente spostarsi da A a B o viceversa, ma quelli mutati sono troppo diversi per potersi
incrociare con gli altri e danno origine a una nuova specie.
OSSERVAZIONI SULLA TEORIA DI DARWIN:
La convinzione di Lamarck dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti era piuttosto comune ai suoi
tempi. Anche Darwin probabilmente pensava che l’ambiente potesse influenzare i caratteri di
un individuo, ma non è ben chiaro se anch’egli ritenesse che i caratteri acquisiti durante la vita
potessero essere trasmessi ai discendenti. Pertanto ritenere che vi sia una contrapposizione
assoluta tra le idee di Lamarck e quelle di Darwin è eccessivo. Sicuramente la teoria di Darwin
è stata molto più feconda per la ricchezza di esperienze, di osservazioni, di argomentazioni,
anche se non dobbiamo dimenticare che visse nel diciannovesimo secolo quando la genetica
faceva ancora i primi passi.
Darwin considerò anche un altro tipo di selezione, la selezione sessuale: in alcune specie la
livrea molto vistosa dei maschi è motivo di scelta preferenziale da parte delle femmine che
probabilmente associano all’aspetto sgargiante o imponente il concetto di buona salute e di
forza. Questi aspetti dei maschi tendono pertanto ad essere selezionati all’eccesso fino a che
non diventano un fattore di intralcio e vengono penalizzati dalla selezione naturale che ha
sempre l’ultima parola (pensiamo ai palchi delle corna dei cervi che possono diventare così
imponenti da rendere l’animale facile preda).
La teoria di Darwin è stata interpretata in vario modo e spesso arricchita da concetti che il
naturalista inglese non poteva a quel tempo conoscere. Da studi iniziati negli anni trenta e
quaranta del ventesimo secolo con il progredire della genetica e della genetica di popolazione
ha origine la cosiddetta “sintesi moderna” ad opera soprattutto di Dobzhansky e Mayr. Il
concetto darwiniano di selezione naturale perde il significato di sopravvivenza dell’individuo
più adatto per assumere quello di aumento della frequenza di alcuni geni nel pool genico di
una popolazione. Secondo i sostenitori della sintesi moderna l’evoluzione è molto graduale
(ciò non è pero confermato dai fossili). Importante è invece il concetto di “mutazioni neutre”
di un gene (cioè né favorevoli, né sfavorevoli): tali mutazioni non sono eliminate e potranno
essere usate proficuamente in seguito se appariranno altre mutazioni con cui entrare in
sinergia per produrre caratteri più adatti.
Un'altra interpretazione della teoria di Darwin è quella degli equilibri punteggiati. In realtà
Darwin stesso aveva scritto che: « Molte specie, dopo essere state formate, non sono mai
andate incontro a ulteriori mutamenti ... ed i periodi, durante i quali le specie sono andate
incontro a modificazioni, anche se lunghi misurati in anni, probabilmente sono stati brevi in
confronto ai periodi in cui hanno mantenuto la stessa forma ». Nel 1972 i paleontologi
Eldredge e Gould scrissero che i cambiamenti evolutivi avvengono in periodi di tempo
relativamente brevi (ovviamente si tratta di tempi geologici) sotto l'impulso di forze selettive
ambientali; questi periodi sarebbero intervallati da lunghi periodi di stabilità. Le prove
paleontologiche confermano questa interpretazione del darwinismo. Si rinvengono pochi
fossili intermedi rispetto a quelli di individui di specie ben definite nei lunghi periodi di
stabilità.
PROVE DELL’EVOLUZIONE (alcune posteriori alla vita di Darwin):
I fossili (soprattutto i cosiddetti anelli di congiunzione che presentano caratteri intermedi
tra due gruppi tassonomici), correttamente datati con i moderni metodi chimico-fisici, ci
permettono di ricostruire l’albero dell’evoluzione.
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Il principio di Haeckel (1834–1919, zoologo e biologo tedesco) che afferma che
l’ontogenesi (cioè lo sviluppo dell’individuo prima della nascita) ricapitola la filogenesi (cioè la
storia evolutiva della specie). Questo principio, prima suggerito solamente dall’osservazione, ha
assunto un importante valore teorico alla luce delle moderne conoscenze della genetica e
dell’embriologia. Usando un linguaggio moderno possiamo affermare che le specie più evolute
condividono con quelle meno evolute i piani fondamentali di sviluppo che si diversificano solo negli
stadi finali e specifici della maturazione.
Studi di anatomia comparata per ricercare strutture omologhe (cioè corrispondenti) in
specie diverse, come le ali degli uccelli e gli arti anteriori dei quadrupedi.
Studi di anatomia comparata per ricercare strutture analoghe (dovute a convergenza
evolutiva) come la forma affusolata della testa dei pesci e dei delfini.
Studi di microevoluzione in atto (farfalla Biston betularia; acquisizione di resistenza da
parte di insetti, batteri).
Studi di evoluzione molecolare - orologio biologico (su DNA e proteine). Questa prova,
modernissima, è sufficiente da sola non solo per ricostruire l’evoluzione delle specie, ma anche per
stabilire quando due specie hanno avuto l’ultimo antenato comune. Riproducendosi i viventi
producono copie del loro DNA con mutazioni di cui si conosce con approssimazione la frequenza.
Come un libro copiato ripetutamente con alcuni errori, il DNA quando viene copiato presenta
alcune variazioni rispetto all’originale. Gli “errori” copia dopo copia si accumulano . Pertanto due
specie con il DNA molto diverso si sono separate nell’evoluzione da molto tempo. Se invece il DNA
o le proteine di due specie sono molto simili esse hanno avuto un recente antenato comune.
“ E’ nel cambiamento che le cose trovano il loro senso “ Eraclito
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