L’uomo, i viventi, l’ambiente Luca Fiorani L’uomo, i viventi, l’ambiente Lezione 5 Evoluzione, comunità e diversità biologica

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) 2

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 3

La vita e le sue origini Batteri: cianobatteri (fotosintesi) decompositori Streptococcus (polmonite) flora batterica 4

La vita e le sue origini Protisti: flagellati parameci diatomee (fotosintesi) alcune alghe detritivori e parassiti amebe (amebiasi) plasmodio (malaria) tripanosoma (malattia del sonno) 5

La vita e le sue origini Funghi: funghi commestibili muffe fermenti 6

La vita e le sue origini Piante: pluricellulari e in genere fotosintetiche muschi felci conifere (gimnosperme) fiori (angiosperme) annue/perenni 7

La vita e le sue origini 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 mare e stelle marine) 8

La vita e le sue origini I fossili ci danno informazioni (lacunose) L'evoluzione della vita e l'evoluzione delle condizioni fisico- chimiche della Terra sono strettamente collegate 9

La vita e le sue origini Evoluzione chimica delle molecole organiche, dei biopolimeri e dei sistemi di reazioni chimiche necessarie per formare le prime cellule (circa un miliardo di anni) 10

La vita e le sue origini Evoluzione biologica a partire degli organismi unicellulari (prima procarioti e poi eucarioti) fino a quelli pluricellulari (circa 3.7-3.8 miliardi di anni) 11

La vita e le sue origini 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) 12

La vita e le sue origini 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 13

Evoluzione e adattamento 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) 14

Evoluzione e adattamento 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 15

Evoluzione e adattamento 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 16

Evoluzione e adattamento 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 17

Evoluzione e adattamento Es. di microevoluzione (falena Biston betularia): due colorazioni (variabilità genetica) colorazioni ereditarie (ereditarietà del carattere) una colorazione è favorita (riproduzione differenziata) 18

Evoluzione e adattamento 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 19

Evoluzione e adattamento 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) 20

Speciazione, estinzione e biodiversità 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) 21

Speciazione, estinzione e biodiversità 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 22

Speciazione, estinzione e biodiversità 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) 23

Speciazione, estinzione e biodiversità 24

Speciazione, estinzione e biodiversità 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 25

Speciazione, estinzione e biodiversità 26

Speciazione, estinzione e biodiversità Radiazione adattativa dei mammiferi 27

Speciazione, estinzione e biodiversità 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 28

Nicchie ecologiche e tipologia delle specie 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 29

Nicchie ecologiche e tipologia delle specie 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 30

Nicchie ecologiche e tipologia delle specie 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 31

Nicchie ecologiche e tipologia delle specie 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 32

Nicchie ecologiche e tipologia delle specie 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 33

Nicchie ecologiche e tipologia delle specie 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) 34

Nicchie ecologiche e tipologia delle specie 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) 35

Interazioni tra specie 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 36

Interazioni tra specie 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 37

Interazioni tra specie 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 38

Interazioni tra specie L'ecologo Robert H. MacArthur ha studiato le abitudini alimentari di cinque specie di passeriformi che convivono nelle foreste degli Stati Uniti nordorientali: pur trovandosi in competizione per le stesse risorse alimentari (insetti che vivono sugli alberi), riducono la loro competizione predando in zone diverse 39

Interazioni tra specie 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 40

Interazioni tra specie 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 41

Interazioni tra specie 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) 42

Interazioni tra specie 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) 43

Interazioni tra specie 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) 44

Successione ecologica 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 45

Successione ecologica 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 46

Successione ecologica Successione secondaria (resta il suolo): specie pioniere (poche settimane) es.: aree disboscate, coltivate e abbandonate 47

Successione ecologica I cambiamenti nella struttura della vegetazione (cibo e rifugio) implicano trasformazioni nella comunità animale Es.: area temperata del Nordamerica 48

Successione ecologica Stadi di una successione 49

Successione ecologica 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 50

Successione ecologica 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 51

Stabilità e tolleranza ecologica 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 52

Stabilità e tolleranza ecologica 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 53

Stabilità e tolleranza ecologica 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 54

Stabilità e tolleranza ecologica 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 55

Stabilità e tolleranza ecologica 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 56

Stabilità e tolleranza ecologica 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 57

Stabilità e tolleranza ecologica 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 58

Stabilità e tolleranza ecologica 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 59

Stabilità e tolleranza ecologica "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." 60

Fine della lezione… 61