La biologia sistematica: scienza della diversità biologica e della sua storia evolutiva

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Chiara Nobile
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1 La biologia sistematica: scienza della diversità biologica e della sua storia evolutiva

2 A cosa serve la biologia sistematica? La biologia sistematica è una disciplina essenziale in biologia per due motivi: 1)essa ricostruisce l evoluzione e i rapporti di parentela fra organismi 2)Permette di organizzare l informazione biologica E concepibile un ampia gamma di sistemi di classificazione, ma quello filogenetico è unico, ne è possibile solo uno, quello corretto. L approccio cladistico alla sistematica filogenetica è particolarmente rigoroso ed è oggi molto diffuso

3 Terminologia di base della sistematica cladistica Un gruppo, o taxon, che comprende un progenitore e tutti i suoi discendenti è detto monofiletico (1). Un gruppo che comprende l antenato ma non tutti i suoi discendenti è detto parafiletico (2). Un gruppo che non comprende l antenato comune a tutti i suoi membri è detto polifiletico (3). I gruppi monofiletici sono detti cladi

4 Un gruppo che comprende TUTTI i discendenti di un antenato comune + l antenato comune è detto monofiletico o anche olofiletico. Esempio: i quattro figli di Carla e Andrea + Carla e Andrea sono un gruppo monofiletico Un gruppo che NON comprende TUTTI i discendenti di un antenato comune + l antenato comune è detto parafiletico. Esempio: i quattro figli di Carla e Andrea senza Carla e Andrea sono un gruppo parafiletico. Altro esempio: il marito, i quattro figli e il cane di Carla sono un gruppo polifiletico. Perché? Cosa manca a questo gruppo per fare un gruppo monofiletico? Vari gruppi parafiletici sono ancora largamente usati, per esempio i Rettili (Reptilia)

5 I membri di un gruppo monofiletico condividono uno o più caratteri derivati. Tali caratteri caratterizzano e distinguono il gruppo e sono detti apomorfie. Ciascun gruppo monofiletico condivide con altri gruppi altri caratteri, che sono stati ereditati da un antenato comune a tutti i gruppi prima della separazione del particolare gruppo considerato. Tali caratteri sono detti plesiomorfie. Esempi: gli uomini hanno pollice non opponibile agli arti posteriori, mentre tutti gli altri primati hanno pollice opponibile. Il pollice non opponibile agli arti posteriori è quindi una apomorfia della specie umana. I primati antropomorfi (uomo, gorilla, scimpanzé, orango e gibbone) non hanno coda, gli altri primati ce l hanno. L assenza di coda è una apomorfia degli Hominoidea (orango, gorilla, scimpanzé, uomo). I mammiferi in genere hanno la coda. Quindi la presenza di coda nei primati è una plesiomorfia ereditata dall antenato mammifero ancestrale di questo gruppo.

7 I caratteri diagnostici importanti, al fine dell individuazione di gruppi monofiletici, sono quelli apomorfici, cioè derivati. I principali caratteri considerati sono relativi a: Macro- e microanatomia degli organismi Sviluppo e meccanismi riproduttivi Meccanismi fisiologici e biochimici Strutture molecolari, in particolare sequenze di DNA

8 A VOLTE LA SOMIGLIANZA INGANNA L evoluzione indipendente di caratteri simili in linee diverse è detta omoplasia (sin. analogia)

9 Le categorie tassonomiche: Dominio: Bacteria, Archaea, Eukarya Regno: Plantae, Metazoa, Fungi etc. Phylum: Arthropoda, Mollusca, Rhodophyta, Chlorophyta, Classe: Sauropsida, Mammalia, Ulvophyceae (altri suffissi: - mycetes) Ordine: Perissodactyla, Artiodactyla, Rosales, Fabales Famiglia: Equidae, Bovidae, Rosaceae, Fabaceae Genere: Equus, Bos, Rosa, Vicia Specie: Equus asinus, Bos taurus, Rosa canina, Vicia faba

Ominini (7-5 mya) Ominidi Ominoidini (g) Grecopithecus (10 mya) Ramapithecus (14 mya) Ominoidi (f) Proconsul (23 mya) Proscimmie (b) Scimmie platirrine (d) Scimmie catarrine (e) Scimmie o Antropoidei

11 Ominini (7-5 mya) Ominidi Ominoidini (g) Grecopithecus (10 mya) Ramapithecus (14 mya) Ominoidi (f) Proconsul (23 mya) Proscimmie (b) Scimmie platirrine (d) Scimmie catarrine (e) Scimmie o Antropoidei (c) APOMORFIE: b, unghie piatte c, orbite chiuse posteriormente d, narici aperte lateralmente e setto nasale ampio e, narici rivolte in basso e setto sottile, sparisce il 3 premolare f, scomparsa della coda g, seni frontali

Concetto di specie Le categorie tassonomiche non sono entità universalmente ed univocamente definite (difformità fra autori e fra scuole). La categoria tassonomica fondamentale è la specie.

12 Concetto di specie Le categorie tassonomiche non sono entità universalmente ed univocamente definite (difformità fra autori e fra scuole). La categoria tassonomica fondamentale è la specie. Paradossalmente, non abbiamo una definizione univoca di specie applicabile a tutti i viventi. Per gli animali è generalmente applicato il concetto biologico di specie (BSC): appartengono alla stessa specie individui interfecondi che producono prole feconda. Questa definizione permette di attribuire a specie diverse anche animali interfecondi quali il cavallo (Equus caballus) e l asino (Equus asinus), i cui ibridi (mulo e bardotto) sono sterili.

13 Nelle piante il concetto biologico di specie non funziona bene: i sistematici vegetali l hanno in gran parte abbandonato. Ciò è dovuto soprattutto al fatto che nelle piante gli ibridi interspecifici possono spesso divenire fertili grazie al raddoppio dei cromosomi (allopoliploidia). Il concetto di specie nelle piante è tuttora non ben definito. AB, AC, BC: specie derivate, tetraploidi A, B, C: specie originali, diploidi AB

15 Come nasce una nuova specie? Le nuove specie nascono grazie all accumularsi progressivo di differenze genetiche nell ambito di popolazioni inizialmente appartenenti ad una stessa specie. Tali differenze sono sufficienti a creare una nuova specie se comportano l isolamento riproduttivo: non è più possibile la ricombinazione genica attraverso singamia e meiosi. Le barriere riproduttive che mantengono separati i pool genici di specie diverse sono distinte in: barriere pre-zigotiche barriere post-zigotiche.

16 Individui di popolazioni diverse

17 Individui di popolazioni diverse

18 Come possono prodursi differenze genetiche tali da condurre alla separazione di una nuova specie? La causa più frequente è l isolamento geografico (speciazione allopatrica): l area di distribuzione di una specie viene frammentata in due o più aree distinte da barriere geografiche (un fiume, una profonda valle, un mare). Di conseguenza le popolazioni separate accumulano una serie di mutazioni che possono portare, dopo un certo tempo, all isolamento riproduttivo.

20 Se l isolamento riproduttivo si produce nell ambito di una popolazione non disgiunta, si parla di speciazione simpatrica. E il caso dell ibridazione interspecifica seguita da poliploidizzazione nelle piante.

21 Sono noti casi di speciazione simpatrica anche negli animali.

Evoluzione dell isolamento riproduttivo nella Drosophila in condizioni sperimentali Dopo numerose generazioni, i moscerini allevati su amido e

22 Evoluzione dell isolamento riproduttivo nella Drosophila in condizioni sperimentali Dopo numerose generazioni, i moscerini allevati su amido e quelli allevati su maltosio sono stati rimessi insieme. Si è osservato che essi tendevano ad accoppiarsi tra membri delle popolazioni originali.

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