1 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino Le scienze naturali Osservare i viventi 2 L’origine e la storia della biodiversità 3 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 Lezione 1 L’evoluzione: le specie cambiano nel tempo Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 4 1. Da LUCA alle specie odierne Secondo la teoria dell’evoluzione, tutte le forme di vita derivano, per evoluzione, da un antenato comune. Per classificare le specie odierne occorre considerare la loro storia evolutiva e le relazioni con gli altri esseri viventi. 5 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 2. Biologia e geologia prima di Darwin Fino alla fine del Settecento si pensava che le specie fossero state create contemporaneamente all’inizio della storia della Terra, circa 6000 anni fa, e che fossero immutabili. Lamarck per primo introdusse l’idea che le specie cambiano nel tempo, ma proponeva meccanismi errati. 6 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 3. Darwin: la nascita di un’idea Nel suo viaggio sul Beagle Darwin notò che i fossili assomigliavano, ma non erano identici, agli organismi che vivevano nella medesima area del rinvenimento. Inoltre le specie di fringuelli che popolavano isole diverse delle Galapagos differivano l’una dall’altra in modo lieve, come se avessero avuto un antenato comune. 7 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 4. La lotta per la sopravvivenza e la selezione naturale Darwin e Wallace elaborarono in modo indipendente l’ipotesi che l’evoluzione avvenisse per effetto della selezione naturale. Darwin fornì poi una trattazione molto più dettagliata dell’argomento nel libro l’Origine delle specie, pubblicato nel 1859. 8 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 5. Tre condizioni per la selezione naturale La selezione naturale può agire se c’è una variabilità ereditabile dei caratteri e se gli individui che possiedono un tratto vantaggioso hanno un successo riproduttivo maggiore degli individui che hanno un tratto diverso. Per l’evoluzione è fondamentale la riproduzione. 9 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 6. L’evoluzione non è il cambiamento di un individuo L’evoluzione è il cambiamento nel tempo di una linea di individui, cioè di una popolazione, determinato principalmente dalla selezione naturale. Per l’evoluzione sono importanti le mutazioni, e i fattori ambientali casuali. 10 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 7. L’evoluzione produce adattamenti, non perfezione Gli adattamenti sono caratteristiche ereditarie particolarmente diffuse in una specie perché ne facilitano la sopravvivenza e la riproduzione in un particolare ambiente. Le specie ben adattate non sempre sono in grado di sopportare drastici cambiamenti ambientali. 11 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 Lezione 2 I fossili e la storia evolutiva 12 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 8. I fossili raccontano la storia della vita I fossili sono resti o tracce di organismi vissuti in epoche passate e conservati nelle rocce. La scienza che studia i fossili si chiama paleontologia. 13 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 9. I fossili forniscono una testimonianza incompleta I fossili non possono fornire una documentazione completa della storia della vita perché il processo di fossilizzazione, come la scoperta dei fossili, è un evento raro e interessa in modo casuale un numero limitato di individui. 14 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 10. La velocità dell’evoluzione non è costante Grazie ai fossili sappiamo che l’evoluzione procede gradualmente o «per salti»; inoltre sono documentati alcuni importanti momenti di transizione e diverse estinzioni di massa. 15 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 11. La documentazione di un «semplice inizio» I primi organismi unicellulari procarioti compaiono circa 3,8 miliardi di anni fa, successivamente si sono evoluti procarioti fotosintetici e 2,5 miliardi di anni fa sono comparse le prime cellule eucariotiche. 16 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 Lezione 3 La classificazione e la filogenesi 17 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 12. Che cos’è una specie? La definizione di specie si basa sull’isolamento riproduttivo, cioè sull’impossibilità di generare ibridi fertili con individui di altre specie. Le barriere riproduttive possono essere prezigotiche (prima della fecondazione) o postzigotiche (dopo la fecondazione). 18 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 13. La classificazione gerarchica delle specie Il moderno sistema di classificazione è gerarchico: le specie sono riunite in gruppi di livello via via più generale secondo questa sequenza: specie, genere, famiglia, ordine, classe, phylum, regno, dominio. I domini sono tre: batteri, archei, eucarioti. 19 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 14. La storia della vita è rappresentata come un albero Gli alberi filogenetici sono diagrammi che mettono in evidenza le relazioni (mediante rami) e le divergenze (mediante nodi) evolutive tra specie. L’albero filogenetico completo si chiama albero della vita. 20 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 15. Come vengono costruiti gli alberi filogenetici? Gli alberi filogenetici vengono costruiti considerando le somiglianze anatomiche e morfologiche tra le specie, i fossili, le informazioni ricavate dallo studio dei geni e dei cromosomi e dello sviluppo embrionale. 21 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 16. Omologie e analogie I tratti analoghi sono caratteristiche simili in specie diverse che non derivano da una struttura ereditata da un antenato comune. Le caratteristiche ereditate da un antenato comune sono dette tratti omologhi. 22 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 Lezione 4 I procarioti 23 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 17. I tre domini e l’albero della vita I batteri attuali sono discendenti in linea diretta dei primi procarioti; gli archei si separarono dai batteri successivamente e infine si sviluppò la linea filogenetica che porta agli eucarioti. 24 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 18. Il dominio dei batteri Il dominio dei batteri comprende procarioti unicellulari classificati in base alle caratteristiche morfologiche e genetiche. I batteri formano colonie di aspetto e dimensioni varie, catalogate in due gruppi in base alla colorazione Gram. 25 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 19. Gli stili metabolici dei batteri I batteri possono essere fotoautotrofi, chemioeterotrofi, chemioautotrofi, fotoeterotrofi. Grazie alla varietà di metabolismi ci sono specie di batteri in tutti gli ambienti. 26 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 20. I batteri patogeni I batteri patogeni, come il Clostridium tetani, producono endotossine o esotossine. La loro pericolosità dipende sia dalla tossicità e dalla quantità di tossine prodotte, sia dalla velocità riproduttiva dei batteri. 27 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015 21. Gli archei vivono in ambienti estremi Gli archei sono gli ultimi viventi a essere stati scoperti, ma sono forse i più diffusi. Mostrano enorme variabilità; molti possono vivere in condizioni estreme e tollerano alti livelli di pressione, temperatura, salinità e pH. 28 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2015