laboratorio evoluzione Marcello Sala LA PIÙ GRANDE INVENZIONE [S. J. Gould, “Regni senza ruote”, in: Quando i cavalli avevano le dita, Feltrinelli 1984]

Qual è l’invenzione più importante nella storia dell’umanità? … Perché la ruota è un’invenzione importante? Rende più agevoli i trasporti Perché? Diminuisce l’attrito con il suolo   fa consumare meno energia

XVI secolo a.C.: ufficiali degli eserciti libici ed egiziani su carri a due ruote, materiali su carri a quattro ruote VI secolo d.C.: ruote sparite dal Marocco all’Afghanistan

Perché nella storia dell’Africa e del M.O. il trasporto su cammelli ha sostituito l’uso dei carri? strade romane deteriorate capacità di guadare fiumi e percorrere terreni accidentati (deserto sabbioso) longevità e resistenza risparmio di manodopera (un uomo accudisce da tre a sei cammelli da soma) declino della produzione artigianale di finimenti È un regresso? In campo culturale è un adattamento più efficiente ad ambienti e condizioni specifiche locali non vi sono fasi inevitabili in una scala di progresso

La ruota fa risparmiare energia nello spostamento: come mai non ci sono animali con le ruote? Una ruota deve girare liberamente senza fusione fisica con l’oggetto cui è applicata Se c’è una fusione fisica: la ruota gira accumulando energia elastica (torsione)  rotazione in senso inverso oppure  rottura della connessione Perché gli animali devono mantenere connessioni fisiche tra le loro parti? Sostanze nutritive e impulsi nervosi necessarie per nutrire e dirigere le parti mobili non potrebbero superare la discontinuità fisica

Batterio lungo circa 2 μm Si muove nel liquido grazie al movimento di flagelli Alterna due tipi di moto: corse rettilinee / “dondolii” Come si muovono i flagelli? Ipotesi: i flagelli sono fissati alla parete della cellula e vengano tirati di qua e di là (come remi) da fibre contrattili Ipotesi non compatibile con la dinamica dei movimenti e con la rapidità di transizione tra corse e “dondolii” Escherichia coli

I flagelli si muovono a elica a partire dalla rotazione delle loro basi Diminuzione di concentrazione nell’ambiente di sostanze riconosciute come nutritive  i nversione del movimento di rotazione alla base mentre l’onda di rotazione precedente procede ancora lungo il flagello  brusca perdita di coordinazione dei flagelli  arresto della spinta direzionata e “dondolio”

Questo comportamento è conseguenza di un “errore di fabbricazione” o c’è un vantaggio? Quando il batterio riprende a procedere c’è una buona probabilità che lo faccia in una direzione diversa la variazione di direzione favorisce l’esplorazione ovvero la ricerca di nuove possibili fonti di cibo aumenta la fitness (probabilità di sopravvivenza-riproduzione)

Come può il flagello connesso alla cellula ruotare su se stesso? Modello del motore elettrico: campo elettromagnetico interno solidale con l’asse di rotazione e campo elettromagnetico nell’anello esterno Il campo esterno induce senza contatto quello interno ad allinearsi facendolo ruotare  

Le sostanze nutritive come superano la discontinuità? Attraversano le membrane che delimitano le parti Cellula: variazioni di tipo biochimico di elementi proteici dell’anello esterno in relazione con quelli sull’asse del filamento Senso di rotazione reversibile

Assumendo come unità di misura dei volumi il cubetto a sinistra assumendo come unità di misura delle superfici la sua faccia qual è il volume e quale la superficie di ciascuno dei 6 cubi? Vol Sup Dal primo al terzo cubo di quanto aumentano volume e superficie? Ingrandendo un corpo, le superfici crescono meno dei volumi Perché non in organismi più grandi? … x 8  x8  x 4  x4 

AREA (unità di misura : 1 quadratino) ingrandimento VOLUME (unità di misura : 1 cubetto) cubetto6 x4 x100 X1000 X8 1cubetto cubo248cubo cubone cubone Perché dunque non trasferimento di sostanze tra membrane in organismi più grandi? Al crescere delle dimensioni di un corpo le superfici crescono molto meno dei volumi  ogni processo regolato da superfici diventa meno efficiente batterio 2  20 μm  volume e fabbisogno di sostanze x1000 superficie di scambio solo x100: non sufficiente

Di che cosa è esempio questo esempio nel quadro dell’evoluzione? Limiti fisici (o architetture ereditate)  limiti strutturali all’adattamento

Quanto può essere alto un albero? Una sequoia in California di 2500 anni è alta 115,4 metri Che cosa limita l’altezza degli alberi? …

Ciascuna curva indica l’altezza massima sostenibile in base a efficienza fotosintetica portata d’acqua nello xilema apporto di CO 2 alle foglie densità delle foglie Woodward, Nature, 428, 807, 2004