Schema didattico sull evoluzione dei viventi per selezione naturale cumulativa di Luciano Porta

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1 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 ( , 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 ( , 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, , naturalista francese, autore dell opera Philosophie zoologique); 2) teoria dell evoluzione per mezzo della selezione naturale, teoria ufficiale della scienza (Darwin, , 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. 1

2 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 2

3 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 3

4 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. 4

5 Il principio di Haeckel ( , 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 i Pitagorici DIDATTICA E DIVULGAZIONE DELLA MATEMATICA E DELLE SCIENZE LEZIONI DI SCIENZA 5

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