Charles Darwin e i principi della selezione naturale

Charles Darwin: Vita e Spedizioni

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 sulla Variabilità e Riproduzione

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 Cepaea nemoralis

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 Copyright @ The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. carrying capacity Number of Organisms stable equilibrium phase deceleration phase lag phase exponential growth phase Time

Potenziale di Crescita

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 sulla Sopravvivenza e Riproduzione

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 (nº 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 Generazione 1 Ambiente Generazione 2 Predatori Competitori Parassiti Patogeni Risorse alimentari

Deduzioni 2

• Nel corso del tempo si accumula un sufficiente numero di variazioni tra popolazioni diverse tali da originare specie distinte Bembidion levettei Bembidion zephyrum 1 million years ago 2 million years ago

Speciazione e Isolamento Riproduttivo

Speciazione

• Processo attraverso cui a partire da una specie ancestrale si originano due o più nuove specie + 1 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

Evoluzione per selezione naturale Yum! Green beetles! Our favorite! Cambiamenti ereditabili casuali ed C Gli individui di una popolazione sono diversi tra di loro ... generations later ... C SELEZIONE Alcuni individui si riproducono più di altri I genitori passano ai figli le loro caratteristiche ... generations later ... Green beetles have been selected against, and brown beetles have flourished.

La selezione naturale

. e' influenzata da: · variabilità:varietà di caratteri nella specie ovvero quanto la specie e' variegata (geni specifici) · adattabilità: capacità di adattarsi a nuove variazioni dell'ambiente . ereditabilità: capacità di trasmettere una caratteristica alla prole

La legge della sopravvivenza

· la selezione naturale si basa sul concetto di sopravvivenza del più adatto · si quantifica attraverso il concetto di fitness · la fitness indica il successo riproduttivo di una determinata popolazione o singola specie.

La fitness (idoneità)

si considera la fitness rispetto sia ai caratteri presenti in una stessa specie che nei singoli individui di una specie (geni) viene influenzata: · fertilità · tasso di mortalità · competitività (riproduttiva, nutritiva) · varietà di caratteri

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. 15

Evidenze Empiriche 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

Wing claw (reptilian character) Toothed beak (reptilian character) Airfoil wing with contour feathers (avian character) Long tail with many vertebrae (reptilian character) Copyright @ Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

• 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

omero tetrapode ancestrale ulna radio ossa del carpo falangi coccodrillo balena pipistrello essere umano uccello

• 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

Carattere analogo

Organi rudimentali

· sono le vestigia di organi ancestrali quando ancora venivano utilizzati · es. coda, membrana interdigitale U COCCIGE

Gli embrioni

· Tutti gli embrioni possiedono le branchie, e hanno struttura similem a 0 0 a 0 0 a k FI AI TI HI SI RI KI MI P r m m h h h n Z 22 c S S b SII RII KII MIÍ 5 3 KIII M III S. Schwein. R.Rind. K.Kaninchen. M.Mensch. h h C n 22 If C. C 6 S S b FIL AII TIL HII F III AIII TIII F. Fisch. A. Salamander. T.Schildkröte. H . Huhn. m m La a a 0 0 K k K k- TD TV S S 1 R.III SIII m

Alberi di discendenza delle specie

Species Number of Amino Acids That Differ from a Human Hemoglobin Polypeptide (Total Chain Length = 146 Amino Acids) Human 0 Rhesus monkey 8 Mouse 27 Chicken 45 Frog 67 Lamprey 125 organisms A & D: DNA 80% similar organisms B & D: DNA 90% similar organisms C & D: DNA 95% similar A B C D The more closely related organisms have more genetic similarity. Copyright @ Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

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 Darwin G. difficilis_D Cocos P. Inomata C Wolf G. difficilis_W -1º G. difficilis_P C. psittacula_P Pinta G. conirostris_G G. magnirostrs_G G. difficilis_G Genovesa G. fuliginosa_S G. difficilis_S C. olivacea S Marchena -0° G. fortis M G. scandens_M Santiago G. fuliginosa_Z C. parvulus_Z C. pallidus_Z Fernandina Daphne P. crassirostris_Z Santa Cruz C. fusca_L Isabela C. heliobates | -1º San Cristóbal C. pauper_F C. fusca_E G. conirostris_E 0 100 km Floreana 92° 91° 90° Española Origin of the Finches The finch species of the Galapagos Islands all evolved from a single ancestral species, according to an analysis of the birds' DNA. Large ground finch Sharp-beaked ground finch Cactus finch Large cactus finch Medium ground finch Small ground finch Cocos Finch Only species living outside the Galápagos Common ancestor Large tree finch Medium tree finch Tree Finches Spend most of the time in foliage and vegetation Small tree finch - Vegetarian Finch Warbler Finch Resemble warblers in their small size and slender beaks. Length of branches is proportional to the evolutionary distance between the species Source: National Academy of Sciences Ground Finches Feed on mainly on seeds on the ground Woodpecker finch G. difficilis_F Galápagos South America

I fringuelli di Darwin

fringuello arboricolo di Charles fringuello arboricolo grosso fringuelo arboricolo insettivoro piccolo fringuello delle mangrovie fringuellovegetariano insetti fringuello picchio germogli frutti fringuello grosso del cactus fringuello ancestrale semi f. cantore delle Galapagos cactus fringuello di Cocos fringuello del cactus semi fringuello terricolo piccolo fringuelloterricolo beccotagliente fringuelloterricolo grosso fringuello terricolo medio

Selezione Artificiale e Naturale

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

Selezione di caratteri operata dall'uomo, slegata dal concetto di sopravvivenza influenzata da: · Fattori economici · Fattori estetici

Selezione artificiale

Wolf Ancestor European Age Breeds Modern Wolves Herding Hound Sporting Working Ancient Asiatics

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. 29

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 causa di uccelli predatori.