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Quante generazioni ci vogliono perché una specie diventi una nuova?

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Consideriamo innanzitutto che una specie è un gruppo di individui che possono riprodursi allevando prole fertile.

Di solito si dice che l'evoluzione richiede molto tempo. Diciamo che sono necessarie 1000 generazioni perché la specie A evolva nella specie B.

A quale specie apparterrebbe la generazione 999, A o B?
Se A allora significa che non c'è stata evoluzione in 999 generazioni e che l'intera evoluzione avverrà in una singola generazione da 999 a 1000.
Se B, allora a quale specie appartiene la generazione 998? ecc ecc

Alla fine mi sembra che se c'è evoluzione può essere solo istantanea, ma ciò richiede molte cose improbabili, una di queste è che gli spermatozoi e gli ovuli della specie A contengono DNA della specie B!

Come funziona ?

EDIT questo non è un duplicato Non sto chiedendo cos'è una specie Sto chiedendo qual è il processo genetico dell'evoluzione, come ci muoviamo nell'albero dell'evoluzione.


La tua domanda è come chiedere informazioni sullo spettro dei colori. Una lunghezza d'onda di 530 nm è verde; una lunghezza d'onda di 580 nm è gialla. Quindi diciamo che occorrono 60 nm di variazione della lunghezza d'onda per passare dal verde al giallo. Di che colore ha una lunghezza d'onda di 579 nm, verde o giallo? Se è verde, il colore cambia in una differenza di lunghezze d'onda di un singolo nm? Se è giallo, di che colore è 578 nm, ecc.?

La risposta in questo caso è che 579nm è giallo; così è 578nm. 570nm è più ambiguo; alcune persone potrebbero dire che è giallo, altri pensano che sia giallo-verdastro, in alcuni contesti potrebbe sembrare chiaramente verde. E così via lungo lo spettro; la realtà è che non esiste un confine netto tra "verde" e "giallo". Ci sono colori che sono chiaramente verdi, colori che sono chiaramente gialli, e c'è una differenza tra questi due, ma ci sono anche molti intermedi che sono un po' come il verde e un po' come il giallo, e quegli intermedi sono ciò che attraversi quando passi dal verde al giallo. Non esiste un punto preciso in cui tutti possano essere d'accordo su dove avviene un singolo cambiamento.

È la stessa cosa con le specie. Una specie è un gruppo di organismi che si incrociano per produrre prole fertile, ma "ibridarsi per produrre prole fertile" non è una cosa on/off. Gli organismi sono più o meno fertili. E se gli organismi di due gruppi si incrociassero e producessero prole, e solo la metà di quella prole fosse fertile? Oppure hanno la metà dei figli delle coppie all'interno dei due gruppi?

Il motivo per cui le specie sono un concetto importante e possono essere distinte visivamente come simili tra loro e diverse dai membri di altre specie, è che entro una specie è diffusa la condivisione di geni nel corso della generazione, poiché gli individui si riproducono tra loro, ma non condividono i geni con Altro specie. Le specie di significato si evolveranno come un'unità; i cambiamenti che avvengono all'interno di una specie si diffonderanno tra gli individui di quella specie, ma non si diffonderanno al di fuori di essa.

Ma poiché la condivisione dei geni non è una cosa on/off, potresti avere il 100% dei geni condivisi da una popolazione all'altra (quindi sono chiaramente la stessa specie), o lo 0% (quindi chiaramente non lo sono), o 90%, o 70%, o 10%... Ecco dove trovi i confini sfocati. Le razze, i ceppi, le varietà, le sottospecie, tutte quelle parole diverse per descrivere popolazioni che sono diverse ma non sono specie completamente diverse. E i dibattiti sul fatto che gruppi diversi siano specie diverse o meno, in primo luogo, nei casi in cui è davvero ambiguo.

E la stessa cosa vale per il cambiamento evolutivo in generale. Non hai un mammifero carnivoro che non sia un gatto, e poi bam! un gatto. Hai un carnivoro mammifero che non è un gatto (o un cane, o una donnola... ma un po' come qualcuno di quelli in vari modi. Come un carnivoro generico), poi un carnivoro mammifero che è un po' più simile a un gatto o un cane (e un altro accanto che è un po' più simile a una donnola), poi un mammifero carnivoro che è ancora più simile a un gatto (e altri che sono ancora più simili a un cane, e ancora più simili a una donnola), poi un mammifero carnivoro che è chiaramente felino ma non è un gatto, o un leone, o una tigre; è una specie diversa di felino che non esiste oggi, e sembra anche più genericamente felina di qualsiasi felino moderno. Poi c'è un felino che è più simile a un gatto (e altri intorno ad esso che sono più simili a un leone e una tigre), ma chiaramente non è un gatto moderno. Poi ci sono felini che sono davvero come i gatti ma un po' diversi da quelli moderni ed è difficile da dire, forse dovremmo estendere la definizione di "gatto" per includerli? E poi bam! un gatto. Ma quel gatto non è chiaramente un gatto della giungla, o un gatto selvatico europeo, o un gatto domestico, o una specie moderna; è la sua specie di "gatto arcaico". E poi ci sono gatti che sono più simili ai gatti della giungla, o più simili ai gatti domestici...

Inoltre, non confondere la creazione di nuove specie con il cambiamento evolutivo in generale. A lungo termine sono correlati, perché una volta che due gruppi sono specie diverse, cambieranno attraverso l'evoluzione in direzioni indipendenti e finiranno per sembrare diversi l'uno dall'altro e dal loro antenato comune. Ma a breve termine si può avere una speciazione con un cambiamento morfologico o genetico molto ridotto (per non farlo più bastano due gruppi che prima si incrociavano), o un cambiamento morfologico/genetico senza speciazione (se tutto il cambiamento avviene all'interno di un gruppo ).

Sia la speciazione che il cambiamento genetico/morfologico possono avvenire all'interno di una singola generazione, ma di solito si verificano in tempi molto più lunghi. Ma non c'è una regola rigida per quanto tempo è; per quanto riguarda la speciazione, se ai gruppi non viene impedito in qualche modo di incrociarsi, allora continueranno a riprodursi tra loro e possono rimanere una singola specie indefinitamente (se l'individuo della generazione 10.000 potrebbe incrociarsi con l'individuo della generazione 1 è una questione diversa, ma non è una situazione che accade). Per quanto riguarda il cambiamento evolutivo, la selezione naturale significa che le specie cambiano per adattarsi al loro ambiente. Una volta che si sono adattati ad esso, se succede il loro ambiente non cambia mai, la selezione naturale li spingerà a rimanere come sono, di nuovo indefinitamente. Nel mondo reale la maggior parte degli ambienti cambia nel tempo, quindi gli organismi cambiano il più delle volte, ma solo per illustrare che le linee temporali sono un prodotto delle circostanze, non una caratteristica intrinseca dell'evoluzione stessa.


La specie è un concetto difficile da definire, ma la tua definizione va bene per gli animali e la maggior parte delle piante. Se l'unica distinzione che facciamo è il loro successo riproduttivo e sappiamo che g1000 è l'unica generazione che fa parte della specie B e non è in grado di riprodursi con g999, allora deve essere successo qualcosa quando è nato g1000 che rende tutti i membri di g1000 incapaci di riprodurre con successo con tutti i membri di g999. Lo scenario più probabile è l'isolamento geografico o temporale, devono essere migrati in un'altra area o la loro stagione degli amori non è stata sincronizzata con g999. In quel caso la vera speciazione è avvenuta in una generazione, da g999 a g1000.

Se d'altra parte sappiamo che g1000 è la specie B e g1 è la specie A, ma non abbiamo deciso se da g2 a g999 fanno parte di A o B, allora esiste la possibilità che g2-999 siano popolazioni intermedie. Usando nuovamente l'esempio dell'isolamento temporale, immagina che g1 abbia la stagione degli amori da feb-07 a feb-16, g100 abbia una stagione degli amori feb-08 a feb-17 e ogni cento generazioni la stagione degli amori cambi di un giorno, quindi g1000 ha una stagione degli amori feb-17 al 26 febbraio. Ciò significa che non c'è modo per g1000 di riprodursi con g1 semplicemente perché non hanno mai rapporti sessuali ma g1000 può riprodursi con g100 e oltre. Questa è la spiegazione più vicina che abbiamo per la speciazione, qualsiasi differenza evidente tra le specie arriva solo dopo molte generazioni di isolamento.

Per quanto riguarda il DNA, tutte le specie sono correlate e tutte le specie correlate condividono molto del loro DNA. Più stretta è la loro relazione, più DNA condividono. Anche gli esseri umani e l'erba hanno entrambi i geni che ci permettono di ottenere energia dallo zucchero. Quindi sì, tutte le cellule della specie B conterranno DNA della specie A, c'è solo una piccola differenza che è abbastanza grande da impedire loro di riprodursi. Potrebbero essere differenze nella stagione degli amori, ma anche genitali incompatibili o una delle specie è diventata allergica all'altra, o qualsiasi altra cosa ti venga in mente.


Una generazione.

Il DNA che erediti dai tuoi genitori ti fornisce una serie selettiva di circostanze. Se allevato all'interno di un ambiente ristretto, continuerà attraverso le generazioni con pochissimi cambiamenti. Fornire uno spostamento totale delle condizioni ambientali e il DNA precedentemente dormiente attiva l'azione, una nuova serie di regole; alcuni benefici altri no. La prossima generazione crollerà al passato solco del DNA se la situazione rimane costante... o aggiornerà il DNA nelle generazioni future.

Tale è la rivoluzione industriale che si è trascinata dal fumo di carbone ai fumi di petrolio per quasi 300 anni, il nostro DNA si adatta alle minuscole particelle nell'atmosfera; alcuni con successo, la maggior parte NON. Si potrebbe definire questo un 'pausa' nell'evoluzione.


Alternanza di generazioni

L'alternanza di generazioni è un tipo di ciclo vitale che si trova nelle piante terrestri e in alcune alghe in cui generazioni successive di individui si alternano tra aploide e diploide organismi. Questo può essere contrapposto alla riproduzione sessuale negli animali, in cui si trovano sia cellule aploidi che diploidi in ogni generazione. L'alternanza di generazioni ha diverse caratteristiche distinte e queste caratteristiche possono essere leggermente modificate tra le specie. In generale, le generazioni si alternano tra i sporofiti in grado di creare spore e la gametofiti, in grado di creare gameti.


Come cambiano le specie nel tempo geologico?

Ogni pianta o animale appartiene a una specie. Una specie è una popolazione di piante o animali che possono riprodursi per produrre prole che può quindi produrre prole loro stesse. I biologi ritengono che le nuove specie si evolvano dalle specie esistenti mediante un processo chiamato selezione naturale. Ecco come funziona. I geni sono strutture chimiche nelle cellule dell'organismo. La natura dell'organismo è determinata dai suoi geni. L'organismo eredita i geni dai suoi genitori. A volte un gene cambia accidentalmente. Si chiama mutazione. Il gene modificato viene trasmesso alla generazione successiva. La maggior parte delle mutazioni sono cattive, ma alcune rendono l'organismo più efficace nella sua vita. Gli organismi che ereditano quel nuovo gene favorevole rischiano di diventare più abbondanti di altri della specie.

A volte la popolazione di una specie viene separata in due aree, per geografia o per clima. Quindi i due gruppi non si riproducono più tra loro. I due gruppi poi cambiano lentamente per selezione naturale. Ogni gruppo cambia in modi diversi. Alla fine, i due gruppi sono così diversi che non possono più riprodursi per produrre prole. Sono diventati due specie diverse. Le specie alla fine si estinguono. Ciò significa che la popolazione diventa sempre più piccola, fino a quando non rimangono più organismi di quella specie. Le specie si estinguono per vari motivi. Se l'ambiente cambia troppo velocemente, la specie potrebbe non essere in grado di adattarsi abbastanza velocemente. Inoltre, una nuova specie potrebbe evolversi per competere con una specie esistente. I biologi sono sicuri che una volta che una specie si estingue non riappare mai più.

Nel mondo moderno, i biologi possono identificare le specie vedendo se gli organismi possono riprodursi tra loro. I paleontologi hanno molti più problemi con le specie fossili, perché gli organismi non sono più in grado di riprodursi! Tutto ciò che si può fare è abbinare conchiglie o impronte che sembrano quasi identiche e quindi presumere che rappresentino una specie.

I paleontologi sono sicuri che i reperti fossili siano distorti. Ciò significa che alcuni tipi di organismi sono molto più rari come fossili di quanto non fossero quando erano vivi. Altri tipi di organismi sono rappresentati molto meglio dai fossili. Gli animali con gusci duri e scheletri sono ben rappresentati nei reperti fossili. D'altra parte, gli animali dal corpo molle sono probabilmente rappresentati molto male. È probabile che la maggior parte delle specie dal corpo molle che siano mai esistite siano scomparse per sempre senza lasciare traccia. Anche gli animali terrestri sono probabilmente molto poco rappresentati. Ad esempio, la maggior parte degli animali che ora sono vivi, o che sono mai vissuti, sono insetti, ma i reperti fossili di insetti sono scarsi.


I coloni di Marte si evolveranno in questo nuovo tipo di essere umano?

Alcuni dei più grandi nomi della scienza e della tecnologia hanno chiesto la colonizzazione di Marte, tra cui il fisico Stephen Hawking e il CEO di SpaceX Elon Musk. Dicono che popolare altri pianeti aiuterebbe a garantire la sopravvivenza della nostra specie se la Terra fosse resa inabitabile da qualche disastro.

"Il futuro dell'umanità fondamentalmente si biforcherà lungo una delle due direzioni", ha detto Musk l'anno scorso. "O diventeremo una specie multiplanet e una civiltà spaziale, o rimarremo bloccati su un pianeta fino a un eventuale evento di estinzione".

Sembra giusto. Scienziati e ingegneri stanno sviluppando rapidamente la tecnologia necessaria per i viaggi interplanetari e l'umanità sembra fin troppo vulnerabile alle minacce esistenziali. Pensa al cambiamento climatico incontrollato, alle pandemie globali, alla guerra nucleare. E non dimenticare gli attacchi di asteroidi come quello che si ritiene abbia ucciso i dinosauri 65 milioni di anni fa.

Ma l'appello a mettere permanentemente l'Homo sapiens su Marte sembra eludere un'ironia perversa: gli esperti dicono che un lungo periodo di isolamento sul pianeta rosso - dove la gravità e la luce solare sono più deboli che sulla Terra e le radiazioni che causano la mutazione più intense - potrebbero alla fine causare i corpi dei coloni di Marte a cambiare. E almeno un esperto crede che i coloni potrebbero evolversi in una nuova specie.

In altre parole, diventare una specie multiplanet potrebbe portarci a diventare più specie.

"Questo accade abitualmente agli animali e alle piante isolati sulle isole - pensa ai fringuelli di Darwin", ha scritto di recente il dott. Scott Solomon, biologo evoluzionista della Rice University di Houston e autore di "Future Humans: Inside the Science of Our Continuing Evolution". sul sito scientifico Nautilus. "Ma mentre la speciazione sulle isole può richiedere migliaia di anni, il tasso di mutazione accelerato su Marte e i forti contrasti tra le condizioni su Marte e sulla Terra probabilmente accelereranno il processo. In poche centinaia di generazioni - forse appena 6.000 anni - un potrebbe emergere un nuovo tipo di essere umano."

Nuova specie - o no?

Seimila anni non sono lunghi in termini evolutivi. Dopotutto, l'Homo sapiens esiste come una singola specie da più di 200.000 anni. E alcuni scienziati hanno dei dubbi sulla cronologia di Salomone.

"L'evoluzione verso una nuova specie secondo la definizione classica di non essere in grado di riprodursi con gli umani richiederebbe molto tempo, probabilmente migliaia di generazioni e centomila anni", ha detto a NBC News MACH l'astronomo dell'Università dell'Arizona, il dott. Chris Impey. . D'altra parte, ha aggiunto, "cambiare abbastanza da sembrare fisicamente distinti sarebbe molto più veloce, decine o forse cento generazioni".

“In poche centinaia di generazioni – forse non più di 6.000 anni – potrebbe emergere un nuovo tipo di essere umano”.

Il Dr. Philipp Mitteröcker, un biologo teorico dell'Università di Vienna in Austria, ha detto in una e-mail al MACH che anche lui è dubbioso di una rapida speciazione.

"La speciazione è un processo a lungo termine che di solito richiede l'isolamento riproduttivo per milioni di anni", ha detto Mitteröcker. "Alcune popolazioni umane sono rimaste isolate per migliaia di anni e sono ancora lontane dall'essere una specie separata. È quindi improbabile che gli umani che hanno colonizzato Marte [diventino] una specie separata".

Salomone ha riconosciuto che il percorso dell'evoluzione umana su Marte è speculativo. Ma ha detto a MACH in una e-mail che "da ciò che sappiamo sulla biologia evolutiva" consegue che i coloni di Marte potrebbero evolversi più velocemente di quanto alcuni pensino.

E l'apparente assenza di vita microbica su Marte potrebbe svolgere un ruolo chiave.

Le prove suggeriscono che Marte potrebbe essere privo di vita, e questo vale sia per i batteri patogeni che per altre forme di vita. Se gli umani dovessero stabilire e vivere all'interno di una colonia marziana priva di germi, ha detto Solomon, il sistema immunitario dei coloni potrebbe alla fine perdere la capacità di combattere le infezioni che potrebbero essere introdotte nella colonia da umani o animali portatori di germi in visita dalla Terra. Questo rischio presumibilmente incoraggerebbe i coloni a ridurre al minimo il contatto, incluso il contatto sessuale, con terrestri potenzialmente infetti. Ciò, a sua volta, potrebbe accelerare il ritmo con cui i corpi dei coloni inizieranno ad adattarsi al loro nuovo mondo.

Differenze sorprendenti

In che modo questo popolo marziano potrebbe differire dai loro lontani antenati, in altre parole, da noi? Indipendentemente dal fatto che si siano evoluti o meno in una nuova specie, potrebbero avere differenze anatomiche, immunologiche e altre differenze fisiologiche. Solomon ha detto che potrebbero avere ossa notevolmente più spesse (comprese le ossa del cranio), che potrebbero dare loro un aspetto più robusto, forse un po' come i membri del genere estinto Paranthropus proto-umano, incluso P. boisei.

Perché dovrebbe essere? Le ossa devono lavorare contro la forza di gravità per rimanere forti. La gravità su Marte è circa il 38% di quella sulla Terra. Di conseguenza, i coloni di Marte che iniziano la vita con scheletri più robusti potrebbero avere un vantaggio, dal punto di vista evolutivo. L'idea è che man mano che la loro densità ossea diminuisce gradualmente nell'ambiente a bassa gravità, le ossa più grandi dei coloni potrebbero mantenere una forza sufficiente per scongiurare pericolose fratture.


Tasso di mutazione umana: quante mutazioni del DNA si verificano in ciascuna generazione?

Un tasso di mutazione è il numero di mutazioni che si verificano in media per generazione. I tassi di mutazione sono determinati confrontando il DNA della prole con i genitori e contando le differenze.

Un tasso di mutazione è il numero di mutazioni che si verificano in media per generazione. I tassi di mutazione sono determinati confrontando il DNA della prole con i genitori e contando le differenze.

I tassi di mutazione variano da specie a specie e possono essere influenzati dall'ambiente (più radiazioni UV, ad esempio, possono produrre tassi di mutazione più elevati) e dall'età dei genitori.

Quando nasce un bambino, riceve metà copia del DNA dal padre e metà dalla madre. Quando queste copie vengono eseguite all'interno dei corpi dei genitori, possono verificarsi errori o "mutazioni". Quindi quante mutazioni uniche ha ogni essere umano nei suoi geni?

Uno studio del 2011 su Nature Genetics ha esaminato i genomi di due famiglie umane e ha scoperto che i bambini nello studio avevano una media di 42 mutazioni uniche.

42 è la migliore media che possiamo ottenere per ora, ma sappiamo che non rappresenta accuratamente l'intera famiglia umana. La dimensione del campione nello studio del 2011 era semplicemente troppo piccola. Col passare del tempo, i test genetici diventeranno più convenienti e vedremo più esperimenti fatti che ci daranno un numero più accurato.


Quante generazioni ci vogliono perché una specie diventi una nuova? - Biologia

La curva di crescita batterica

In laboratorio, in condizioni favorevoli, una popolazione batterica in crescita raddoppia a intervalli regolari. La crescita avviene per progressione geometrica: 1, 2, 4, 8, ecc. oppure 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 . 2 n (dove n = il numero di generazioni). Questo è chiamato crescita esponenziale. In realtà, la crescita esponenziale è solo una parte del ciclo di vita batterica e non rappresentativa del normale modello di crescita dei batteri in Natura.

Quando un terreno fresco viene inoculato con un dato numero di cellule e la crescita della popolazione viene monitorata per un periodo di tempo, il tracciamento dei dati produrrà un tipica curva di crescita batterica (Figura 3 sotto).


Figura 3. La tipica curva di crescita batterica. Quando i batteri vengono coltivati ​​in un sistema chiuso (chiamato anche coltura batch), come una provetta, la popolazione cellulare mostra quasi sempre queste dinamiche di crescita: le cellule inizialmente si adattano al nuovo mezzo (fase di latenza) fino a quando non possono iniziare a dividersi regolarmente per il processo di fissione binaria (fase esponenziale). Quando la loro crescita diventa limitata, le cellule smettono di dividersi (fase stazionaria), fino a quando mostrano una perdita di vitalità (fase di morte). Notare i parametri degli assi x e y. La crescita è espressa come variazione del numero di cellule vitali rispetto al tempo. I tempi di generazione sono calcolati durante la fase esponenziale di crescita. Le misurazioni del tempo sono in ore per batteri con tempi di generazione brevi.

Si riconoscono quattro fasi caratteristiche del ciclo di crescita.

1. Fase di latenza. Immediatamente dopo l'inoculazione delle cellule in terreno fresco, la popolazione rimane temporaneamente invariata. Sebbene non si verifichi una divisione cellulare apparente, le cellule possono crescere in volume o massa, sintetizzando enzimi, proteine, RNA, ecc. e aumentando l'attività metabolica.

La durata della fase di latenza è apparentemente dipendente da un'ampia varietà di fattori tra cui la dimensione del tempo di inoculo necessario per riprendersi da un danno fisico o da uno shock nel tempo di trasferimento richiesto per la sintesi di coenzimi essenziali o fattori di divisione e il tempo richiesto per la sintesi di nuovi enzimi (inducibili) necessari per metabolizzare i substrati presenti nel terreno.

2. Fase esponenziale (log). La fase esponenziale della crescita è un modello di crescita equilibrata in cui tutte le cellule si dividono regolarmente per fissione binaria e crescono per progressione geometrica. Le cellule si dividono a una velocità costante a seconda della composizione del mezzo di crescita e delle condizioni di incubazione. La velocità di crescita esponenziale di una coltura batterica è espressa come tempo di generazione, anche il tempo di raddoppio della popolazione batterica. Il tempo di generazione (G) è definito come il tempo (t) per generazione (n = numero di generazioni). Quindi, G=t/n è l'equazione da cui derivano i calcoli del tempo di generazione (sotto).

3. Fase stazionaria. La crescita esponenziale non può essere continuata per sempre in a coltura batch (ad esempio un sistema chiuso come una provetta o un pallone). La crescita della popolazione è limitata da uno dei tre fattori: 1. esaurimento dei nutrienti disponibili 2. accumulo di metaboliti inibitori o prodotti finali 3. esaurimento dello spazio, in questo caso chiamato mancanza di "spazio biologico".

Durante la fase stazionaria, se vengono contate le cellule vitali, non è possibile determinare se alcune cellule stanno morendo e un numero uguale di cellule si sta dividendo, o se la popolazione di cellule ha semplicemente smesso di crescere e dividersi. La fase stazionaria, come la fase di latenza, non è necessariamente un periodo di quiescenza. Batteri che producono metaboliti secondari, come gli antibiotici, lo fanno durante la fase stazionaria del ciclo di crescita (I metaboliti secondari sono definiti come metaboliti prodotti dopo la fase attiva della crescita). È durante la fase stazionaria che i batteri sporigeni devono indurre o smascherare l'attività di decine di geni che possono essere coinvolti nel processo di sporulazione.

4. Fase della morte. Se l'incubazione continua dopo che la popolazione raggiunge la fase stazionaria, segue una fase di morte, in cui la popolazione cellulare vitale diminuisce. (Nota, se si conta con misurazioni turbidimetriche o conteggi microscopici, la fase di morte non può essere osservata.). Durante la fase di morte, il numero di cellule vitali diminuisce geometricamente (esponenzialmente), essenzialmente l'inverso della crescita durante la fase logaritmica.

Tasso di crescita e tempo di generazione

Come accennato in precedenza, i tassi di crescita batterica durante la fase di crescita esponenziale, in condizioni nutrizionali standard (terreno di coltura, temperatura, pH, ecc.), definiscono il tempo di generazione del batterio. I tempi di generazione dei batteri variano da circa 12 minuti a 24 ore o più. Il tempo di generazione per E. coli in laboratorio è di 15-20 minuti, ma nel tratto intestinale il tempo di generazione del coliforme è stimato in 12-24 ore. Per i batteri più conosciuti che possono essere coltivati, i tempi di generazione variano da circa 15 minuti a 1 ora. simbionti come rizobio tendono ad avere tempi di generazione più lunghi. Molti litotrofi, come i batteri nitrificanti, hanno anche lunghi tempi di generazione. Alcuni batteri che sono patogeni, come Mycobacterium tuberculosis e Treponema pallido, hanno tempi di generazione particolarmente lunghi, e questo è considerato un vantaggio nella loro virulenza. I tempi di generazione per alcuni batteri sono mostrati nella Tabella 2.

Tabella 2. Tempi di generazione per alcuni batteri comuni in condizioni ottimali di crescita.

Batterio medio Tempo di generazione (minuti)
Escherichia coli Glucosio-sali 17
Bacillus megaterium Sali di saccarosio 25
Streptococcus lactis Latte 26
Streptococcus lactis brodo di lattosio 48
Staphylococcus aureus Brodo di infusione di cuore 27-30
Lactobacillus acidophilus Latte 66-87
Rhizobium japonicum Mannitolo-sali-estratto di lievito 344-461
Mycobacterium tuberculosis Sintetico 792-932
Treponema pallido Testicoli di coniglio 1980

Calcolo del tempo di generazione

Quando cresce esponenzialmente per fissione binaria, l'aumento di una popolazione batterica avviene per progressione geometrica. Se iniziamo con una cellula, quando si divide ci sono 2 cellule nella prima generazione, 4 cellule nella seconda generazione, 8 cellule nella terza generazione e così via. Il tempo di generazione è l'intervallo di tempo necessario affinché le cellule (o la popolazione) si dividano.

G (tempo di generazione) = (tempo, in minuti o ore)/n(numero di generazioni)

t = intervallo di tempo in ore o minuti

B = numero di batteri all'inizio di un intervallo di tempo

b = numero di batteri alla fine dell'intervallo di tempo

n = numero di generazioni (numero di volte in cui la popolazione cellulare raddoppia durante l'intervallo di tempo)

b = B x 2 n (Questa equazione è un'espressione della crescita per fissione binaria)


Esempio: qual è il tempo di generazione di una popolazione batterica che aumenta da 10.000 a 10.000.000 di cellule in quattro ore di crescita?


Selezione naturale

La selezione naturale è il processo che guida l'evoluzione di nuove specie. Si basa sul concetto che gli individui con tratti benefici per il loro ambiente hanno maggiori probabilità di riprodursi e trasmettere i loro tratti e geni a più figli.

L'ambiente di un organismo è modellato da una serie di fattori come temperatura, precipitazioni, vento, predazione, competizione e malattie. Quando i fattori ambientali cambiano, il livello di beneficio ottenuto da alcuni geni e tratti varia. Alcuni geni e tratti diventano più benefici in un ambiente specifico mentre altri perdono il loro beneficio.

Nuove specie emergono attraverso la selezione naturale in ambienti diversi nel corso di molte generazioni. Questo è perché gli individui con tratti più benefici hanno maggiori probabilità di sopravvivere e riprodursi. Questi tratti benefici vengono poi passati alla generazione successiva. Diversi tratti benefici vengono trasmessi di generazione in generazione in ambienti diversi e, nel corso di molte generazioni, le popolazioni in ambienti diversi diventano molto diverse l'una dall'altra.

Ad esempio, le foto sopra mostrano due falene di colore diverso in due ambienti completamente diversi. Un ambiente è pieno di foglie verdi mentre l'altro è un deserto fatto di sabbia arancione.

Nell'ambiente verde e frondoso spiccano le falene arancioni mentre le falene verdi sono molto difficili da vedere (ci sono, te lo prometto). In questo ambiente verde e frondoso è molto più probabile che i predatori avvistino, catturino e mangino le falene arancioni. Le falene verdi hanno molte più probabilità di passare inosservate, sopravvivere e riprodursi. In questo ambiente, essere green è un vantaggio e un tratto benefico.

Nell'ambiente desertico, le falene verdi sporgono contro la sabbia arancione. In questo ambiente, le falene arancioni hanno un mimetismo molto migliore e avrebbero meno probabilità di essere mangiate dai predatori e più probabilità di riprodursi.

Se una sola specie di falena vivesse in entrambi questi ambienti, nel tempo, la selezione naturale cambierebbe le due popolazioni in modi diversi. La popolazione di falene che vivono nell'ambiente verde e frondoso avrebbe maggiori probabilità di diventare gradualmente verde mentre la popolazione di falene che vivono nel deserto avrebbe maggiori probabilità di diventare arancione. Nel corso di molte generazioni, due nuove specie si sarebbero evolute attraverso la selezione naturale.


Charles Darwin e la selezione naturale

La selezione naturale come meccanismo per l'evoluzione è stata concepita e descritta indipendentemente da due naturalisti, Charles Darwin e Alfred Russell Wallace, a metà del diciannovesimo secolo. È importante sottolineare che ognuno ha trascorso del tempo esplorando il mondo naturale in spedizioni ai tropici. Dal 1831 al 1836 Darwin fece il giro del mondo H.M.S. Beagle, visitando il Sud America, l'Australia e la punta meridionale dell'Africa. Wallace si recò in Brasile per raccogliere insetti nella foresta pluviale amazzonica dal 1848 al 1852 e nell'arcipelago malese dal 1854 al 1862. Il viaggio di Darwin, come i successivi viaggi di Wallace nell'arcipelago malese, includeva soste in diverse catene di isole, l'ultima delle quali sono le isole Galápagos (ovest dell'Ecuador). Su queste isole, Darwin osservò specie di organismi su isole diverse che erano chiaramente simili, ma avevano differenze distinte. Ad esempio, i fringuelli di terra che abitavano le isole Galápagos comprendevano diverse specie che avevano ciascuna una forma a becco unica (Figura 1). Osservò sia che questi fringuelli somigliavano molto a un'altra specie di fringuelli sulla terraferma del Sud America e che il gruppo di specie delle Galápagos formava una serie graduata di dimensioni e forme del becco, con differenze molto piccole tra le più simili. Darwin immaginò che le specie dell'isola potessero essere tutte le specie modificate da una specie originaria della terraferma. Nel 1860 scrisse: "Vedendo questa gradazione e diversità di struttura in un piccolo gruppo di uccelli intimamente correlato, si potrebbe davvero immaginare che da un'originale scarsità di uccelli in questo arcipelago, una specie fosse stata presa e modificata per scopi diversi. [2]

Figura 1. Darwin osservò che la forma del becco varia tra le specie di fringuelli. Ha postulato che il becco di una specie ancestrale si fosse adattato nel tempo per dotare i fringuelli di acquisire diverse fonti di cibo. Questa illustrazione mostra le forme del becco per quattro specie di fringuello a terra: 1. Geospiza magnirostris (il fringuello di terra grande), 2. G. fortis (il fringuello di terra medio), 3. G. parvula (il fringuello di terra piccolo) e 4 Certhidea olivacea (il fringuello della cannaiola).

Wallace e Darwin hanno entrambi osservato modelli simili in altri organismi e hanno concepito indipendentemente un meccanismo per spiegare come e perché tali cambiamenti potrebbero aver luogo. Darwin chiamò questo meccanismo selezione naturale. Selezione naturale, sosteneva Darwin, era un risultato inevitabile di tre principi che operavano in natura. In primo luogo, le caratteristiche degli organismi vengono ereditate o trasmesse dai genitori ai figli. In secondo luogo, viene prodotta più prole di quella che è in grado di sopravvivere, in altre parole, le risorse per la sopravvivenza e la riproduzione sono limitate. La capacità di riproduzione in tutti gli organismi supera la disponibilità di risorse per sostenere il loro numero. Quindi, c'è una competizione per quelle risorse in ogni generazione. Sia Darwin che Wallace hanno compreso questo principio dalla lettura di un saggio dell'economista Thomas Malthus, che ha discusso questo principio in relazione alle popolazioni umane. In terzo luogo, la prole varia tra loro per quanto riguarda le loro caratteristiche e tali variazioni sono ereditate. Sulla base di questi tre principi, Darwin e Wallace hanno argomentato che la prole con caratteristiche ereditarie che consentono loro di competere al meglio per risorse limitate sopravviverà e avrà più figli di quegli individui con variazioni che sono meno in grado di competere. Poiché le caratteristiche sono ereditate, queste caratteristiche saranno meglio rappresentate nella prossima generazione. Ciò porterà al cambiamento delle popolazioni nel corso delle generazioni in un processo che Darwin chiamò "discesa con modificazione".

Articoli di Darwin e Wallace (figura 2) che presentavano l'idea della selezione naturale furono letti insieme nel 1858 davanti alla Linnaean Society di Londra. L'anno successivo il libro di Darwin, Sull'origine delle specie, è stato pubblicato, che ha delineato in modo molto dettagliato i suoi argomenti per l'evoluzione per selezione naturale.

Figura 2. (a) Charles Darwin e (B) Alfred Wallace scrisse articoli scientifici sulla selezione naturale che furono presentati insieme alla Linnean Society nel 1858.

Le dimostrazioni dell'evoluzione per selezione naturale possono richiedere molto tempo. Una delle migliori dimostrazioni è stata negli stessi uccelli che hanno contribuito a ispirare la teoria, i fringuelli delle Galápagos. Peter e Rosemary Grant ei loro colleghi hanno studiato le popolazioni di fringuelli delle Galapagos ogni anno dal 1976 e hanno fornito importanti dimostrazioni del funzionamento della selezione naturale. I Grant hanno riscontrato cambiamenti da una generazione all'altra nella forma del becco dei fringuelli di terra media sull'isola di Daphne Major delle Galápagos. Il fringuello medio si nutre di semi. Gli uccelli hanno ereditato la variazione nella forma del becco con alcuni individui che hanno becchi larghi e profondi e altri con becchi più sottili. Gli uccelli dal becco grosso si nutrono in modo più efficiente di semi grandi e duri, mentre gli uccelli dal becco più piccolo si nutrono in modo più efficiente di semi piccoli e morbidi. Durante il 1977, un periodo di siccità ha alterato la vegetazione dell'isola. Dopo questo periodo, il numero di semi è diminuito drasticamente: il declino dei semi piccoli e morbidi è stato maggiore del declino dei semi grandi e duri. Gli uccelli dal becco grosso sono riusciti a sopravvivere meglio degli uccelli dal becco piccolo l'anno successivo. L'anno successivo alla siccità, quando i Grant hanno misurato le dimensioni del becco nella popolazione molto ridotta, hanno scoperto che la dimensione media del becco era più grande (Figura 3). Questa era una chiara prova della selezione naturale (differenze nella sopravvivenza) delle dimensioni del becco causata dalla disponibilità di semi. I Grant avevano studiato l'eredità delle dimensioni del becco e sapevano che gli uccelli sopravvissuti dal becco grosso tenderebbero a produrre prole con becchi più grandi, quindi la selezione avrebbe portato all'evoluzione delle dimensioni del becco. Studi successivi dei Grant hanno dimostrato la selezione e l'evoluzione delle dimensioni del becco in questa specie in risposta alle mutevoli condizioni sull'isola. L'evoluzione è avvenuta sia a becchi più grandi, come in questo caso, sia a becchi più piccoli quando i semi grandi sono diventati rari.

Figura 3. Una siccità sull'isola delle Galápagos di Daphne Major nel 1977 ha ridotto il numero di piccoli semi disponibili per i fringuelli, causando la morte di molti dei fringuelli dal becco piccolo. Ciò ha causato un aumento della dimensione media del becco dei fringuelli tra il 1976 e il 1978.

Variazione e adattamento

La selezione naturale può avvenire solo se c'è variazione, o differenze, tra gli individui di una popolazione. È importante sottolineare che queste differenze devono avere una base genetica, altrimenti la selezione non porterà a cambiamenti nella generazione successiva. Questo è fondamentale perché la variazione tra gli individui può essere causata da ragioni non genetiche, come un individuo che è più alto a causa di una migliore nutrizione piuttosto che di geni diversi.

La diversità genetica in una popolazione deriva da due fonti principali: mutazione e riproduzione sessuale. La mutazione, un cambiamento nel DNA, è la fonte ultima di nuove variazioni genetiche in qualsiasi popolazione. Un individuo che ha un gene mutato potrebbe avere un tratto diverso rispetto ad altri individui della popolazione. Tuttavia, questo non è sempre il caso. Una mutazione può avere uno dei tre esiti sull'aspetto (o fenotipo) degli organismi:

  • Una mutazione può influenzare i tratti di un organismo in un modo che gli conferisce una ridotta idoneità, una minore probabilità di sopravvivenza, con conseguente riduzione della prole.
  • Una mutazione può produrre un tratto con un effetto benefico sulla forma fisica.
  • Molte mutazioni, chiamate mutazioni neutre, non avranno alcun effetto sull'idoneità.

La riproduzione sessuale può anche generare nuove combinazioni di tratti che possono avere effetti positivi o negativi sulla sopravvivenza della prole. Ad esempio, il tuo DNA è organizzato in 23 coppie di cromosomi: un membro di ogni coppia è di tua madre e uno di tuo padre. Dal momento che erediti solo la metà dei cromosomi di tua madre e solo la metà dei cromosomi di tuo padre, e gli esatti cromosomi che ottieni da ciascuno di essi sono determinati dal caso, sei una combinazione unica dei tuoi genitori, con tratti leggermente diversi da entrambi genitore. Questa ricombinazione del DNA ad ogni generazione fornisce agli organismi che si riproducono sessualmente come noi alcune variazioni garantite nelle nostre popolazioni.

Un tratto ereditario che aiuta la sopravvivenza e la riproduzione di un organismo nel suo ambiente attuale è chiamato an adattamento. Un adattamento è una "partita" dell'organismo con l'ambiente. L'adattamento a un ambiente si verifica quando si verifica nel tempo un cambiamento nell'intervallo di variazione genetica che aumenta o mantiene la corrispondenza della popolazione con il suo ambiente. Le variazioni nei becchi dei fringuelli si sono spostate di generazione in generazione fornendo l'adattamento alla disponibilità di cibo.

Se un tratto è favorevole o meno dipende dall'ambiente in quel momento. Gli stessi tratti non hanno sempre lo stesso vantaggio o svantaggio relativo perché le condizioni ambientali possono cambiare. Ad esempio, i fringuelli con becchi grandi hanno beneficiato in un clima, mentre quelli piccoli erano uno svantaggio in un clima diverso, il rapporto si è invertito.

Modelli di evoluzione

L'evoluzione delle specie ha portato a enormi variazioni nella forma e nella funzione. Quando due specie evolvono in direzioni diverse da un punto comune, si chiama evoluzione divergente. Such divergent evolution can be seen in the forms of the reproductive organs of flowering plants, which share the same basic anatomies however, they can look very different as a result of selection in different physical environments, and adaptation to different kinds of pollinators (Figura 4).

Figura 4. Flowering plants evolved from a common ancestor. Notice that the (a) dense blazing star and (b) purple coneflower vary in appearance, yet both share a similar basic morphology. (credit a, b: modification of work by Cory Zanker)

In altri casi, fenotipi simili evolvono indipendentemente in specie lontanamente imparentate. Ad esempio, il volo si è evoluto sia nei pipistrelli che negli insetti, ed entrambi hanno strutture che chiamiamo ali, che sono adattamenti al volo. Le ali dei pipistrelli e degli insetti, invece, si sono evolute da strutture originarie molto diverse. When similar structures arise through evolution independently in different species it is called evoluzione convergente. The wings of bats and insects are called strutture analoghe they are similar in function and appearance, but do not share an origin in a common ancestor. Invece si sono evoluti indipendentemente nei due lignaggi. The wings of a hummingbird and an ostrich are homologous structures, meaning they share similarities (despite their differences resulting from evolutionary divergence). Le ali dei colibrì e degli struzzi non si sono evolute indipendentemente nella stirpe dei colibrì e nella stirpe degli struzzi: discendono da un antenato comune dotato di ali.


11.1 Scoprire come cambiano le popolazioni

La teoria dell'evoluzione per selezione naturale descrive un meccanismo per il cambiamento delle specie nel tempo. Quel cambiamento di specie era stato suggerito e discusso molto prima di Darwin. L'idea che le specie fossero statiche e immutabili era fondata negli scritti di Platone, ma c'erano anche antichi greci che esprimevano idee evoluzionistiche.

Nel XVIII secolo, le idee sull'evoluzione degli animali furono reintrodotte dal naturalista Georges-Louis Leclerc, dal conte de Buffon e persino dal nonno di Charles Darwin, Erasmus Darwin. Durante questo periodo, è stato anche accettato che esistessero specie estinte. Allo stesso tempo, James Hutton, il naturalista scozzese, propose che il cambiamento geologico avvenisse gradualmente per l'accumulo di piccoli cambiamenti da processi (su lunghi periodi di tempo) proprio come quelli che accadono oggi. Ciò contrastava con l'opinione predominante che la geologia del pianeta fosse una conseguenza di eventi catastrofici verificatisi durante un passato relativamente breve. La visione di Hutton fu poi resa popolare dal geologo Charles Lyell nel diciannovesimo secolo. Lyell divenne amico di Darwin e le sue idee furono molto influenti sul pensiero di Darwin. Lyell ha sostenuto che la maggiore età della Terra ha dato più tempo per il cambiamento graduale nelle specie, e il processo ha fornito un'analogia per il cambiamento graduale nelle specie.

All'inizio del diciannovesimo secolo, Jean-Baptiste Lamarck pubblicò un libro che descriveva in dettaglio un meccanismo per il cambiamento evolutivo che ora viene indicato come eredità delle caratteristiche acquisite. Nella teoria di Lamarck, le modifiche in un individuo causate dal suo ambiente, o l'uso o il disuso di una struttura durante la sua vita, potrebbero essere ereditate dalla sua progenie e, quindi, determinare un cambiamento in una specie. Mentre questo meccanismo per il cambiamento evolutivo come descritto da Lamarck è stato screditato, le idee di Lamarck hanno avuto un'influenza importante sul pensiero evolutivo. L'iscrizione sulla statua di Lamarck che si trova alle porte del Jardin des Plantes a Parigi lo descrive come il "fondatore della dottrina dell'evoluzione".

Charles Darwin e la selezione naturale

L'effettivo meccanismo dell'evoluzione è stato concepito e descritto indipendentemente da due naturalisti, Charles Darwin e Alfred Russell Wallace, a metà del diciannovesimo secolo. È importante sottolineare che ognuno ha trascorso del tempo esplorando il mondo naturale in spedizioni ai tropici. Dal 1831 al 1836 Darwin fece il giro del mondo H.M.S. Beagle, visitando il Sud America, l'Australia e la punta meridionale dell'Africa. Wallace si recò in Brasile per raccogliere insetti nella foresta pluviale amazzonica dal 1848 al 1852 e nell'arcipelago malese dal 1854 al 1862. Il viaggio di Darwin, come i successivi viaggi di Wallace nell'arcipelago malese, includeva soste in diverse catene di isole, l'ultima delle quali sono le isole Galápagos (ovest dell'Ecuador). Su queste isole, Darwin osservò specie di organismi su isole diverse che erano chiaramente simili, ma avevano differenze distinte. Ad esempio, i fringuelli di terra che abitavano le isole Galápagos comprendevano diverse specie che avevano ciascuna una forma a becco unica (Figura 11.2). Osservò sia che questi fringuelli somigliavano molto a un'altra specie di fringuelli sulla terraferma del Sud America e che il gruppo di specie delle Galápagos formava una serie graduata di dimensioni e forme del becco, con differenze molto piccole tra le più simili. Darwin immaginò che le specie dell'isola potessero essere tutte le specie modificate da una specie originaria della terraferma. Nel 1860 scrisse: "Vedendo questa gradazione e diversità di struttura in un piccolo gruppo di uccelli intimamente correlato, si potrebbe davvero immaginare che da un'originale scarsità di uccelli in questo arcipelago, una specie fosse stata presa e modificata per scopi diversi. " 2

Wallace e Darwin hanno entrambi osservato modelli simili in altri organismi e hanno concepito indipendentemente un meccanismo per spiegare come e perché tali cambiamenti potrebbero aver luogo. Darwin chiamò questo meccanismo selezione naturale. La selezione naturale, sosteneva Darwin, era un risultato inevitabile di tre principi che operavano in natura. In primo luogo, le caratteristiche degli organismi vengono ereditate o trasmesse dai genitori ai figli. In secondo luogo, viene prodotta più prole di quella che è in grado di sopravvivere, in altre parole, le risorse per la sopravvivenza e la riproduzione sono limitate. La capacità di riproduzione in tutti gli organismi supera la disponibilità di risorse per sostenere il loro numero. Quindi, c'è una competizione per quelle risorse in ogni generazione. Sia Darwin che Wallace hanno compreso questo principio dalla lettura di un saggio dell'economista Thomas Malthus, che ha discusso questo principio in relazione alle popolazioni umane. In terzo luogo, la prole varia tra loro per quanto riguarda le loro caratteristiche e tali variazioni sono ereditate. Sulla base di questi tre principi, Darwin e Wallace hanno argomentato che la prole con caratteristiche ereditarie che consentono loro di competere al meglio per risorse limitate sopravviverà e avrà più figli di quegli individui con variazioni che sono meno in grado di competere. Poiché le caratteristiche sono ereditate, queste caratteristiche saranno meglio rappresentate nella prossima generazione. Ciò porterà al cambiamento delle popolazioni nel corso delle generazioni in un processo che Darwin chiamò "discesa con modificazione".

Gli articoli di Darwin e Wallace (Figura 11.3) che presentavano l'idea della selezione naturale furono letti insieme nel 1858 davanti alla Linnaean Society di Londra. L'anno successivo il libro di Darwin, Sull'origine delle specie, è stato pubblicato, che ha delineato in modo molto dettagliato i suoi argomenti per l'evoluzione per selezione naturale.

Le dimostrazioni dell'evoluzione per selezione naturale possono richiedere molto tempo. Una delle migliori dimostrazioni è stata negli stessi uccelli che hanno contribuito a ispirare la teoria, i fringuelli delle Galápagos. Peter e Rosemary Grant ei loro colleghi hanno studiato le popolazioni di fringuelli delle Galapagos ogni anno dal 1976 e hanno fornito importanti dimostrazioni del funzionamento della selezione naturale. I Grant hanno riscontrato cambiamenti da una generazione all'altra nella forma del becco dei fringuelli di terra media sull'isola di Daphne Major delle Galápagos. Il fringuello medio si nutre di semi. Gli uccelli hanno ereditato la variazione nella forma del becco con alcuni individui che hanno becchi larghi e profondi e altri con becchi più sottili. Gli uccelli dal becco grosso si nutrono in modo più efficiente di semi grandi e duri, mentre gli uccelli dal becco più piccolo si nutrono in modo più efficiente di semi piccoli e morbidi. Durante il 1977, un periodo di siccità ha alterato la vegetazione dell'isola. Dopo questo periodo, il numero di semi è diminuito drasticamente: il declino dei semi piccoli e morbidi è stato maggiore del declino dei semi grandi e duri. Gli uccelli dal becco grosso sono riusciti a sopravvivere meglio degli uccelli dal becco piccolo l'anno successivo. L'anno successivo alla siccità, quando i Grant hanno misurato le dimensioni del becco nella popolazione molto ridotta, hanno scoperto che la dimensione media del becco era più grande (Figura 11.4). Questa era una chiara prova della selezione naturale (differenze nella sopravvivenza) delle dimensioni del becco causata dalla disponibilità di semi. I Grant avevano studiato l'eredità delle dimensioni del becco e sapevano che gli uccelli sopravvissuti dal becco grosso tenderebbero a produrre prole con becchi più grandi, quindi la selezione avrebbe portato all'evoluzione delle dimensioni del becco. Studi successivi dei Grant hanno dimostrato la selezione e l'evoluzione delle dimensioni del becco in questa specie in risposta alle mutevoli condizioni sull'isola. L'evoluzione è avvenuta sia a becchi più grandi, come in questo caso, sia a becchi più piccoli quando i semi grandi sono diventati rari.

Variazione e adattamento

La selezione naturale può aver luogo solo se c'è variazione, o differenze, tra gli individui di una popolazione. È importante sottolineare che queste differenze devono avere una base genetica, altrimenti la selezione non porterà a cambiamenti nella generazione successiva. Questo è fondamentale perché la variazione tra gli individui può essere causata da ragioni non genetiche, come un individuo che è più alto a causa di una migliore nutrizione piuttosto che di geni diversi.

La diversità genetica in una popolazione deriva da due fonti principali: mutazione e riproduzione sessuale. La mutazione, un cambiamento nel DNA, è la fonte ultima di nuovi alleli o nuove variazioni genetiche in qualsiasi popolazione. Un individuo che ha un gene mutato potrebbe avere un tratto diverso rispetto ad altri individui della popolazione. Tuttavia, questo non è sempre il caso. Una mutazione può avere uno dei tre esiti sull'aspetto (o fenotipo) degli organismi:

  • Una mutazione può influenzare il fenotipo dell'organismo in un modo che gli conferisce una ridotta idoneità, una minore probabilità di sopravvivenza, con conseguente riduzione della prole.
  • Una mutazione può produrre un fenotipo con un effetto benefico sulla forma fisica.
  • Molte mutazioni, chiamate mutazioni neutre, non avranno alcun effetto sull'idoneità.

Le mutazioni possono anche avere un'intera gamma di dimensioni dell'effetto sulla fitness dell'organismo che le esprime nel loro fenotipo, da un piccolo effetto a un grande effetto. La riproduzione sessuale e l'incrocio nella meiosi portano anche alla diversità genetica: quando due genitori si riproducono, combinazioni uniche di alleli si assemblano per produrre genotipi unici e, quindi, fenotipi in ciascuno dei figli.

Un tratto ereditario che aiuta la sopravvivenza e la riproduzione di un organismo nel suo ambiente attuale è chiamato adattamento. Un adattamento è una "partita" dell'organismo con l'ambiente. L'adattamento a un ambiente si verifica quando si verifica nel tempo un cambiamento nell'intervallo di variazione genetica che aumenta o mantiene la corrispondenza della popolazione con il suo ambiente. Le variazioni nei becchi dei fringuelli si sono spostate di generazione in generazione fornendo l'adattamento alla disponibilità di cibo.

Se un tratto è favorevole o meno dipende dall'ambiente in quel momento. Gli stessi tratti non hanno sempre lo stesso vantaggio o svantaggio relativo perché le condizioni ambientali possono cambiare. Ad esempio, i fringuelli con becchi grandi hanno beneficiato in un clima, mentre quelli piccoli erano uno svantaggio in un clima diverso, il rapporto si è invertito.

Modelli di evoluzione

L'evoluzione delle specie ha portato a enormi variazioni nella forma e nella funzione. Quando due specie evolvono in direzioni diverse da un punto comune, si parla di evoluzione divergente. Tale evoluzione divergente può essere vista nelle forme degli organi riproduttivi delle piante da fiore, che condividono le stesse anatomie di base, tuttavia, possono apparire molto diverse a causa della selezione in diversi ambienti fisici e dell'adattamento a diversi tipi di impollinatori (Figura 11.5 ).

In altri casi, fenotipi simili evolvono indipendentemente in specie lontanamente imparentate. Ad esempio, il volo si è evoluto sia nei pipistrelli che negli insetti, ed entrambi hanno strutture che chiamiamo ali, che sono adattamenti al volo. Le ali dei pipistrelli e degli insetti, invece, si sono evolute da strutture originarie molto diverse. Quando strutture simili sorgono attraverso l'evoluzione indipendentemente in specie diverse si parla di evoluzione convergente. Le ali dei pipistrelli e degli insetti sono chiamate strutture analoghe, sono simili per funzione e aspetto, ma non condividono un'origine in un antenato comune. Invece si sono evoluti indipendentemente nei due lignaggi. Le ali di un colibrì e di uno struzzo sono strutture omologhe, nel senso che condividono somiglianze (nonostante le loro differenze derivanti dalla divergenza evolutiva). Le ali dei colibrì e degli struzzi non si sono evolute indipendentemente nella stirpe dei colibrì e nella stirpe degli struzzi: discendono da un antenato comune dotato di ali.

La sintesi moderna

I meccanismi dell'ereditarietà, la genetica, non erano compresi quando Darwin e Wallace stavano sviluppando la loro idea di selezione naturale. Questa mancanza di comprensione era un ostacolo alla comprensione di molti aspetti dell'evoluzione. In effetti, l'ereditarietà mista era la teoria genetica predominante (e errata) del tempo, il che rendeva difficile capire come potesse funzionare la selezione naturale. Darwin e Wallace non erano a conoscenza del lavoro di genetica del monaco austriaco Gregor Mendel, pubblicato nel 1866, non molto tempo dopo la pubblicazione di Sull'origine delle specie. Il lavoro di Mendel fu riscoperto all'inizio del ventesimo secolo, quando i genetisti stavano rapidamente arrivando a comprendere le basi dell'ereditarietà. Inizialmente, la natura particellare dei geni scoperta di recente ha reso difficile per i biologi capire come potesse avvenire un'evoluzione graduale. Ma nei decenni successivi la genetica e l'evoluzione furono integrate in quella che divenne nota come la sintesi moderna, la comprensione coerente della relazione tra selezione naturale e genetica che prese forma negli anni '40 ed è generalmente accettata oggi. In sintesi, la sintesi moderna descrive come le pressioni evolutive, come la selezione naturale, possono influenzare il corredo genetico di una popolazione e, a sua volta, come ciò può comportare la graduale evoluzione delle popolazioni e delle specie. La teoria collega anche questo graduale cambiamento di una popolazione nel tempo, chiamato microevoluzione, con i processi che hanno dato origine a nuove specie e gruppi tassonomici superiori con caratteri ampiamente divergenti, chiamati macroevoluzione.

Genetica di popolazione

Ricordiamo che un gene per un particolare carattere può avere diverse varianti, o alleli, che codificano per diversi tratti associati a quel carattere. Ad esempio, nel sistema del gruppo sanguigno ABO nell'uomo, tre alleli determinano il particolare carboidrato del gruppo sanguigno sulla superficie dei globuli rossi. Ogni individuo in una popolazione di organismi diploidi può portare solo due alleli per un particolare gene, ma più di due possono essere presenti negli individui che compongono la popolazione. Mendel seguì gli alleli mentre venivano ereditati dai genitori ai figli. All'inizio del XX secolo, i biologi iniziarono a studiare cosa succede a tutti gli alleli di una popolazione in un campo di studio noto come genetica di popolazione.

Finora abbiamo definito l'evoluzione come un cambiamento nelle caratteristiche di una popolazione di organismi, ma dietro quel cambiamento fenotipico c'è il cambiamento genetico. In termini genetici di popolazione, l'evoluzione è definita come un cambiamento nella frequenza di un allele in una popolazione. Utilizzando il sistema ABO come esempio, la frequenza di uno degli alleli, io A , è il numero di copie di quell'allele diviso per tutte le copie del gene ABO nella popolazione. Ad esempio, uno studio in Giordania ha riscontrato una frequenza di io A essere 26,1 per cento. 3 il io B , io 0 alleli costituivano rispettivamente il 13,4 percento e il 60,5 percento degli alleli e tutte le frequenze si sommano fino al 100 percento. Un cambiamento di questa frequenza nel tempo costituirebbe un'evoluzione della popolazione.

Ci sono diversi modi in cui le frequenze alleliche di una popolazione possono cambiare. Uno di questi modi è la selezione naturale. Se un dato allele conferisce un fenotipo che consente a un individuo di avere più figli che sopravvivono e si riproducono, quell'allele, in virtù del fatto di essere ereditato da quei figli, avrà una frequenza maggiore nella generazione successiva. Poiché le frequenze alleliche si sommano sempre fino al 100%, un aumento della frequenza di un allele significa sempre una corrispondente diminuzione di uno o più degli altri alleli. Gli alleli altamente benefici possono, nel giro di poche generazioni, "fissarsi" in questo modo, il che significa che ogni individuo della popolazione porterà l'allele. Allo stesso modo, gli alleli dannosi possono essere rapidamente eliminati dal pool genico, la somma di tutti gli alleli in una popolazione. Parte dello studio della genetica delle popolazioni sta monitorando il modo in cui le forze selettive modificano le frequenze alleliche in una popolazione nel tempo, il che può fornire agli scienziati indizi sulle forze selettive che potrebbero operare su una determinata popolazione. Gli studi sui cambiamenti nella colorazione delle ali nella falena pepata dal bianco screziato allo scuro in risposta ai tronchi degli alberi coperti di fuliggine e poi di nuovo al bianco screziato quando le fabbriche hanno smesso di produrre così tanta fuliggine è un classico esempio di studio dell'evoluzione nelle popolazioni naturali (Figura 11.6 ).

All'inizio del ventesimo secolo, il matematico inglese Godfrey Hardy e il medico tedesco Wilhelm Weinberg fornirono indipendentemente una spiegazione per un concetto alquanto controintuitivo. La spiegazione originale di Hardy era in risposta a un malinteso sul motivo per cui un allele "dominante", uno che maschera un allele recessivo, non dovrebbe aumentare di frequenza in una popolazione finché non elimina tutti gli altri alleli. La domanda è nata da una comune confusione su cosa significhi "dominante", ma ha costretto Hardy, che non era nemmeno un biologo, a sottolineare che se non ci sono fattori che influenzano una frequenza allelica quelle frequenze rimarranno costanti da una generazione all'altra. prossimo. Questo principio è ora noto come equilibrio di Hardy-Weinberg. La teoria afferma che le frequenze alleliche e genotipiche di una popolazione sono intrinsecamente stabili: a meno che qualche tipo di forza evolutiva non agisca sulla popolazione, la popolazione porterebbe gli stessi alleli nelle stesse proporzioni generazione dopo generazione. Gli individui, nel complesso, sembrerebbero essenzialmente gli stessi e questo non sarebbe correlato al fatto che gli alleli fossero dominanti o recessivi. Le quattro forze evolutive più importanti, che interromperanno l'equilibrio, sono la selezione naturale, la mutazione, la deriva genetica e la migrazione all'interno o all'esterno di una popolazione. Un quinto fattore, l'accoppiamento non casuale, interromperà anche l'equilibrio di Hardy-Weinberg, ma solo spostando le frequenze del genotipo, non le frequenze alleliche (a meno che l'allele non contribuisca all'aumento o alla diminuzione del potenziale riproduttivo). Nell'accoppiamento non casuale, gli individui hanno maggiori probabilità di accoppiarsi con individui con fenotipi specifici piuttosto che casualmente. Poiché l'accoppiamento non casuale non cambia le frequenze alleliche, non provoca direttamente l'evoluzione. È stata descritta la selezione naturale. La mutazione crea un allele da un altro e cambia la frequenza di un allele di una piccola ma continua quantità ogni generazione. Ogni allele è generato da un tasso di mutazione basso e costante che aumenterà lentamente la frequenza dell'allele in una popolazione se nessun'altra forza agisce sull'allele. Se la selezione naturale agisce contro l'allele, verrà rimosso dalla popolazione a un ritmo basso portando a una frequenza che risulta da un equilibrio tra selezione e mutazione. Questo è uno dei motivi per cui le malattie genetiche rimangono nella popolazione umana a frequenze molto basse. Se l'allele è favorito dalla selezione, aumenterà di frequenza. La deriva genetica provoca cambiamenti casuali nelle frequenze alleliche quando le popolazioni sono piccole. La deriva genetica può spesso essere importante nell'evoluzione, come discusso nella sezione successiva. Infine, se due popolazioni di una specie hanno frequenze alleliche diverse, la migrazione di individui tra di esse causerà variazioni di frequenza in entrambe le popolazioni. Si dà il caso che non esista una popolazione in cui uno o più di questi processi non siano operativi, quindi le popolazioni sono sempre in evoluzione, e l'equilibrio di Hardy-Weinberg non sarà mai esattamente osservato. Tuttavia, il principio di Hardy-Weinberg offre agli scienziati un'aspettativa di base per le frequenze alleliche in una popolazione non in evoluzione con cui possono confrontare popolazioni in evoluzione e quindi dedurre quali forze evolutive potrebbero essere in gioco. La popolazione è in evoluzione se le frequenze degli alleli o dei genotipi si discostano dal valore atteso dal principio di Hardy-Weinberg.

Darwin identificò un caso speciale di selezione naturale che chiamò selezione sessuale. La selezione sessuale influisce sulla capacità di un individuo di accoppiarsi e quindi di produrre prole, e porta all'evoluzione di tratti drammatici che spesso appaiono disadattivi in ​​termini di sopravvivenza ma persistono perché danno ai loro proprietari un maggiore successo riproduttivo. La selezione sessuale avviene in due modi: attraverso la selezione intrasessuale, come competizione maschio-maschio o femmina-femmina per i compagni, e attraverso la selezione intersessuale, come selezione femmina o maschio dei compagni. La competizione maschio-maschio assume la forma di conflitti tra maschi, che sono spesso ritualizzati, ma possono anche rappresentare minacce significative alla sopravvivenza di un maschio. A volte la competizione è per territorio, con le femmine più propense ad accoppiarsi con maschi con territori di qualità superiore. La scelta femminile si verifica quando le femmine scelgono un maschio in base a un tratto particolare, come i colori delle piume, l'esecuzione di una danza di accoppiamento o la costruzione di una struttura elaborata. In alcuni casi la competizione maschio-maschio e la scelta della femmina si combinano nel processo di accoppiamento. In ciascuno di questi casi, i tratti selezionati per, come la capacità di combattere o il colore e la lunghezza delle piume, vengono esaltati nei maschi. In generale, si pensa che la selezione sessuale possa procedere fino a un punto in cui la selezione naturale contro l'ulteriore miglioramento di un personaggio impedisce la sua ulteriore evoluzione perché ha un impatto negativo sulla capacità del maschio di sopravvivere. Ad esempio, piume colorate o un display elaborato rendono il maschio più ovvio per i predatori.


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