200 anni dalla nascita del biologo che ha cambiato la scienza Darwin: 1809-2009 200 anni dalla nascita del biologo che ha cambiato la scienza Few people have changed the world with the power of an idea. Charles Darwin, the British naturalist who lived during the 1800s, was one of them.

La teoria di Darwin (teoria della evoluzione per selezione naturale) è ancora oggi il concetto centrale della biologia moderna. Charles Darwin (rivoluzionario riluttante), ha modificato profondamente la nostra visione del mondo naturale e del ruolo dell’uomo nella natura.

L’IDEA PERICOLOSA DI DARWIN le specie si trasformano nel corso del tempo siamo tutti legati gli uni agli altri da una parentela genealogica l'enorme diversità di forme di vita presenti sulla Terra deriva da processi naturali (selezione naturale) in atto da milioni di anni, e tuttora in corso Poche persone hanno cambiato il mondo con il potere di un’idea

PERCHE’ DARWIN E’ COSI’ IMPORTANTE? LA SCIENZA HA BISOGNO DI TEORIE Per capire i dati che osserviamo abbiamo bisogno di teorie LA TEORIA DI DARWIN SPIEGA MOLTISSIMI DATI La teoria evoluzionista permette di collocare le osservazioni delle scienze naturali in un contesto unitario ed interpretabile LA TEORIA DI DARWIN E’ STATA CONFERMATA A 150 anni dalla sua pubblicazione la teoria di Darwin non solo è ancora valida ma è via via diventata la spina dorsale della moderna biologia

IL MONDO PRIMA DI DARWIN COME GLI SCIENZIATI CONSIDERAVANO IL MONDO VIVENTE Le specie erano considerate separate e immutabili sin dalla loro creazione. La Terra era ritenuta troppo giovane (6.000 anni di vita) per aver permesso alle specie di evolversi. Gli esseri umani erano ritenuti al di sopra e al di fuori della natura in virtù di facoltà ritenute eccezionali e uniche. Queste opinioni riflettevano la visione composta e senza tempo della natura dell’età vittoriana. CONTESTO CULTURALE La maggior parte degli inglesi viveva in comunità contadine. I viaggi lontano dal proprio luogo natio erano rari. La vita di tutti i giorni assomigliava a quella delle generazioni precedenti. Il mondo era concepito come eterno e immutabile. La stabilità dell’ordine naturale delle cose garantiva l'ordine sociale. Il mondo prima di Darwin In Inghilterra, prima della nascita di Darwin, la

CHI ERA CHARLES DARWIN? Nasce a Shrewsbury Il padre lo ritira da scuola per scarso rendimento 1826- 27 Facoltà di Medicina, Università di Edimburgo 1827- 31 Facoltà di Teologia, Università di Cambridge Da bambino, Charles Darwin collezionava uova di uccelli e conchiglie, coleotteri e monete, falene e minerali, e molto altro ancora. Era nato nel 1809 da una famiglia benestante dell'Inghilterra rurale e trascorreva le ore a osservare gli uccelli e a leggere libri, rannicchiato sotto la tavola della sala da pranzo. Tuttavia, era uno studente svogliato e la scuola lo annoiava. Si rifiutava di studiare il latino e non capiva l’utilità di imparare versi a memoria, "poichè 48 ore dopo il verso era già dimenticato". Non era mai stanco di studiare, invece, i dettagli della natura. Da adolescente si appassionò alla chimica, alla biologia, alla botanica e alla geologia, pur proseguendo in quegli anni con doveroso rispetto la carriera che il padre medico aveva scelto per lui: quella di dottore prima e di ecclesiastico poi, dopo il fallimento dei primi studi di medicina a Edimburgo. Negli anni trascorsi all’Università di Cambridge fu notato da un’elite di accademici che riconobbero le sue potenzialità e potè finalmente emergere il suo vero talento per le scienze naturali. www.aboutdarwin.com/

… senz’ombra di dubbio, il più importante evento della mia vita … Darwin, avido collezionista e osservatore di piante, di insetti e di rocce. Come Darwin crebbe e come avvenne la sua trasformazione da studente indifferente a promettente naturalista ossessionato dai coleotteri e incuriosito da alcune nuove teorie sulla "trasformazione" delle specie? Finchè un giorno non arrivò un invito inatteso... Nell’agosto del 1831, dopo un’escursione geologica in Galles, Darwin si precipita a casa impaziente di cominciare una battuta di caccia alle pernici di due settimane, ma una lettera del suo professore e mentore a Cambridge, John Stevens Henslow, è lì ad attenderlo. Contiene la proposta di un’esperienza irripetibile: partecipare "in veste di naturalista" a un viaggio intorno al mondo sul brigantino di Sua Maestà Beagle, impegnato in una spedizione di ricognizioni costiere e di rilevamenti geografici. Darwin è euforico, non vede l’ora di esplorare la natura delle terre tropicali. 1831 Invitato a partecipare al viaggio naturalistico del Beagle 1831 Il Beagle salpa da Plymouth

LA ROTTA DEL Beagle Il Beagle salpò per un viaggio intorno al mondo con lo scopo di mappare le coste dell’America meridionale. Darwin era a bordo come naturalista della spedizione per raccogliere informazioni sulla geologia, la vita marina, le piante, gli animali terrestri e sui popoli che il Beagle potesse incontrare. Darwin began developing these ideas as a result of his experiences during a five-year voyage on the British survey vessel H.M.S. Beagle, which sailed around the world on a mapping expedition during the early 1830s. Darwin was on board to work as the ship's naturalist, to record information about the geology, sea life, land animals and plants, and people that the Beagle would discover. When he set sail in 1831, Darwin was twenty-two years old, fresh out of college, fascinated with science, and deeply interested in geology and natural history. He was planning to become a clergyman, partly because he thought it would allow him enough free time to pursue his other interests.

Un nuovo mondo Durante i cinque anni successivi il Beagle, guidato dal Capitano Robert FitzRoy, raggiunse il Brasile facendo tappa sulle isole di Capo Verde, ispezionò lungamente le coste del Sud America fino alla Terra del Fuoco, risalendo poi lungo il Cile e il Perù, visitò per cinque settimane larcipelago delle Galpagos e iniziò infine un lungo tragitto di ritorno attraverso l’oceano Pacifico, da Tahiti alla Nuova Zelanda, poi attraverso loceano Indiano dall'Australia al Sud Africa, risalendo infine lungo l’Atlantico fino all’Inghilterra. Darwin fu libero di esplorare il continente sudamericano in diverse escursioni verso l’interno, di analizzare gli ecosistemi e le faune degli arcipelaghi e delle isole. Riempì numerosi taccuini con dettagliate osservazioni sulle piante, sugli animali, sulla geologia e sui climi. Collezionò migliaia di reperti e di esemplari diversi, spedendoli a casa per ulteriori studi. Nella sua Autobiografia Darwin definirà il viaggio a bordo del Beagle "senz’ombra di dubbio, il più importante evento della mia vita", quello che "determinò fondamentalmente tutta la mia carriera".

1836 Il Beagle rientra a Plymouth 1839 Nozze con Emma Wedgwood 1839 Pubblica “Il viaggio di un naturalista intorno al mondo” 1842 Decide di non pubblicare le sue teorie sulla trasmutazione Alla partenza Darwin era un giovane laureato ventiduenne, ancora intenzionato a perseguire la carriera ecclesiastica in una parrocchia di campagna. Al suo ritorno era un naturalista e geologo affermato, subito famoso a Londra per le straordinarie collezioni di animali e di piante che aveva inviato in madrepatria.

Una vita di lavoro: Down House Down House, nella campagna del Kent, è stata, per 40 anni, il suo rifugio, lo studio, la serra, il laboratorio di ricerca e il nodo di una vasta rete di scambi scientifici. The sand walk Down House

LO STUDIO Gli strumenti scientifici Lo schedario Le lettere

MOTIVI PER NON PUBBLICARE LE PROPRIE IDEE SULLA TRASMUTAZIONE DEI VIVENTI (1842) I colleghi naturalisti non le avrebbero accettate 2. Gli allevatori avrebbero trovato il volume troppo noioso da leggere 3. Gli atei lo avrebbero usato per i loro scopi malvagi 4. La chiesa l’avrebbe disprezzato 5. Non intendeva essere etichettato come ateo 6. Avrebbe tradito la famiglia a cui doveva così tanto

LA TEORIA DI DARWIN (Una semplice spiegazione per la diversità della vita sulla Terra) In ogni popolazione ci sono differenze tra i singoli individui (variabilità) 2. Questa variabilità è, almeno in parte, ereditaria 3. Alcune di queste variazioni consentono agli individui di generare più discendenti di altri, nell’ambiente in cui vivono (selezione naturale, fertilità differenziale e mortalità differenziale) 4. Le caratteristiche degli individui che lasciano più discendenti si diffondono nella popolazione (adattamento)

Esiste una variabilità (in parte ereditaria)

Nel contesto ambientale in cui si trovano, individui diversi hanno fertilità o mortalità diverse Verdi 5/15= 33%

Nel contesto ambientale in cui si trovano, individui diversi hanno fertilità o mortalità diverse Verdi (si nascondono meglio)= 5/15= 33%

Le caratteristiche degli individui che lasciano più discendenti si diffondono nella popolazione: adattamento Verdi= 4/8= 50%

Cosa è la VARIABILITA’? I membri di una qualunque specie raramente sono identici gli uni agli altri sia all’esterno che al loro interno. Gli organismi di una popolazione variano per dimensioni, colore, capacità di resistere alle malattie, ecc. Queste differenze sono spesso il risultato di mutazioni casuali o errori di copia che insorgono quando le cellule si dividono e gli organismi si sviluppano. Quando un organismo si riproduce, questo trasferisce il proprio DNA (l’insieme di istruzioni) alla progenie. Poichè molte caratteristiche sono codificate nel DNA, la progenie eredita anche le variazioni (mutazioni di caratteri) dai loro genitori.

SELEZIONE: Sopravvivenza e Riproduzione L’ambiente non riesce a sostenere una crescita illimitata delle popolazioni. Poichè le risorse sono limitate, sopravvivono meno individui di quelli che vengono al mondo. Gli individui più efficienti nel trovare il cibo, nell’accoppiarsi con un partner, e nell’evitare i predatori avranno maggiori probabilità di sopravvivere e trasmettere i loro geni (DNA) ai discendenti. Video: Guarda la selezione naturale all’opera. Sperimenta da solo come funziona l’evoluzione.

Le fasi della teoria della evoluzione per selezione naturale applicata a una popolazione di topi La prole è sovrabbondante rispetto alle risorse Ogni popolazione presenta un certo grado di variabilità. La variabilità è dovuta al caso e si eredita La lotta per la sopravvivenza provoca una diminuzione della popolazione La lotta per la sopravvivenza seleziona i più adatti I più adatti all’ambiente sono quelli che riescono a sfruttare meglio le caratteristiche di quell’ambiente e non quelli migliori o più forti

La SELEZIONE NATURALE Soltanto una piccola frazione degli individui che teoricamente potrebbero vivere in un dato ambiente in realtà nasce e riesce a sopravvivere. Darwin chiama la selezione naturale il processo di “sopravvivenza dei favoriti (più adatti all’ambiente). La selezione naturale è il processo grazie al quale l’ambiente premia gli individui meglio adattati con la sopravvivenza e un maggiore successo riproduttivo generando molti discendenti ugualmente bene adattati all’ambiente. Dopo diverse generazioni gli individui meglio adattati a quel particolare ambiente predominano, la natura ha eliminato gli individui più svantaggiati e la popolazione si è evoluta (modificata). La selezione naturale è il meccanismo che fa sì che le popolazioni di organismi viventi si evolvano con il tempo.

ADATTAMENTO ESEMPI DI ADATTAMENTO Adattamento: caratteristica che contribuisce all’integrazione dell’organismo con l’ambiente. L’adattamento è il risultato della selezione naturale. ESEMPI DI ADATTAMENTO Piccole variazioni possono influenzare la probabilità di sopravvivenza e di riproduzione di un individuo. Es: differenze nel colore aiutano gli insetti a mimetizzarsi e nascondersi ai predatori. Es: una vista più acuta aiuta un predatore ad avvistare la preda. Es: una colorazione brillante del piumaggio aumenta le probabilità di un pavone maschio di attrarre una partner.

Adattamento: caratteristica fisica o comportamento che rende l’organismo più idoneo a vivere nel suo ambiente 1. Il lepidottero notturno Biston betularia, la farfalla delle betulle, ha l’abitudine di sostare di giorno sul tronco di questi alberi. 2. Di questa farfalla esistono due varianti, una chiara e una scura. 3. Prima della rivoluzione industriale il 99% delle Biston era chiara, alla fine dell’Ottocento divennero prevalenti le farfalle di colore scuro. 4. Mentre la Biston chiara si mimetizza, sfuggendo ai predatori, sulla corteccia chiara, la Biston nera si mimetizza meglio sulle cortecce scure Variante scura Variante chiara Biston betularia

SU QUALI PROVE SI BASA LA TEORIA DI DARWIN?

ARTO ANTERIORE MAMMIFERI balena pipistrello cavallo uomo omero ulna radio ossa del carpo ossa del metacarpo falangi L’anatomia comparata. Se, per esempio, prendiamo in esame l’arto anteriore di animali appartenenti a quattro specie diverse di mammiferi (un pipistrello, una balena, un cavallo e un uomo), non possiamo fare a meno di constatare come questo sia composto essenzialmente dalle stesse ossa (omero, ulna, radio, carpo, metacarpo e falangi), che, variamente sviluppate, si adattano perfetta mente a scopi diversi: il nuoto nella balena, il volo nel pipistrello, la deambulazione nel cavallo e la prensione nell’uomo.Tutto ciò può essere spiegato presupponendo che i quattro animali presi in considerazione si siano evoluti partendo da un antenato comune i cui arti anteriori avevano tale struttura (figura 2). Anche le strutture corporee che hanno perso ogni funzionalità testimoniano un processo evolutivo. La presenza di alcune piccole ossa rudimentali nei muscoli addo minali delle balene, per esempio, trova una spiegazione convincente nell’ipotesi che esse costituiscano quanto rimane delle ossa del bacino dei progenitori terrestri di questi animali. L’osservazione che gli arti anteriori di questi quattro mammiferi presentano la stessa architettura di base, si spiega con l’esistenza di un antenato comune da cui tutti discendono. falangi ossa del metacarpo

STADI SUCCESSIVI DELLO SVILUPPO EMBRIONALE DI ALCUNI VERTEBRATI pesce anfibio maiale uomo L’embriologia comparata. Se si esaminano gli embrioni di alcuni vertebrati, non si può fare a meno di notare una somiglianza che tende a decrescere con il progredire dello sviluppo e che è tanto più evidente quanto più le specie sono imparentate (figura 3). Per esempio, negli stadi precoci degli embrioni mostrati nella figura, sono presenti cinque fessure branchiali che nei pesci daranno vita alle branchie vere e proprie,mentre nei vertebrati terrestri daranno origine ad altri organi come le ghiandole paratiroidi e il timo. Anche queste somiglianze sono fatte risalire dalla teoria dell’evoluzione a una comune discendenza di Le somiglianze decrescono col progredire dello sviluppo

I FOSSILI Resti di organismi vissuti nel lontano passato (conchiglie, ossa) Tracce o impronte conservatesi in rocce sedimentarie (impronte di conchiglie)

GEOLOGIA PALEONTOLOGIA strati rocciosi più superficiali sono più recenti strati rocciosi più profondi sono più antichi PALEONTOLOGIA I fossili presenti negli strati rocciosi più superficiali sono più simili agli organismi attualmente viventi sul pianeta di quelli contenuti negli strati rocciosi più profondi. felce arborea ammonite T. rex 450-300maf 400-65maf 250-65maf

PROCESSI DI FOSSILIZZAZIONE Mummificazione Carbonificazione Mineralizzazione Inclusione Impronta

FOSSILIZZAZIONE PER INCLUSIONE inclusione in ambra inclusione in ambra Inclusione in ghiaccio- permafrost

FOSSILIZZAZIONE PER MUMMIFICAZIONE (disidratazione) dromedario (vivo) dromedario sepolto nella sabbia (mummificato) FOSSILIZZAZIONE PER CARBONIZZAZIONE (resti vegetali) Piante carbonificate

DAI PESCI AGLI ANFIBI L’EUSTHENOPTERON aveva una forma molto simile a quella di un pesce moderno, ma nelle sue pinne già esistevano le ossa precursori del braccio e delle zampe dei futuri animali a 4 zampe. Il TIKTAALIK fece un altro passo verso le forme terrestri di vita con ossa del polso e delle dita che gli consentirono di tirarsi su e far affiorare il capo dalle pozze di acqua bassa, in cui preferiva vivere. Lo scheletro indica che probabilmente respirava sia attraversi branchie, come l’Eusthenopteron, e attraverso una struttura simile al polmone, come il successivo Ichthyostega e gli anfibi moderni. L’ICHTYOSTEGA sviluppò delle zampe ancora più forti con cui poteva manovrare attraverso la fitta vegetazione nel suo habitat paludoso. Fossil Evidence In 2004, a field crew digging in the Canadian Arctic unearthed the fossil remains of a half-fish, half-amphibian that would all but confirm paleontologists' theories about how land-dwelling tetrapods (four-limbed animals, including us) evolved from their fish ancestors. The animal was a so-called lobe-finned fish that lived about 375 million years ago. Named Tiktaalik rosae by its discoverers, it is a classic example of a transitional form, one that bridges the evolutionary gap between two quite different types of animal. Below, see this and four other well-known fossil transitions, which clearly indicate Darwinian evolution in action.—Rima Chaddha

Tutti i viventi hanno qualcosa in comune Tutti gli organismi conosciuti traducono allo stesso modo, nelle proteine, l’informazione contenuta nei loro acidi nucleici.

L’Origine delle specie per selezione naturale (1859) Darwin’s legendary book, On the Origin of Species by Means of Natural Selection; or, the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life, is frequently listed as one of the greatest books ever written. The three critical ideas he developed in it are: The fact that evolution occurs. The theory of natural selection is the driving force or mechanism behind the process of evolution. The concept of phylogeny, that all forms of life are related to one another genealogically, through their pedigree or "family's roots." …. questo è senza dubbio il lavoro più importante della mia vita. Fin da principio ebbe un grande successo. Le 1250 copie della prima edizione furono vendute tutte nel primo giorno della pubblicazione….

Darwin Huxley Wilberforce 1859 Pubblica “L’origine delle specie” 1860 Dibattito ad Oxford (Darwin non interviene) 1871 Pubblica “L’origine dell’uomo” 1882 Muore a Down House

L’EVOLUZIONE E’ UN FATTO Un fatto è un’osservazione ripetutamente confermata. Che i viventi si siano evoluti da antenati comuni e continuino ad evolversi è un fatto, non una teoria. Esempi di evoluzione in azione: Parassiti resistenti al DDT Biston betularia Batteri e antibiotici (TBC) Influenza aviaria

Evoluzione in azione: l’influenza aviaria Avian Avian H5N1 Human L'influenza aviaria è causata da virus che colpiscono uccelli selvatici e domestici, fra cui polli, tacchini e anatre.  Se l'infezione rimane confinata alle specie selvatiche acquatiche (anatre, cigni, trampolieri e gabbiani), senza trasmettersi alle specie domestiche, non esiste alcun rischio per l'uomo. Infatti , la trasmissione diretta da selvatico a uomo non è mai avvenuta. In genere i virus aviari non colpiscono l'uomo, eccetto alcune varianti virali tra cui il più recente  è il cosiddetto H5N1. L'uomo è colpito assai raramente dal virus H5N1: dal 2003 fino a fine febbraio 2006, i casi di malattia sono in tutto il mondo poco più di 150. Si tratta di un numero molto basso se si considera che nello stesso periodo milioni di polli sono stati infettati dal virus e molto verosimilmente , migliaia di persone ne siano venuti comunque a contatto. Tuttavia, quando colpisce, questo virus è molto virulento: infatti sono morti più del 50% dei soggetti colpiti. Si tratta quindi di un virus poco infettante ma molto virulento per l'uomo. Non c'è stato finora alcun caso in cui sia stato dimostrato con sufficiente evidenza che il virus H5N1 si sia trasmesso da uomo ad uomo. Quindi, questo virus così com'è oggi, non può causare una pandemia, cioè una diffusione mondiale della malattia nell'uomo. I soggetti che si sono ammalati in varie regioni asiatiche ed in Turchia erano tutti stati a strettissimo contatto con polli infetti (molto vicino e con alta probabilità di inalare, materiale fecale  o salivare del volatile). Il virus H5N1 potrebbe causare una pandemia solo se si modificasse, cioè acquisisse la capacità di trasmettersi velocemente e con facilità da uomo ad uomo, come succede per il virus influenzale umano stagionale. Questo è un evento possibile ma imprevedibile, cioè allo stato delle cose, non sappiamo né se avverrà né come o quando avverrà. Negli ultimi anni sono emersi nuovi agenti virali causa di malattie negli animali e nell'uomo, di cui l'ultimo esempio prima dell'influenza aviaria è stato il virus della SARS. Nonostante che questo virus si trasmettesse efficientemente da uomo ad uomo, e causasse anche lui una malattia respiratoria mortale, l'epidemia è stata fermata dopo pochi mesi senza antivirali e senza vaccino ma con misure  precauzionali di contenimento ed isolamento (restrizioni nei viaggi, corretta informazione).

Evoluzione in azione: l’influenza aviaria Avian H5N1 Evoluzione in azione: l’influenza aviaria L‘ influenza aviaria è una malattia respiratoria causata da un virus (H5N1) che colpisce uccelli selvatici (anatre, cigni, trampolieri, gabbiani) e domestici (polli, tacchini, anatre).  In genere i virus aviari non colpiscono l'uomo, eccetto alcune varianti virali (variabilità) tra cui il più recente è proprio H5N1. Il virus H5N1 infetta l’uomo che vive a stretto contatto con uccelli infetti, ma non si trasmette ancora da uomo ad uomo. Pertanto, così com'è oggi, non può causare una pandemia (diffusione mondiale della malattia nell'uomo). Il virus H5N1 potrebbe causare una pandemia se si modificasse (evoluzione) e acquisisse la capacità di trasmettersi velocemente da uomo ad uomo, come succede per il virus influenzale umano stagionale. Questo è un evento possibile ma imprevedibile (casuale), cioè allo stato delle cose, non sappiamo se avverrà, né come o quando avverrà.