IL RUOLO DEL CASO NELL'EVOLUZIONE Docenti: Francesca Del Santo Maria Elena Rossi Discipline: Scienze Sociali Matematica Scuola: Liceo G. Mazzini La Spezia Classe: II A Liceo delle Scienze Sociali Finalità Conoscere le teorie di Darwin e comprendere come possono essere conciliate con le attuali teorie genetiche. Simulare il meccanismo dell'evoluzione, creando un gioco che ne imiti le proprietà e che concentri in poco tempo il passaggio di molte generazioni. Sperimentare un metodo di previsione dell'andamento di un fenomeno basato sul caso. Introdurre il Calcolo delle Probabilità. Accostare la verifica per simulazione e la verifica per esperimento naturale o quasi-esperimento della Biston Betularia.
Descrizione dell'attività Costruzione di un gioco di simulazione per verificare l ipotesi evoluzionistica, che fa da cornice alle scienze della natura. Tale ipotesi si presenta come una sintesi tra la classica teoria evoluzionistica darwiniana e le conoscenze acquisite in campo genetico: sintesi neo-darwiniana Svolgimento dell'attività Introduzione teorica Fase1: simulazione deriva genetica Fase 2: simulazione deriva genetica con selezione naturale Confronto tra i risultati
Introduzione teorica Evoluzionismo darwiniano Esposta da Charles Darwin (1809-1882) ne L'origine della specie (1859), l'ipotesi evoluzionista prende forma nel corso di un lungo viaggio(1831-1836) intorno al mondo compiuto dal grande naturalista inglese sul brigantino Beagle. Decisiva è l'osservazione della varietà di forme del becco di una stessa specie di fringuelli presenti in diverse isole dell'arcipelago delle Galapagos; da qui il nucleo della sua teoria evoluzionistica basata su due principi fondamentali: Comparsa casuale di micro-variazioni ad ogni nuova generazione di una stessa specie Selezione naturale che provvede a far scomparire le micro-variazioni svantaggiose e ad estendere quelle vantaggiose in rapporto all'ambiente, adattando così la specie ovvero promuovendone l'evoluzione. Particolare interesse riveste il primo punto: è la casualità delle micro-variazioni, infatti, a rendere la teoria darwiniana conciliabile con le nostre attuali conoscenze genetiche, facendola definitivamente prevalere su una precedente teoria evoluzionistica proposta da Jean Baptiste Lamarck(1744-1829).
DERIVA GENETICA E METODO DI MONTECARLO Ammesso da Darwin solo per spiegare la comparsa delle micro-variazioni, il caso diventa dominatore indiscusso della evoluzione nell' ipotesi della deriva genetica, la quale concepisce casuale non solo la comparsa ma anche la trasmissione delle micro-variazioni. Prende il via da qui una simulazione, in cui la trasmissione di un carattere da una generazione all'altra è affidata a un evento puramente aleatorio come il lancio di un dado. MODELLO MATEMATICO popolazione di soli 6 individui (tanti quanti le facce del dado) Ipotesi semplificative: ogni individuo si riproduce in modo autonomo, senza scambi di corredo genetico la numerosità della popolazione non varia da una generazione all'altra SVILUPPO DEL GIOCO Prendiamo in considerazione un solo carattere per individuo: Sensibilità S o resistenza R ad una certa malattia, in ipotesi la malaria Esempio: se vogliamo indicare una popolazione costituita da 6 individui tutti sensibili, scriviamo così: S SSSSS 123456 I numeri indicano gli individui Supponiamo che ci sia una mutazione S R La mutazione è un fenomeno raro e quindi pensiamo che ne avvenga una sola. Supponiamo che la mutazione sia avvenuta nel secondo individuo, quindi nella prima generazione dopo la mutazione la situazione è la seguente: S R S S S S EFFETTO DEL CASO ATTRAVERSO LE GENERAZIONI 123456 S R S S S S Lanciando un dado facciamo nascere un figlio: il numero che esce corrisponde all individuo che ha avuto il figlio. Faremo 6 lanci; immaginiamo di ottenere la sequenza: 522643 La nuova generazione sarà (scrivendo i figli nell ordine di nascita): S R R S S S perché 2 ha il carattere R. Possiamo continuare lanciando di nuovo il dado
Estratto dalla simulazione fase 1: deriva genetica
Risultati simulazione deriva genetica
DERIVA GENETICA CON SELEZIONE NATURALE Nella seconda fase si tiene conto della selezione naturale; si ipotizza che l'individuo n. 2 (R) sia resistente alla malaria e come tale in grado di sopravvivere più a lungo rispetto agli individui S. Quando esce il numero corrispondente a un individuo S si effettua allora un secondo lancio per stabilire se muore o sopravvive: supponendo pari al 50% le probabilità di sopravvivenza degli S, si conviene che: l'individuo non sopravvive se esce un numero minore o pari a 3, sopravvive se esce un numero maggiore di 3. Se invece esce un numero corrispondente a un individuo R, lo si iscrive automaticamente alla generazione successiva. Contrariamente alla prima fase, nella seconda il numero di lanci necessari per ricostituire una generazione di 6 individui vivi non è prevedibile. Sempre ricorrendo a eventi aleatori, si è così costruito un modello matematico in grado di simulare gli effetti della selezione naturale.
Estratto dalla simulazione fase 2: deriva genetica con selezione naturale
Fase 1: simulazione deriva genetica Fase 2: simulazione deriva genetica con selezione naturale
Testi di riferimento Luca e Francesco Cavalli-Sforza, Ada Piazza Razza o pregiudizio Einaudi Scuola, Torino 1996 Theodosius Dobzhansky "L'evoluzione della specie umana" Trad. it. Luciana Pecchioli Einaudi, Torino 1965 Guido Barbujani- Pietro Cheli "Sono razzista, ma sto cercando di smettere" Laterza, Roma - Bari 2009 Edoardo Boncinelli "I nostri geni" Einaudi, Torino 1998 Jacques Monod "Il caso e la necessità" Trad.it. Anna Busi Mondadori, Milano 1970