Introduzione alla teoria dell`evoluzione

Introduzione alla teoria dell’evoluzione
Dott. Emanuele Serrelli - 8 novembre 2011
Prof. Telmo Pievani
Corso di Filosofia della Scienza a.a. 2011/2012
Università degli Studi di Milano Bicocca
http://www.formazione.unimib.it
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IL QUADRIMOTORE DELL’EVOLUZIONE
(by Telmo Pievani)
MUTAZIONE
(sorgenti di variazione)
DERIVA GENETICA
(processi neutralistici)
SELEZIONE NATURALE
(processi selettivi)
MACROEVOLUZIONE
(migrazione, radiazione
adattativa, estinzione di
massa)
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SELEZIONE NATURALE
• Il primo meccanismo riconosciuto in ordine di tempo
• Una definizione:
• La selezione naturale è un meccanismo di sopravvivenza e riproduzione
differenziale che, ripetuto per molte generazioni, porta all’accumulo di
cambiamenti in una popolazione. Le condizioni per la selezione naturale
sono variazione, ereditarietà e lotta per l’esistenza.
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La teoria dell’evoluzione: una timeline
Charles Darwin
1882
1832-1836
1836-1839
1859
Sintesi Moderna
1910-1950
51
Fatto I: Potenziale
crescita
esponenziale delle
popolazioni.
Deduzione I: Lotta per
l’esistenza.
Fatto 2: Le
popolazioni sono
stabili.
Fatto 4: Unicità del
singolo individuo
(variazione
individuale).
Fatto 3: Le risorse
sono limitate.
Fatto 5: Ereditarietà di
una parte della
variazione individuale.
Fatto 6: La variazione
non è direzionata.
(c) Ridisegnato da Ernst Mayr (1991)
Deduzione 2:
Sopravvivenza differenziale
(selezione naturale)
Deduzione 3: Successo
riproduttivo differenziale
per molte generazioni =>
la popolazione evolve
(accumulo di cambiamenti
su tutta la popolazione)
SELEZIONE NATURALE
• Esempi classicamente darwiniani:
• Biston betularia:
• => la selezione naturale è un meccanismo che riduce la variazione, e che
può essere alimentato dalla comparsa casuale di nuove varianti.
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SELEZIONE NATURALE
• Esempio contemporaneo:
• Evoluzione della resistenza agli antibiotici nei batteri
• => La comprendiamo attraverso genetica e biologia molecolare che oggi
abbiamo (e Darwin non aveva).
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Cenni di genetica e
biologia molecolare...
• La sede di variazione, ereditarietà,
mutazione è (soprattutto) il corredo
genetico.
• Il DNA è una super-molecola che può
formare lunghissime catene con
quattro tipi di molecole (ACTG).
• Negli eucarioti (organismi con cellule
dotate di nucleo) a riproduzione
sessuata, il DNA:
• Sta nel nucleo della cellula uovo
(zigote) e la sua sequenza viene
copiata nelle duplicazioni che dà
origine a tutte le cellule
dell’organismo che si sviluppa
(somatiche)
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Cenni di genetica e
biologia molecolare...
• Negli eucarioti (organismi con cellule
dotate di nucleo) a riproduzione
sessuata, il DNA:
• Differenze e somiglianze nella
sequenza di solito hanno a che fare
con differenze e somiglianze nel
FENOTIPO (l’insieme dei tratti che si
possono osservare). Il DNA è un
difference-maker.
• Nella duplicazione possono accadere
vari tipi di errori di copiatura.
• Anche le cellule zigotiche (germinali)
hanno origine da duplicazioni (sono
le mutazioni che avvengono qui ad
essere materiale per la selezione
nella generazione successiva).
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Cenni di genetica e
biologia molecolare...
• Uno dei motivi principali per i
quali il DNA è difference-maker
è la presenza dei geni, ovvero
tratti di DNA che hanno un
inizio e una fine, e che vengono
utilizzati all’interno della cellula
come modello per la sintesi di
PROTEINE (le molecole attive
nell’organismo.
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La teoria dell’evoluzione: una timeline
Charles Darwin
1882
Watson & Crick
1832-1836
1836-1839
1859
1953
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La teoria dell’evoluzione: una timeline
Charles Darwin
1882
Watson & Crick
1832-1836
1836-1839
1859
1953
1865...
Gregor Mendel
1884
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Fatto I: Potenziale
crescita
esponenziale delle
popolazioni.
Fatto 2: Le
popolazioni sono
stabili.
Fatto 3: Le risorse
sono limitate.
La sfida
di Mendel
Deduzione I: Lotta per
l’esistenza.
Deduzione 2:
Sopravvivenza differenziale
(selezione naturale)
Fatto 4: Unicità Ildel
meccanismo darwiniano della selezione
naturale funziona bene se la variazione tra gli
singolo individuo
organismi è continua, riguarda tutti i
(variazione
caratteri che variano in tutte le direzioni
individuale). possibili.
Solo così la selezione naturale può avere
Deduzione 3: Successo
davvero un ruolo creatore e non “accettore” di
Fatto 5: Ereditarietà
di
riproduttivo differenziale
caratteri.
una parte della
per molte generazioni =>
variazione individuale.
la popolazione evolve
(accumulo di cambiamenti
Fatto 6: La variazione
su tutta la popolazione)
non è direzionata.
(c) Ridisegnato da Ernst Mayr (1991)
SELEZIONE NATURALE
• Il meccanismo darwiniano della selezione naturale funziona bene se la
variazione tra gli organismi è continua, riguarda tutti i caratteri che variano in
tutte le direzioni possibili.
• Solo così la selezione naturale può avere davvero un ruolo creatore e non
“accettore” di caratteri.
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Ereditarietà e
variazione in Mendel
• Mendel aveva ottenuto “linee pure” di
varie piante, soprattutto quella del
pisello, e incrociandole aveva
mostrato che in realtà i caratteri
variavano in maniera discreta. Per
ogni carattere vi sono disponibili
alcuni “fattori”, che combinandosi
nella riproduzione determinano una
tra le poche forme disponibili. I
caratteri dei figli dipendono dai fattori
ereditati dai genitori e ricombinati, per
cui anche se le forme differiscono in
realtà non si aggiunge nulla di nuovo.
Inoltre, le differenze tra i caratteri non
sono sfumate. Non ci è insomma
materiale abbondande e flessibile che
permetta un direzionamento per
selezione naturale dell’evoluzione.
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La teoria dell’evoluzione: una timeline
Charles Darwin
Nuovi modelli matematici dimostrano che
la selezione naturale funziona anche con
1832-1836
il meccanismo mendeliano di ereditarietà:
la variazione continua è considerata il prodotto
di un’enorme quantità di variazione discreta
(alleli) 1836-1839
di elementi genetici discreti (loci genici) in
1859 DELLE
una popolazione (=> GENETICA
POPOLAZIONI)
1882
Watson & Crick
Sintesi Moderna
1910-1950
1953
1865...
Gregor Mendel
1884
L’evoluzione neodarwiniana guadagna
consenso in una comunità sempre più
ampia di scienziati dei più vari campi,
come sistematica, tassonomia, zoologia e
botanica, paleontologia e morfologia,
citologia e embriologia….
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IL QUADRIMOTORE DELL’EVOLUZIONE
(by Telmo Pievani)
MUTAZIONE
(sorgenti di variazione)
DERIVA GENETICA
(processi neutralistici)
SELEZIONE NATURALE
(processi selettivi)
Proprio in quei modelli matematici della
genetica delle popolazioni risultava che
anche il caso agisce sempre nelle
popolazioni: fissazione di alcuni alleli,
MACROEVOLUZIONE
estinzione di altri.radiazione
(migrazione,
adattativa, estinzione di
massa)
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Deriva genetica
• Vi sono alcune situazioni (es.
popolazione molto piccola) in cui
l’incidenza del caso aumenta, e può
addirittura sovrastare la selezione
naturale nella determinazione della
composizione genetica.
• La deriva genetica indica tutti quei
casi in cui la direzione
dell’evoluzione è dovuta a processi
casuali (es. campionamento in
occasione di una migrazione, o di
una popolazione che rimane isolata)
o stocastici (es. scomparsa
prevedibile di alcune varianti, dove
però è imprevedibile quali varianti
scompariranno).
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La teoria dell’evoluzione: una timeline
Charles Darwin
1882
Watson & Crick
1832-1836
Kimura
1836-1839
Sintesi Moderna
1910-1950
1953
1859
1968
1865...
Gregor Mendel
Quanta incidenza hanno i processi
neutralistici? Sono addirittura più
1884 importanti di quelli selettivi? (Kimura
1968)
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IL QUADRIMOTORE DELL’EVOLUZIONE
(by Telmo Pievani)
L’evoluzione “vista da lontano”, non
alla scala della singola popolazione ma a
MUTAZIONE
quella
delle specie (che a loro volta sono
(sorgenti di
variazione)
insiemi di popolazioni), dei generi, dei
taxa superiori e delle grandi aree
geografiche globali, e grandi scale
temporali. Perché è uno dei motori?
DERIVA GENETICA
(processi neutralistici)
SELEZIONE NATURALE
(processi selettivi)
MACROEVOLUZIONE
(migrazione, radiazione
adattativa, estinzione di
massa)
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La teoria dell’evoluzione: una timeline
Charles Darwin
1882
Watson & Crick
1832-1836
Kimura
1836-1839
Sintesi Moderna
1910-1950
1953
1859
1968
1972...
Niles Eldredge &
Stephen Jay Gould
1865...
Gregor Mendel
EvoDevo
1884
68
Macroevoluzione
• L’evoluzione “vista da lontano” può
essere considerata, appunto, come
nient’altro che l’effetto dei processi
microevolutivi (mutazione, selezione degli
individui, deriva nelle popolazioni).
• I “sostenitori della macroevoluzione” a
partire dagli anni Settanta sostengono
invece che non è così: la
microevoluzione neodarwiniana non è
sufficiente a spiegare quello che
vediamo. Vi sono altri processi, diversi,
che vediamo accadere alla scala
macroevolutiva e che determinano
l’andamento dell’evoluzione.
• Es. i pattern delle decimazioni e delle
“radiazioni” nell’evoluzione (ESTINZIONE,
RADIAZIONE ADATTATIVA PER
SPECIAZIONI, EVOLVIBILITA’...)
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IL QUADRIMOTORE DELL’EVOLUZIONE
(by Telmo Pievani)
MUTAZIONE
(sorgenti di variazione)
DERIVA GENETICA
(processi neutralistici)
SELEZIONE NATURALE
(processi selettivi)
MACROEVOLUZIONE
(migrazione, radiazione
adattativa, estinzione di
massa)
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La teoria dell’evoluzione: una timeline
Charles Darwin
1882
Watson & Crick
1832-1836
Kimura
1836-1839
Sintesi Moderna
1910-1950
1953
1859
1968
1972...
Niles Eldredge &
Stephen Jay Gould
1865...
Gregor Mendel
EvoDevo
1884
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