SAPERI MINIMI DI
BIOLOGIA
Antonella Sangalli
Dipartimento di Scienze Neurologiche,
Biomediche e del Movimento, Sezione di
Biologia e Genetica
1
Testi suggeriti
1_ Bonaldo P, Duga S, Pierantoni R, Riva P, Romanelli MG
“Biologia e genetica”, EdiSES
2a_ Estratto da Mason KA, Losos JB, Singer SR Biologia basato
sull’opera di Raven PH, Johnson GB
“Biologia Cellulare”, Piccin editore
2b_Estratto da Mason KA, Losos JB, Singer SR Biologia basato
sull’opera di Raven PH, Johnson GB
“Genetica e Biologia Molecolare”, Piccin editore
Note in diapositive
2
Informazioni
Date e orario di lezioni ed esami sulla pagina Tandem
2015-2016
Diapositive sulla pagina Tandem 2015-2016
A fine corso compilerete un questionario di valutazione
dello stesso
Firma presenze
3
Modalità esame
Scritto
30 domande a risposta multipla (esempio di quiz sul sito
tandem)
2 appelli (è possibile iscriversi anche al secondo se non
si supera il primo, o se si vuole migliorare il voto)
4
Programma del corso
Evoluzionismo
Molecole biologiche nella cellula
Virus, Cellula procariotica ed eucariotica a confronto. Cellula
eucariotica: membrana plasmatica, organelli
Ciclo cellulare, mitosi, meiosi e gametogenesi
Cromosomi
DNA: struttura e replicazione
Trascrizione genica
Traduzione
Mutazioni
5
Teoria evolutiva
Teoria dell’evoluzione
Spiegazione scientifica dei processi di trasformazione
degli esseri viventi nel corso delle generazioni
Formulata per la prima volta in modo sistematico da
Charles Darwin ne «L’origine delle specie» nel 1859
Teoria
⃰ Il significato formale del termine teoria è diverso dalla
accezione colloquiale con cui viene usato.
⃰ Il termine teoria si riferisce ad una spiegazione di un
processo/evento supportata da dati ed osservazioni.
⃰ Molto spesso a livello colloquiale il termine teoria viene
utilizzato impropriamente in sostituzione di ipotesi, ma
questi due termini non sono affatto sinonimi.
È solo una teoria….
Fissismo
Concezione biologica secondo la quale le specie vegetali
ed animali non hanno subito e non subiranno
modificazioni nel corso del tempo.
Presente nelle culture più antiche di ogni popolo, fu
formulato da Linneo nel 1735
Il fissismo iniziò a venir meno, soprattutto nella cultura
francese, in epoca illuministica.
Le specie viventi si trasformano nel
tempo
Nel 1700 lo studio dei fossili dimostrava l’esistenza di
antichi organismi talvolta molto diversi da quelli
attuali, suggerendo che le specie viventi si trasformano
nel tempo
Georges-Louis Buffon
1707-1788
⃰
Il naturalista Georges-Louis Buffon avanzò l’ipotesi che
i viventi si fossero originati da un esiguo numero di
antichissimi antenati.
La sua tesi, che individuava un processo di continua
modificazione nelle specie viventi, anticipava le teorie
sull’ evoluzione e contrastava con le teorie di Linneo
fondate sulla fissità delle specie.
Erasmus Darwin
1731-1802
Medico, scienziato, poeta, geniale inventore, pioniere
nella teoria dell’evoluzione…. e nonno di Charles
Darwin
Erasmus propose l’idea di evoluzione, intesa come
sviluppo su tempi lunghissimi di forme complesse a
partire da forme più semplici
Jean-Baptiste Lamark
1744-1829
Formulò una teoria sull’evoluzione secondo la
quale le specie si evolvono tramite l’interazione
con l’ambiente
L’evoluzione delle specie sarebbe il prodotto
della seguente sequenza di fatti:
I cambiamenti ambientali generano nuove
necessità
Le necessità determinano l’uso o il disuso
di uno o più organi
Gli organi si sviluppano o si atrofizzano
I caratteri così acquisiti sono ereditari
Lamarck vs Darwin
L’antenato della giraffa aveva il collo corto
generazione 1
generazione 2
generazione 3
giraffe nascono già con colli a lunghezza diversa, e quelle coi colli più lunghi sopravvivono
meglio e fanno più figli, trasmettendo il carattere collo lungo alla generazione filiale
Charles Darwin
1809-1882
Iniziò gli studi di medicina e poi di teologia, ma la sua
vera passione erano le scienze naturali.
Nel 1831, all’età di 22 anni, salpò sul brigantino Beagle
per una spedizione cartografica di cinque anni.
Osservazioni 1
Gli individui di una stessa popolazione mostrano grande variabilità
nelle loro caratteristiche…
… e molte di queste caratteristiche sono ereditabili
Popolazione:
insieme degli individui
di una specie che vivono
in un certo periodo in un
determinato territorio
Alcune caratteristiche sono trasmesse alla
generazione successiva
.
mento degli Asburgo
(prognatismo)
Osservazioni 2
Ogni popolazione ha la capacità di produrre discendenti in maniera
esponenziale (la femmina del merluzzo depone 10 milioni di uova
l’anno, un’ostrica depone 100 milioni di uova alla volta)…
… ma le dimensioni delle popolazioni rimangono stabili nel tempo
… e le e risorse ambientali sono limitate
Potenziale di crescita di
Escherichia coli
Assumendo una divisione cellulare ogni 30 minuti in una
settimana i discendenti di un’unica cellula batterica
avrebbero una massa superiore a quella della terra
Potenziale di crescita dell’elefante
Darwin calcolò che il numero di discendenti di una singola
coppia di elefanti (22 mesi di gestazione, un cucciolo alla
volta) arriverebbe a 19 milioni in 750 anni
Deduzioni 1
Solo una minima percentuale degli individui generati sopravvivono
e si riproducono, a causa della competizione per le risorse (lotta per
la sopravvivenza)…
… e alcuni individui (i più adatti a quell’ambiente) hanno maggiore
probabilità di sopravvivere e di riprodursi trasmettendo i loro
caratteri vantaggiosi alla prole
predatore
prede
risorse alimentari
Fitness darwiniana
Il successo evolutivo di un individuo si misura con il contributo (n°
figli) che dà alla generazione successiva
un individuo che anche sopravvivesse bene (il più forte!) in un
determinato ambiente, ma che non si riproducesse avrebbe fitness =0
Deduzioni 2
Nel corso del tempo si accumula un sufficiente numero
di variazioni tra popolazioni diverse tali da originare
specie distinte
Speciazione
Processo attraverso cui a partire da una specie ancestrale
si originano due o più nuove specie
Popolazione di individui
della specie A
Comparsa di una
barriere fisica
(es. fiume)
Accumulo di variazioni
(mutazioni) diverse nelle
due popolazioni
2 specie distinte
Speciazione
In un piccolo lago di cratere in Tanzania sono state
“colte sul fatto” due popolazioni di pesci che stano
divergendo e sono riproduttivamente isolate, e
identificati i geni probabilmente responsabili della
divergenza
Evoluzione per selezione naturale
Cambiamenti
ereditabili
casuali
ed
Gli individui di una
popolazione sono diversi
tra di loro
Alcuni individui
si riproducono più di
altri
I genitori passano ai
figli le loro
caratteristiche
SELEZIONE
Mutazione, selezione e caso
La mutazione è CASUALE: NON avviene in risposta
all’ambiente. Non è che, siccome il predatore uccide
selettivamente gli insetti verdi, allora nascono individui
arancioni
La selezione NON è casuale: non è un caso che
sopravvivano preferenzialmente (e quindi in media
faranno più figli a cui trasmetteranno il proprio colore)
gli insetti arancioni
La mutazione propone, la selezione
dispone
L’evoluzione per selezione naturale è un processo a due fasi:
le mutazioni casuali compaiono in una popolazione
l’ambiente seleziona (setaccia) gli organismi che le portano
Selezione artificiale
Allevatori e agricoltori sono stati in grado di ottenere numerose varietà
di organismi in poche generazioni. Darwin immaginò che un processo
selettivo simile potesse verificarsi anche in natura
Cavolo selvatico
400 anni fa
Selezione artificiale
Successo riproduttivo del più
adatto…
Bisogna sempre tenere conto dell’ ambiente in cui
l’organismo si trova: una data caratteristica può rivelarsi
svantaggiosa in un dato ambiente, vantaggiosa in un altro.
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Successo riproduttivo del più adatto…
a quel determinato ambiente
Bisogna sempre tenere conto dell’ ambiente in cui
l’organismo si trova: una data caratteristica può rivelarsi
svantaggiosa in un dato ambiente, vantaggiosa in un altro.
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Melanismo industriale e selezione naturale
Prima della rivoluzione industriale
uno strato di licheni di colore grigio
chiaro ricopriva i tronchi degli alberi
in gran parte dell’Inghilterra. Molte
specie di insetti tra cui le falene
(Biston betularia), vivevano sui
licheni ben mimetizzate alla vista dei
predatori.
In seguito alla industrializzazione
molti dei licheni scomparvero per
inquinamento ambientale, ed alberi e
rocce annerirono a causa dei fumi
inquinanti.
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Melanismo industriale e selezione naturale
Le falene maculate che a maggioranza
popolavano le campagne inglesi vennero
così a trovarsi completamente esposte
allo sfondo scuro dei tronchi.
Nel 1948 la percentuale di individui scuri
di falena cominciò ad aumentare nei
sobborghi cittadini fino ad arrivare al
98% nei sobborghi di Manchester, ed il
fenomeno fu definito “melanismo
industriale”. L’apparire delle falene
melanizzate era dovuto ad una mutazione
spontanea in un gene sul cr.17, seguito
dalla selezione naturale in un ambiente in
cui il mancato mimetismo sfavoriva la
sopravvivenza delle falene maculate a
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causa di uccelli predatori.
Quello che Darwin non sapeva
Darwin non fu in grado di spiegare come avviene la
trasmissione dei caratteri ereditari perché non conosceva
il lavoro del suo contemporaneo Mendel (una copia di
Esperimenti sulle piante ibride fu ritrovata nello studio
di Darwin dopo la sua morte, ma era intonsa: dunque
Darwin aveva ricevuto il lavoro, ma non lo aveva mai
letto)…
… o perché gli individui variassero all’interno della
popolazione (mutazione)
Evidenze empiriche a sostegno
della teoria darwiniana
Prove storiche (fossili)
Comparazioni anatomiche fra specie viventi imparentate
o tra specie viventi ed estinte (anatomia comparata)
Prove molecolari
Osservazioni in tempo reale
Fossili
Per alcuni gruppi di animali i reperti fossili sono tanto abbondanti e
ben distribuiti nel tempo, da formare delle serie complete che
consentono di ricostruire in modo dettagliato le tappe del loro intero
processo evolutivo.
Un eccezionale fossile che testimonia l’evoluzione degli Uccelli a
partire dai Rettili è l’Archaeopteryx, nel quale sono mescolati
caratteri rettiliani con quelli degli Uccelli.
Anatomia comparata
Se si osserva l’arto anteriore degli anfibi, dei rettili, degli uccelli e dei
mammiferi, si può notare come questo sia in tutti i casi costituito dagli stessi
pezzi, più o meno sviluppati: omero, radio, ulna, ossa carpali, ossa
metacarpali e falangi. Per le diverse funzioni che l’arto svolge esso assume
forme diverse, ma in queste diverse classi di vertebrati ricorre sempre la
stessa struttura. La spiegazione risulta molto semplice: i vertebrati
discenderebbero tutti da un antenato comune dal quale avrebbero ereditato le
suddette strutture.
Questo tipo di somiglianza viene chiamato omologia
Prove molecolari 1
Il codice genetico (fa corrispondere a una tripletta di
nucleotidi un determinato aminoacido) è universale in
tutti gli organismi viventi GGG
Gly.
Gli aminoacidi sono 20 in tutti gli organismi
Questo significa che tutti gli organismi sono derivati da un
antenato comune
Prove molecolari 2
Il sequenziamento del DNA permette di comparare
porzioni geniche in specie differenti. Il grado di
somiglianza fra tali sequenze è una misura della
parentela fra le specie. La sequenza di uno stesso gene
sarà più simile in specie strettamente imparentate.
Alberi di discendenza delle specie
I fringuelli di Darwin
Il sequenziamento del DNA ha permesso di dimostrare che tutte le
specie di fringuelli delle Galapagos studiati da Darwin derivano da
un antenato comune di terraferma
Evoluzione in tempo reale 1
Il virus dell'influenza umana evolve molto rapidamente,
subendo una significativa modifica delle sequenze
genetiche che codificano per il suo involucro esterno,
sfuggendo al sistema immunitario dell'ospite che ha già
contratto la malattia, e rendendo meno efficaci i vaccini
preparati sulla scorta dei ceppi virali degli anni
precedenti.
Ceppi di virus influenzali sempre nuovi ci costringono a
produrre vaccini diversi ogni anno
Evoluzione in tempo reale 2
Resistenza agli antibiotici: l’ esposizione agli antibiotici seleziona ceppi di batteri
resistenti uccidendo le cellule sensibili e facendo aumentare la proporzione di quelle
resistenti (già presenti nella popolazione prima dell’esposizione all’antibiotico).
NON è l’esposizione all’antibiotico che fa diventare resistente il singolo batterio.
Evoluzione in tempo reale 3
30 anni fa vengono introdotte sul mercato le prime esche
avvelenate dolci per gli scarafaggi
dopo 7-8 anni non funzionavano già più!
negli anni ‘90 ha preso il sopravvento un mutante che
manifesta avversione per il sapore dolce del glucosio
contenuto nelle esche
Adattamenti imperfetti 1
L’evoluzione NON porta al raggiungimento di stati di maggiore
perfezione (caratteristiche ottimali) perché la selezione può solo
agire sul materiale che la mutazione casualmente produce
L’occhio dei vertebrati ha una retina
«rovesciata» rispetto a quella dei
cefalopodi e per questo ha un punto cieco
Adattamenti imperfetti 2
Noi abbiamo la stessa anatomia della
colonna vertebrale
di ogni altro
vertebrato sulla terra, ma siamo gli unici
bipedi! La colonna fatta così è stata
sviluppata dalla selezione naturale per la
quadrupedia.
Mal di schiena
Adattamenti imperfetti 3
I cetacei possono mantenere l'apnea per tempi molto
lunghi. La risposta immediata all’immersione consiste
in un rallentamento del battito cardiaco (bradicardia) e
in una vasocostrizione periferica, che consente di
contenere il consumo della riserva di ossigeno
disponibile durante l’apnea. Ma durante uno sforzo fisico, come quello
necessario all’inseguimento delle prede, si attivano altri meccanismi che producono un
effetto contrario, cioè un aumento del battito cardiaco (tachicardia). Qual è l’effetto
combinato di queste due risposte sul cuore di questi animali?
un aumento della frequenza di aritmie cardiache all’aumentare dello sforzo fisico e della
profondità.
Evoluzione e complessità
Astyanax mexicanus
L’evoluzione NON porta necessariamente verso una
maggiore complessità
Rhamdia guasarensis
Rhamdia quelen
Gli animali che abitano le caverne sono generalmente ciechi e depigmentati rispetto a
specie imparentate di superficie. Hanno perso gli occhi e pigmento come adattamento
alla vita in grotta.
L’evoluzione per selezione naturale, come la maggior
parte delle teorie scientifiche complesse, è così ostica da
accettare perché va contro al senso comune, al nostro
modo di ragionare basato sull’intuito (il senso comune
dice che per avere un oggetto complesso occorre
l’intervento di un artefice)…
…ma l’intuito e il senso comune ci possono portare a
conclusioni sbagliate
Effetto Wile Coyote
Effetto Wile Coyote
Ignorando la resistenza dell’aria, quale traiettoria seguirà la
pallina?
Solo il 15% degli studenti delle superiori e dell’università ha
risposto correttamente (il 60% indica come corretta la
risposta 1!)
