Luomo, i viventi, lambiente Lezione 5 Evoluzione, comunità e diversità biologica Luca Fiorani.

L’uomo,i viventi, l’ambiente

Lezione 5Evoluzione, comunità e diversità biologica

Luca Fiorani

Luca Fiorani – L’uomo,i viventi, l’ambiente

La vita e le sue origini Gli organismi sono procarioti (batteri) o

eucarioti Procarioti significa "prima del nucleo": i

batteri sono cellule prive di nucleo e organuli

Tassonomia: la procedura con cui si ottiene la classificazione degli organismi, ad es. in regni: moneri (procarioti e microrganismi) protisti (spesso eucarioti e microrganismi) funghi (spesso eucarioti e microrganismi) piante (eucarioti) animali (eucarioti)

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La vita e le sue origini Esempio (semplificato):

dominio: Eukaryota regno: Animalia phylum: Chordata classe: Mammalia ordine: Primates famiglia: Hominidae genere: Homo specie: Homo sapiens

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La vita e le sue origini

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Batteri: cianobatteri (fotosintesi) decompositori Streptococcus (polmonite) flora batterica



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Protisti: flagellati parameci diatomee (fotosintesi) alcune alghe detritivori e parassiti amebe (amebiasi) plasmodio (malaria) tripanosoma (malattia

del sonno)



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Funghi: funghi commestibili muffe fermenti



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Piante: pluricellulari e in genere fotosintetiche muschi felci conifere (gimnosperme) fiori (angiosperme) annue/perenni



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Animali: pluricellulari e non fotosintetici vertebrati: mammiferi,

uccelli, rettili, anfibi, pesci invertebrati: spugne,

meduse, polipi, planarie, vermi, artropodi (insetti, millepiedi, gamberi, ragni), molluschi (lumache, vongole, polpi, calamari), echinodermi (ricci di maree stelle marine)



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I fossili ci danno informazioni (lacunose)

L'evoluzione della vitae l'evoluzione dellecondizioni fisico-chimiche della Terrasono strettamentecollegate



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Evoluzione chimicadelle molecole organiche, dei biopolimeri e dei sistemi di reazioni chimiche necessarieper formare le primecellule (circa un miliardo di anni)



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Evoluzione biologicaa partire degli organismi unicellulari(prima procarioti e poieucarioti) fino a quellipluricellulari (circa 3.7-3.8 miliardi di anni)



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Evoluzione chimica: 4.6-4.7 miliardi di anni fa: condensazione

della nuvola di polvere cosmica primordiale vulcani e impatti cosmici: formazione di

idrosfera e atmosfera (4.4 miliardi di anni fa): CO2, N2, H2O, CH4, NH3, H2S, HCl (l'O2 è mantenuto dagli organismi fotosintetici)



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Formazione delle molecole organiche fulmini, calore (vulcani) e raggi UV hanno

favorito la sintesi di molecole organiche (ipotesi di Oparin, esperimento di Miller)

origine cosmica (polvere cosmica primordiale, meteoriti, comete)

bocche idrotermali sottomarine (minerali e calore)

Formazione di proteine e acidi nucleici Formazione di protocellule


Evoluzione e adattamento

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L'evoluzione biologica è la risposta adattiva degli organismi ai cambiamenti delle condizioni ambientali, attraverso cambiamenti genetici delle popolazioni (non degli individui)

Secondo la teoria dell'evoluzione le specie discendono da altre più primitive, spiegando cambiamenti nel tempo e diversità attuale: microevoluzione: piccoli cambiamenti in una

popolazione macroevoluzione: cambiamenti su larga

scala e a lungo termine (speciazione ed estinzione)



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Microevoluzione: sviluppo della variabilità genetica: il pool

genico (insieme dei geni degli individui di una popolazione) cambia nel tempo

generalmente un gene si presenta in due forme (alleli). Es.: il gene "colore dei capelli" si presenta come "allele capelli chiari" e "allele capelli scuri"

la riproduzione sessuale porta ad una combinazione casuale di alleli, diversa per ogni individuo (alleli dominanti e recessivi, genotipo e fenotipo)

senza variabilità genetica non c'è evoluzione



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lo sviluppo della variabilità genetica avviene attraverso mutazioni, cambiamenti nel DNA

una mutazione può avvenire in seguito a: esposizione a radioattività, raggi X, sostanze

chimiche naturali o antropiche (mutagene) errori casuali di trascrizione del DNA durante

la riproduzione (solo le mutazioni dei gameti – spermatozoo e ovocita – sono trasmesse)

le mutazioni possono essere dannose (anche letali), indifferenti e vantaggiose

le mutazioni sono rare, casuali/imprevedibili e unica fonte di nuovo materiale genetico



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se in una popolazione: c'è variabilità genetica le nuove caratteristiche sono ereditabili (base

genetica) le nuove caratteristiche implicano una

riproduzione differenziata (maggior numero di discendenti)

avviene l'evoluzione per selezione naturale le nuove caratteristiche sono chiamate

adattamento o carattere adattativo riassumendo, la microevoluzione consiste in

mutazione dei geni, selezione degli individui, evoluzione delle popolazioni



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Es. di microevoluzione (falena Biston betularia): due colorazioni

(variabilità genetica)

colorazioni ereditarie (ereditarietà del carattere)

una colorazione è favorita (riproduzione differenziata)



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Coevoluzione: un adattamento in una specie induce una risposta adattativa nelle specie con cui interagisce (ad es.: predatori e prede)

L'adattamento non è illimitato: un cambiamento ambientale può favorire

caratteristiche genetiche già presenti nel pool genico

la capacità di adattamento è limitata dalla velocità riproduttiva

La selezione naturale prevede la morte e l'impossibilità di riprodursi



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La sopravvivenza del più adatto non è del più forte ma di quello che si riproduce di più: non lotta, ma assenza di competizione diretta e occupazione di una nicchia ecologica vuota

Gli umani non si sono evoluti dalle scimmie antropomorfe (esiste invece un antenato comune)

L'evoluzione non segue un disegno naturale diretto a realizzare organismi più perfetti (punto di vista scientifico)


Speciazione, estinzione e biodiversità

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Speciazione: formazione di specie nuove a partire da una specie iniziale

La speciazione allopatrica ha luogo in due fasi: isolamento geografico (formazione di una

barriera geografica, emigrazione, trasporto passivo da vento o correnti)

isolamento riproduttivo (le mutazioni e la selezione naturale producono una divergenza genetica, finché un maschio e una femmina delle due nuove specie non possono riprodursi o generano prole sterile)



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A questo punto si sono formate due nuove specie per divergenza evolutiva

La speciazione richiede centinaia/milioni di anni

Es.: volpe artica e volpe comune



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Quando cambiano le condizioni ambientali, una specie può evolvere o estinguersi

Speciazioni ed estinzioni sono state influenzate da: deriva dei continenti cambiamenti climatici lenti (ad es.:

variazione dell'inclinazione dell'asse terrestre)

cambiamenti climatici rapidi (ad es.: eruzioni e meteoriti)

L'estinzione è il destino di ogni specie (le specie attuali sono lo 0.1% delle specie esistite)



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Un certo numero di specie si estingue regolarmente: estinzione basale

Se c'è un improvviso aumento del tasso di estinzione, si parla di estinzione di massa

Una crisi per una specie può essere un'opportunità per un'altra

In media la speciazione ha tenuto testa all'estinzione: le estinzioni di massa sono state seguite da periodi di ripresa rapida della biodiversità (radiazione adattativa) con occupazione di nicchie nuove o vacanti



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Radiazione adattativa dei mammiferi



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L'uomo è causa di estinzione Nei prossimi 50 anni potrebbe estinguersi

un quarto delle specie (sesta estinzione di massa)

Il recupero della biodiversità richiederà milioni di anni

L'ingegneria genetica non potrà aiutare perché non crea nuovi geni ma combina quelli forniti dalla biodiversità naturale

Alcuni scienziati temono che questo processo minacci l'umanità


Nicchie ecologiche e tipologia delle specie

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La nicchia ecologica di una specie descrive il suo modo di vita e le sue funzioni, includendo gli aspetti relativi alla sopravvivenza e alla riproduzione, includendo in particolare: l'intervallo di tolleranza verso i fattori fisico-

chimici le risorse che utilizza e gli organismi di cui si

alimenta le interazioni con le altre componenti

dell'ecosistema, ad es. gli animali con cui compete

il ruolo che gioca nel flusso di energia e nel ciclo della materia nell'ecosistema



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Non confondiamo nicchia e habitat (luogo in cui vive la specie): la nicchia è la "professione", l'habitat è l' "indirizzo"

Due specie non possono occupare la stessa nicchia: o una si estingue o entrambe diversificano la propria nicchia



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La nicchia fondamentale (o potenziale) è quella che una specie occuperebbe se non ci fossero competitori

Siccome le nicchie si sovrappongono parzialmente, una specie occupa solo una parte della sua nicchia fondamentale, detta nicchia realizzata (o reale)

Comprendere la nicchia ci aiuta a capire l'impatto delle nostre attività su una specie, prevenendone l'estinzione



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Le specie generaliste possono vivere in habitat differenti e mangiare cibi diversi (mosche, blatte, topi, ratti, volpi, cinghiali, uomini)

Le specie specialiste possono vivere in pochi habitat, tollerano ristretti intervalli di fattori ecologici o possiedono una dieta ristretta: salamandra tigre: si riproduce solo negli

stagni privi di pesci picchi: vivono nei vecchi tronchi (nido e

cibo) ghepardo: vive nella savana dove trova le

antilopi panda: mangia quasi soltanto bambù



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È meglio essere generalista o specialista? Dipende: quando le condizioni ambientali si mantengono costanti gli specialisti sono avvantaggiati, negli ecosistemi instabili si adattano meglio i generalisti



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Analizzando gli ecosistemi, possiamo incontare differenti categorie di specie: specie indigene (autoctone) specie aliene (alloctone) specie indicatrici specie chiave

Le specie indigene hanno raggiunto un'area in modo naturale (camminando, nuotando, volando o attraverso semi, spore, uova trasportati da vento e correnti)



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Le specie aliene sono deliberatamente o involontariamente introdotte dall'uomo: possono entrare in competizione con le specie indigene causandone l'estinzione (ad es.: api assassine)

Le specie indicatrici forniscono informazioni sulla qualità dell'ambiente (ad es.: uccelli insettivori canori, ridotti da deforestazione, frammentazione, inquinamento e bonifiche)

Le specie chiave hanno particolare importanza (ad es.: insetti, pipistrelli, formiche e colibrì impollinano e disseminano le foreste tropicali)


Interazioni tra specie

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Quando differenti specie frequentano lo stesso habitat o sfruttano risorse simili possono interagire fra loro (in modo vantaggioso, svantaggioso o indifferente)

Relazioni interspecifiche: competizione predazione parassitismo mutualismo commensalismo



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Se le nicchie fondamentali di due specie si sovrappongono molto, si ha competizione interspecifica e una delle specie può: emigrare in un'altra area cambiare le sue abitudini alimentari o

comportamentali subire un crollo di popolazione estinguersi localmente o globalmente



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Se le specie evolvono in modo da ridurre la sovrapposizione delle loro nicchie fondamentali, si parla di ripartizione delle risorse: la stessa risorsa può essere utilizzata in diversi momenti, diversi ambienti e diversi modi



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L'ecologo Robert H. MacArthur hastudiato le abitudini alimentari di cinquespecie di passeriformi che convivononelle foreste degli Stati Uniti nordorientali:pur trovandosi in competizione per lestesse risorse alimentari (insetti che vivonosugli alberi), riducono la lorocompetizione predando in zone diverse



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I predatori: uccidono le prede, divorandone il corpo

(interamente o parzialmente) possono essere di taglia superiore o

inferiore (ma non vivono sulle prede o al loro interno)

hanno vantaggio (e le prede svantaggio) il rapporto predatore-preda è importante: se

i rapaci non limitassero la popolazione dei conigli, questi aumenterebbero troppo, distruggendo la vegetazione per poi morire di fame



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Il parassitismo è quella forma di interazione in cui il parassita si nutre di una piccola parte dell'ospite vivendoci sopra (ectoparassiti) o dentro (endoparassiti)

Il parassita ha vantaggio (e l'ospite svantaggio)

Il parassita: è generalmente più piccolo dell'ospite è strettamente associato all'ospite rende debole, sterile o malato l'ospite

(raramente lo uccide) esercita una funzione di controllo della

popolazione



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Il mutualismo o simbiosi mutualistica è quella forma di interazione in cui entrambe le specie hanno vantaggio. Es.: api e fiori (le api ricevono

nutrimento, i fiori trasporto del polline)

licheni (l'alga fotosintetizza, il fungo protegge dalla disidratazione)

uomo e flora intestinale (l'uomo fornisce un ambiente stabile e ricco di cibo, la flora intestinale favorisce la digestione e sintetizza le vitamine B e K)



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bufaghe e rinoceronti (le bufaghe mangiano insetti ectoparassiti e allarmano, i rinoceronti proteggono)

pesci pagliaccio e anemoni marine (i pesci ricevono protezione e cibo, le anemoni protezione, pulizia e attrazione di prede)



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Il commensalismo è un'interazione vantaggiosa per una specie e indifferente per l'altra. Es.: orchidee e alberi

(le orchidee ricevono una base solida e una posizione elevata da cui raccogliere luce e acqua)

piante epifite (che vivono su altre piante)


Successione ecologica

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La successione ecologica è il cambiamento graduale e costante nella composizione delle specie in un'area

L'importanza delle specie varia nella successione

La successione primaria riguarda lo stabilirsi di comunità biotiche in aree prive di vita

La successione secondaria riguarda il ristabilirsi di comunità biotiche in aree che hanno subito perturbazioni



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Successione primaria (migliaia di anni): suolo (miscuglio di roccia, materia

organica, aria, acqua e microrganismi)

specie pioniere (microbi, muschi, licheni)

erbe, piante grasse, arbusti

alberi



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Successione secondaria (resta il suolo): specie pioniere (poche

settimane) es.: aree disboscate,

coltivate e abbandonate



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I cambiamenti nella struttura della vegetazione (cibo e rifugio) implicano trasformazioni nella comunità animale

Es.: area temperata del Nordamerica



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Stadi di una successione



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L'agricoltura intensiva sostituisce una comunità ricca di specie con una povera (monocoltura) regredendo a uno stadio primitivo della successione ecologica

La competizione con altre piante è ridotta con gli erbicidi

La presenza di insetti o altri animali è controllata con i pesticidi



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La successione ecologica è una sequenza ordinata di stadi prevedibili, sempre più stabili, fino alla comunità climax, dominata da poche piante longeve, spesso alberi (fitosociologia)

Non sempre la successione ecologica è prevedibile: si tratta della competizione tra specie per le risorse (spazio, luce e cibo)

Alcuni ecologi preferiscono cambiamento biologico a successione ecologica e comunità matura a comunità climax


Stabilità e tolleranza ecologica

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Tutti i sistemi viventi si basano su retroazioni (+ e -) che interagiscono fornendo una certa stabilità

Cambiamenti dei sistemi viventi rispondono ai cambiamenti dell'ambiente

Si distinguono tre aspetti della stabilità: inerzia (o resistenza o persistenza): capacità

di resistere ai disturbi, senza mutamento costanza: capacità di mantenersi

proporzionato alle risorse disponibili resilienza: capacità di rispondere ai disturbi,

recuperando in breve tempo



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Le popolazioni, le comunità e gli ecosistemi sono complessi (e poco capiti)

Sintomi di malessere: abbassamento della produttività primaria diminuzione dei nutrienti declino/estinzione delle specie considerate

bioindicatrici aumento degli insetti nocivi e dei vettori di

malattie declino della biodiversità presenza di sostanze contaminanti



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Spesso i sistemi biologici rispondono in ritardo e l'alterazione può essere irreversibile quando appare (es.: fumatore)

Es. di possibili alterazioni irreversibili: crescita eccessiva della popolazione umana accumulo di rifiuti tossici esaurimento dell'ozono stratosferico riscaldamento globale deforestazione riduzione numerica di una specie in

estinzione



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Un'interazione sinergetica avviene quando due o più processi interagiscono in modo che l'effetto risultante sia più grande della somma degli effetti singoli

Es.: una persona da sola può sollevare 45 kg, in gruppo 90 kg

La sinergia aumenta l'effetto dei meccanismi di retroazione positiva

Dovremmo accelerare sinergismi favorevoli e ostacolare quelli nocivi



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Ipotesi: un ecosistema con elevata biodiversità e numerose catene alimentari è più stabile

Esiste una soglia minima di biodiversità (alcune piante e alcuni decompositori sono necessari)

È difficile dire se gli ecosistemi semplici sono meno stabili di quelli complessi (ruoli ecologici ridondanti di alcune specie in sistemi complessi)

Gli ecosistemi più complessi hanno maggiore produttività primaria e resilienza



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Le foreste pluviali hanno elevata biodiversità e resistenza, ma bassa resilienza (resistono molto agli incendi ma, se seriamente degradate, non si riprendono)

Le praterie hanno bassa biodiversità e resistenza, ma elevata resilienza (prendono fuoco facilmente ma si riprendono rapidamente, grazie al potenziale rigenerativo delle loro radici)

In realtà gli ecosistemi non sono (quasi?) mai in equilibrio ma (quasi?) sempre in continuo cambiamento



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La ricchezza di specie è legata alla dimensione spaziale e al grado di isolamento di un ecosistema

Gli ecologi Robert H. MacArthur e Edward O. Wilson hanno proposto il modello dell'equilibrio insulare o la teoria della biogeografia insulare: il numero di specie in un'isola dipende da due fattori: tasso di immigrazione di specie provenienti

dal continente o da altre isole tasso di estinzione di specie dell'isola



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Il modello dell'equilibrio insulare prevede un punto di equilibrio che determina il numero medio di specie che può vivere in un'isola

I tassi di immigrazione ed estinzione dipendono da superficie dell'isola e distanza dal continente



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"L'interdipendenza e le connessioni sono caratteristiche essenziali che riguardano sia la componente vivente sia quella non vivente dei singoli sistemi e di tutta la biosfera."


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Fine della lezione…

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