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La biologia prima di Darwin
Per comprendere l'importanza degli studi di Darwin, che cambiarono per sempre il campo di studio della biologia, facciamo più di un passo indietro fino ad Aristotele. Il filosofo greco è considerato il primo biologo della storia. Egli teorizzò l'esistenza della Scala Naturae, una scala gerarchica che parte con gli organismi più semplici, considerati inferiori, e passa per tutti gli altri organismi fino ad arrivare all'uomo, l'essere vivente più complesso e dunque superiore. Inoltre, Aristotele era sostenitore del fissismo, secondo cui gli esseri viventi sono sempre esistiti e sono sempre stati uguali. Nel corso dei secoli, la biologia occidentale subì l'influenza del cristianesimo: gli esseri viventi rimangono sì immutati nel tempo, ma sono stati creati dalla divinità. Nel corso del XVIII secolo, alcuni scienziati iniziarono a dubitare di queste teorie. Tuttavia, fu Darwin il primo a raccogliere abbastanza prove per confutarle.
Anche il naturalista gallese Alfred Wallace giunse autonomamente e contemporaneamente alle stesse conclusioni di Darwin, ma ben pochi lo conoscono, perché fu Darwin a pubblicare per primo le sue teorie nel rivoluzionario libro intitolato L'origine delle specie.
Darwin e la teoria dell'evoluzione
Charles Darwin era un inglese, studente di medicina e appassionato di storia naturale. Tra il 1831 e il 1836, viaggiò come naturalista senza stipendio sulla nave Beagle lungo le coste del Sudamerica. In particolare, fu l'arrivo alle isole Galapagos (attuale Ecuador) ad accendere la scintilla. Darwin notò che le piante e gli animali erano diversi non solo tra le isole e la terraferma, ma anche da un'isola all'altra.
Figura 1. Annotazioni di Darwin sulle differenze tra i fringuelli delle Galapagos.
Darwin notò che i fringuelli delle Galapagos avevano dimensioni e colori simili, ma forme del becco e abitudini alimentari diverse. In seguito ipotizzò che le diverse specie di fringuelli delle Galapagos avessero un antenato comune, ma che fossero cambiate nel tempo per adattarsi ai diversi habitat. La differenza principale è la forma del becco, che si è adattata al cibo disponibile. Queste osservazioni sono diventate il fondamento della teoria dell'evoluzione per selezione naturale che Darwin presentò nel suo libro L'origine delle specie.
Darwin utilizzò un albero per spiegare come gli organismi siano imparentati nonostante le grandi differenze morfologiche: da un tronco comune partono vari rami in diverse direzioni.
Figura 2. Schizzo di Darwin del 1837 rappresentante un albero come metafora dell'evoluzione delle specie.
Il contributo di Wallace alla teoria dell'evoluzione
Come già accennato, anche Alfred Wallace svolse un ruolo nello sviluppo della teoria dell'evoluzione per selezione naturale. Come Darwin, egli era un naturalista il cui hobby era viaggiare e osservare diverse specie di piante e animali. Sulla base delle sue osservazioni, nel 1855 Wallace ipotizzò che le forme di vita si evolvono, ma non seppe spiegarsi il motivo. Poi, nel 1858, ebbe un'improvvisa rivelazione: le forme di vita si evolvono per adattarsi al loro ambiente specifico. Con questa consapevolezza, Wallace si rivolse a Darwin e i due discussero le loro idee e osservazioni. L'anno successivo, nel 1859, Darwin pubblicò L'origine delle specie. Sebbene la teoria dell'evoluzione sia spesso attribuita esclusivamente a Darwin, tanto da chiamarla darwinismo, anche Wallace merita un riconoscimento per il suo contributo.
Teoria della selezione naturale
La selezione naturale è un processo in cui gli individui con caratteristiche favorevoli hanno una maggiore probabilità di sopravvivere.
In termini più semplici, la selezione naturale consiste nella "sopravvivenza del più adatto": l'ineguale capacità di sopravvivere e riprodursi significa che gli individui con le caratteristiche migliori, quindi più adatti a vivere nel loro ambiente, hanno la meglio rispetto agli altri.
Il termine "naturale" contrappone questo tipo di selezione a quella artificiale praticata da agricoltori e allevatori, i quali da migliaia di anni privilegiano alcune specie e lasciano che quelle con caratteristiche meno utili si estinguano.
Una delle differenze tra lama e alpaca è il fatto che il primo è più docile del secondo. Questo è un risultato della selezione artificiale. Il lama in tempi antichi era principalmente utilizzato per il trasporto, perciò gli allevatori sceglievano gli animali più docili e scartavano i più irrequieti. Gli alpaca, invece, erano allevati principalmente per il loro pelo, perciò la selezione privilegiava gli animali con pelo pregiato, indipendentemente dal fatto che fossero delle "teste calde".
Figura 3. Un esemplare di lama.
Teoria sintetica dell'evoluzione
Fino alla fine dei suoi giorni, Darwin non riuscì mai a trovare la risposta a un quesito fondamentale: come vengono trasmesse le caratteristiche favorevoli da genitore a prole? Dato che i tratti che rendono un organismo adatto alla sopravvivenza finiscono per diffondersi all'interno di una specie, deve esistere un meccanismo che permette di conservarli di generazione in generazione. Gli studi di Mendel, suo contemporaneo, gli avrebbero permesso di trovare una risposta, purtroppo vennero ignorati dal mondo scientifico fino all'inizio del Novecento. Spettò ai biologi successivi il compito di coniugare la genetica classica di Mendel con la teoria della selezione naturale di Darwin per creare la teoria sintetica dell'evoluzione.
L'evoluzione è il cambiamento graduale e cumulativo dei tratti ereditabili di una popolazione di organismi ed è il risultato della trasmissione genetica e della selezione naturale.
Come funziona la selezione naturale?
La selezione naturale si basa su quattro principi.
- Le mutazioni casuali del patrimonio genetico creano variabilità genetica, nel senso che organismi diversi hanno caratteristiche diverse.
- La maggior parte dei tratti si trasmette dai genitori alla prole.
- Vengono prodotti più figli di quanti ne possa sostenere l'ambiente, il che genera competizione (lotta per la sopravvivenza).
- Le variazioni nelle caratteristiche portano a diverse probabilità di sopravvivenza e riproduzione. Gli individui con tratti più adatti all'ambiente hanno maggiori possibilità di sopravvivere e riprodursi e, quindi, hanno più probabilità di trasmettere questi tratti alla loro prole.
Le pressioni selettive sono fattori esterni che influenzano le possibilità di sopravvivenza di un organismo nel suo ambiente e quindi aumentano o diminuiscono la presenza di un tratto in una popolazione in un determinato momento.
Le pressioni selettive includono:
disponibilità di risorse, come cibo e spazio;
condizioni ambientali, come temperatura e clima;
fattori biologici, come predatori e malattie.
Le tartarughe giganti delle isole Galapagos si nutrono di foglie. Nelle isole dove la vegetazione è abbondante, queste tartarughe tendono ad avere il collo corto. Invece, nelle isole caratterizzate da siccità, il loro collo è più lungo per raggiungere rami e foglie. In questo scenario, la disponibilità di cibo è una pressione selettiva. Quando il cibo è scarso, le tartarughe dal collo lungo hanno un tasso di sopravvivenza e di riproduzione più elevato, aumentando la presenza della caratteristica del collo lungo tra la popolazione locale.
Figura 4. Una tartaruga gigante delle Galapagos.
Le pressioni selettive non sono costanti, poiché le condizioni possono cambiare. Ciò significa che una determinata caratteristica può essere favorevole in un ambiente in un determinato momento, ma può non esserlo in un altro ambiente, oppure nello stesso ambiente in un momento diverso. Di conseguenza, le popolazioni con un tasso maggiore di variazione genetica sono più resistenti perché è probabile che uno o più individui presentino le mutazioni necessarie per sopravvivere alle nuove condizioni, che si tratti di cambiamenti climatici, malattie o dell'evoluzione dei predatori stessi.
Modelli di selezione naturale
Esistono tre tipi principali di selezione naturale:
Selezione stabilizzante;
Selezione direzionale;
Selezione divergente.
Selezione stabilizzante
La selezione stabilizzante è un processo che uniforma la popolazione eliminando i tratti estremi e favorendo i caratteri intermedi.
La selezione stabilizzante agisce principalmente su tratti controllati da più di un gene, come ad esempio l'altezza, che è il risultato di una miscela di geni.
Se la temperatura ambientale è costante e mite, una pelliccia troppo lunga o troppo corta sarà uno svantaggio, perché l'animale avrà troppo caldo o troppo freddo. Anche il peso alla nascita degli esseri umani è un classico esempio di selezione stabilizzante: i bambini troppo gracili tendono a essere deboli e ad avere problemi di salute, mentre quelli troppo grossi hanno difficoltà a passare attraverso il canale del parto.
Va detto però che attualmente i miglioramenti in campo medico stanno influendo su questo processo: i neonati troppo piccoli possono essere messi nell'incubatrice per alcune settimane, mentre quelli troppo grandi possono nascere senza problemi con il parto cesareo.
Selezione direzionale
La selezione direzionale è un processo che modifica i tratti di una popolazione favorendo il diffondersi di un unico tratto estremo.
Per i tratti discreti, che si esprimono in modo distinto e separato (come il colore degli occhi), la selezione direzionale favorisce una varietà (ad esempio, solo gli occhi marroni). Per i tratti continui, che sono espressi da un'ampia gamma di valori (come la lunghezza della pelliccia), la selezione direzionale favorisce il valore più alto o più basso (per esempio, solo la pelliccia lunga).
Torniamo all'esempio delle tartarughe delle Galapagos. In condizioni di siccità, le tartarughe dal collo corto non erano in grado di raggiungere la vegetazione alta e quindi il tratto del collo corto è andato a scomparire di generazione in generazione.
Anche la resistenza agli insetticidi sviluppata da alcune specie di insetti è un esempio di selezione direzionale.
Selezione divergente
La selezione divergente modifica le caratteristiche di una popolazione favorendo i due tratti estremi e opposti.
La selezione divergente è il contrario di quella stabilizzante: i tratti intermedi vengono penalizzati e vanno incontro all'estinzione. Essa si verifica quando le pressioni selettive assumono due o più forme distinte.
L'insetto chiamato biston betularia può essere molto chiaro o molto scuro. La pressione selettiva in questo caso è determinata dai predatori: nelle zone rurali prevalgono i colori chiari e anche le biston betularia sono chiare per nascondersi ai predatori, mentre le aree industriali sono caratterizzate da colori scuri e anche le biston betularia per mimetizzarsi hanno un colore scuro. Di contro, sono rare le biston betularia di colore intermedio.
Figura 5. Un esemplare di biston betularia di colore scuro.
Adattamento
Nel corso dei millenni, l'insieme delle mutazioni casuali e delle pressioni selettive esercitate su una popolazione hanno come risultato l'adattamento progressivo di tale popolazione all'ambiente.
L'adattamento è il costante processo evolutivo che porta alla formazione di popolazioni sempre più in sintonia con l'ambiente in cui vivono.
Praticamente tutte le caratteristiche di un organismo sono il risultato di un processo di adattamento durato milioni di anni: dalla statura, al colore degli occhi, alla grandezza delle narici, ma anche a tratti comportamentali.
Se prendiamo l'esempio di un picchio, possiamo notare come ogni sua caratteristica sia adatta all'ambiente in cui vive e a ciò di cui si nutre: il becco è lungo e sottile per aprirsi strada nel legno; la lingua è lunga per raggiungere gli insetti che si nascondono sotto la corteccia; il cranio presenta spazi vuoti per evitare danni al cervello durante il martellamento.
Figura 6. Un picchio.
Selezione naturale - Punti chiave
- Nel XIX secolo, Darwin e Wallace, grazie ai loro viaggi e alle loro osservazioni, svilupparono contemporaneamente e indipendentemente la teoria della selezione naturale che avrebbe rivoluzionato una volta per tutte il campo di studio della biologia. Fu però Darwin a passare alla storia grazie alla pubblicazione del suo libro L'evoluzione delle specie.
- La selezione naturale è la teoria della "sopravvivenza del più adatto": in un determinato ambiente, gli individui con caratteristiche favorevoli hanno una maggiore probabilità di sopravvivere.
- Con la riscoperta degli studi di Mendel, l'unione tra la genetica classica e il darwinismo diede vita a inizio Novecento alla teoria sintetica dell'evoluzione, secondo cui l'evoluzione è il cambiamento graduale e cumulativo dei tratti ereditabili di una popolazione di organismi.
- Le pressioni selettive sono fattori esterni (come il cibo, la temperatura e i predatori) che influenzano le possibilità di sopravvivenza di un organismo nel suo ambiente.
- La selezione naturale può assumere tre forme principali: stabilizzante (favorisce i caratteri intermedi), direzionale (favorisce un particolare carattere), divergente (favorisce caratteri estremi e opposti).
- L'adattamento è il risultato dell'evoluzione e significa che le popolazioni sono sempre più in sintonia con l'ambiente in cui vivono.
References
- Fig. 5 - Peppered Moth (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Biston.betularia.f.carbonaria.7209.jpg), Author Chiswick Chap is licensed by CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/deed.en)
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Domande frequenti riguardo Selezione naturale
In che cosa consiste la teoria dell'evoluzione?
La teoria dell'evoluzione afferma che le specie si evolvono nel corso del tempo come risultato di mutazioni genetiche e della selezione naturale.
Cosa intende Darwin per selezione naturale?
Per selezione naturale Darwin intende la "sopravvivenza del più adatto": gli individui con tratti che li rendono adatti all'ambiente in cui vivono hanno maggiori probabilità di sopravvivere. Nel corso del tempo, quindi, i tratti più vantaggiosi vengono selezionati a discapito degli altri.
Che cosa afferma la teoria dell'evoluzione per selezione naturale?
La teoria dell'evoluzione per selezione naturale afferma che le diverse pressioni selettive esercitate dall'ambiente determinano il cambiamento graduale e cumulativo dei tratti ereditabili di una popolazione di organismi.
Che cosa ha scoperto Darwin?
Darwin ha scoperto che gli organismi non sono immutabili, ma cambiano e si evolvono nel corso del tempo in risposta alle condizioni ambientali in cui vivono.
Perché è importante Charles Darwin?
Charles Darwin fu il primo a raccogliere abbastanza prove e a pubblicare un libro a sostegno di una teoria rivoluzionaria che avrebbe cambiato per sempre il modo di concepire la biologia: le specie non sono immutate, ma evolvono nel tempo.
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