Introduzione all'Ecologia

Cos'è l'Ecologia?

• L'ecologia è una disciplina scientifica che studia come funziona il mondo, descrive i processi che guidano la diversità biologica e governa i sistemi biologici.
• Prende in esame le interazioni tra gli organismi e l'ambiente, definendo la distribuzione geografica e l'abbondanza.
• L'ecologia è interdisciplinare e multidisciplinare, attingendo informazioni da genetica, fisiologia, geologia e modellistica.
• Le prime riflessioni sull'ecologia risalgono alla fine dell'Ottocento.
• Il termine "ecologia" deriva dal greco e significa studio della casa o dell'ambiente.
• Elton, negli anni '30, ha sottolineato l'importanza di studiare sistemi complessi anziché singoli organismi in "Animal Ecology".
• Un approccio ecosistemico definisce l'ecologia come lo studio della struttura e del funzionamento dei sistemi naturali.
• Un altro approccio si concentra sulle interazioni tra organismi e la loro distribuzione spaziale, evidenziando la dimensione spaziale e geografica.
• L'organizzazione gerarchica è fondamentale per definire il profilo di studio, con studi condotti a livello genetico, di organismi, popolazioni, specie, comunità, ecosistemi e globale.

Ecologia Molecolare

• L'ecologia molecolare studia gli organismi a livello dei meccanismi molecolari alla base della loro fisiologia.
• L'ecologia molecolare si concentra sulle relazioni tra ormoni, cellule, DNA e acidi nucleici.
• Deriva dalla biologia molecolare, studiando molecole complesse come DNA, RNA e proteine.
• L'ecologia molecolare utilizza tecniche per raccogliere informazioni da altre discipline, consentendo lo studio di queste molecole.
• Essa consiste nello studio di tutti gli aspetti dell'ecologia utilizzando i marcatori molecolari.
• I marcatori molecolari sono metodi di genetica molecolare adattati per rispondere a domande e problematiche ecologiche.
• I marcatori molecolari consentono di quantificare la diversità genetica, identificare individui, popolazioni e specie e ricostruire le loro relazioni genetiche e la loro storia.
• Permette anche di identificare e caratterizzare nuove specie sulla base delle differenze genetiche.
• Gli argomenti principali includono indagini sistematiche, filogeografiche e filogenetiche applicate alla biologia ambientale e alla conservazione.
• Studia il presente per spiegare il passato e ipotizzare il futuro.
• Grazie al lato geografico sempre al centro dell'attenzione, la disciplina permette di tracciare i movimenti degli organismi e i modelli di dispersione delle specie.
• La conoscenza genetica dei singoli individui supporta la tracciatura della storia evolutiva delle specie e la modellizzazione degli andamenti demografici nel tempo.
• Permette la definizione dei confini tra le specie e studiare gli eventi di ibridazione.
• Fino allo sviluppo della disciplina, molte di queste aree di studio si basavano su speculazioni.
• Un esempio è stato lo studio di homing sulla tartaruga marina Chelonia mydas, analizzando le sequenze del DNA mitocondriale per confermare il ritorno degli esemplari nello stesso luogo per la riproduzione.
• Introduce un livello di studio aggiuntivo, concentrandosi sulla funzione che un gene può avere nel suo determinato contesto ambientale.
• La ricerca analizza l'espressione genica di organismi sperimentati a varie condizioni al fine di comprendere la loro risposta genomica e genetica.
• Esaminando il pathway genetico attivato in risposta a fattori di stress ambientale.
• L'analisi di modelli o tendenze comportamentali tra la stessa specie, come l'esplorazione o la timidezza, ha spalancato nuovi confini nel campo della genetica.

DNA

• Contiene l'informazione genetica e porta alla formazione di proteine tramite trascrizione e traduzione.
• Esistono genomi eucariotici e procariotici con organizzazione diversa.
• Nelle cellule eucariote, il DNA è organizzato in cromosomi nel nucleo, presenti in doppia copia (diploidi), una per genitore.
• Durante la riproduzione sessuale, i gameti aploidi si formano e si combinano per generare il genoma della prole.
• Ogni cromosoma eucariotico contiene una singola molecola di DNA divisa in geni.
• La posizione specifica di un gene è il locus (loci al plurale), dove gli alleli si trovano, che sono forme alternative del gene.
• Gli alleli possono essere identici (omozigoti) o diversi (eterozigoti), determinando il genotipo dell'organismo.
• Gli alleli possono essere dominanti o recessivi.
• L'allele dominante si esprime fenotipicamente anche nella condizione eterozigote
• L'allele recessivo si manifesta solo nella condizione omozigote.
• Il fenotipo è l'insieme dei caratteri osservabili, dipendente dal genotipo e dall'interazione tra geni e ambiente.
• Il DNA è una molecola a doppia elica con due sequenze complementari di basi azotate o nucleotidi legate da legami idrogeno.
• Gli studi di diversità genetica si basano sulla variazione a questi livelli.
• L'RNA copia e legge le informazioni genetiche del DNA e le traduce in proteine.
• Non tutto il DNA viene trascritto, con porzioni non codificanti chiamate introni e porzioni codificanti chiamate esoni.
• Solo le sequenze esoniche vengono tradotte in proteine funzionali dopo lo splicing.
• Gli introni, un tempo considerati "DNA spazzatura", possono avere un ruolo evolutivo e informazioni importanti per il funzionamento dei geni.
• Il codice genetico è ridondante e universale.
• La ridondanza indica che diverse triplette di basi possono codificare per lo stesso amminoacido.
• L'universalità significa che il codice di lettura è lo stesso tra gli organismi, dando trasversalità agli studi genetici.
• Le triplette indicano l'inizio e la fine della traduzione di una proteina.
• Alterazioni nei processi genetici possono portare alla produzione di proteine non funzionali o letali.

Genomica ed Ecologia

• Le modalità di studio genomico hanno avuto un impatto sul numero di pubblicazioni scientifiche.
• Gli studi includono la genetica, il ruolo degli adattamenti evolutivi, l'origine di specie invasive e la presenza o assenza di specie rare.
• L'osservazione è la base di ogni studio, sia in campo che in laboratorio.
• Ciò che viene osservato corrisponde sempre alla differenza genetica.
• L'utilizzo di strumenti molecolari aprono prospettive superiori.
• Le differenze fenotipiche osservate tra i due individui possono essere il risultato di processi come la plasticità fenotipica.

Plasticità Fenotipica

• La plasticità fenotipica è la capacità di un organismo con un genotipo identico di mostrare forme diverse in base alle condizioni ambientali.
• Alcuni tratti rimangono invariati, mentre altri si modulano in risposta ai cambiamenti ambientali.
• Molti tratti sono influenzati dalla plasticità fenotipica, come il sesso nei rettili, i pattern di crescita delle piante, la colorazione dei fiori di ortensia e la dimensione delle foglie.
• La colorazione del piumaggio influenzata dalla dieta ha conseguenze sulla forma fisica e sulla visibilità ai predatori.
• Gli insetti mostrano morfe di colori alari diversi in base alla stagionalità.
• La ricerca continua a studiare i cambiamenti, cercando di comprendere le basi genomiche della plasticità fenotipica.
• Condizioni climatiche stagionali possono portare a strategie vitali differenti, influenzando la riproduzione e la difesa dai predatori.
• Le locuste Schistocerca gregaria possono presentare due morfe distinte: solitaria e gregaria.
• Il meccanismo scatenante è la densità della popolazione, che porta alla formazione di sciami migratori e l'aumento delle dimensioni del cervello.
• Un diverso fenotipo non sempre implica differenze genetiche e viceversa, il quadro è complesso.
• Due morfe di nudibranchi del genere Favorinus comprendono Favorinus (arancione) e Graziana(più rosata).
• La distinzione basata sull'osservazione morfologica oggi si integra sempre più con l'analisi genetica.
• Nonostante vivano nello stesso sito, le diversità di colorazione, supportano l'ipotesi di due specie distinte.
• L'analisi genetica ha studiato queste morfe su diverse aree geografiche per studiarne la storia evolutiva.
• L'analisi filogenetica ha rivelato che la morfa non definisce affatto la specie.
• L'aspetto estetico non sempre riflette la distinzione genetica che supporta una data specie.
• Gli studi di sistematica e tipologia molecolare hanno rivalutato molti caratteri distintivi tra le specie.
• Molte specie criptiche appaiono morfologicamente identiche, ma hanno un'elevata diversità genetica.
• Il fenotipo osservato può derivare da numeri processi e lo studio genetico è il metodo è affidabile per riconoscere le specie.

Meccanismi della diversità genetica

• La diversità genetica è alla base della biodiversità osservabile.
• Organismi fenotipicamente simili possono differire geneticamente, rendendo la diversità genetica una rappresentazione più accurata della biodiversità.
• La variazione delle sequenze di DNA, che avviene in porzioni codificanti e non, porta alla diversità nella produzione di prodotti genici.
• Questi cambiamenti sono legati alla replicazione del DNA, alla mutazione e alla ricombinazione.
• Le mutazioni e la ricombinazione inducono maggiore variazione nella sequenza del DNA, risultando rilevanti su scale temporali evolutive lunghe, piuttosto che per cambiamenti rapidi.
• Le mutazioni sono errori nella replicazione del DNA, spontanee o indotte da fattori esterni ed esse possono portare a sostituzioni, inserzioni o delezioni nella sequenza.
• Nelle sostituzioni si possono avere sinonimi (non alterano) o non sinonimi (alterano l'aminoacido), portando alla formazione di proteine non funzionali o incomplete.
• Inserzioni e delezioni (indels) possono causare un frameshift, portando a proteine non funzionali.
• Le mutazioni partecipano alla costruzione degli orologi molecolari e degli alberi filogenetici che valutano le relazioni genetiche ed evolutive tra specie.
• Modelli che stimano la probabilità di diverse mutazioni nel tempo.
• L'informatica confronta le sequenze, determinando quale modello evolutivo spieghi meglio le differenze osservate.
• Le mutazioni adattative comportano uno stress ambientale in grado di indurre mutazioni fenotipicamente vantaggiose per l'adattamento in alcuni microorganismi.
• Studi di questo tipo hanno delle implicazioni importanti per la comprensione dell'evoluzione della resistenza antibiotica e della patogenicità.
• La ricombinazione è un processo che porta a nuove combinazioni di alleli a partire da un genotipo preesistente; anche eventi come lo stress influenzano la variabilità genetica.
• I processi epigenetici influenzano fortemente la variazione del fenotipo.
• Essi sono cambiamenti chimici del DNA che non alterano la sequenza genetica, ma ne influenzano l'espressione.
• Tre meccanismi epigenetici principali sono la metilazione del DNA, la modifica degli istoni e l'azione di RNA non codificanti.
• Questi cambiamenti alterano la produzione di proteine alterando l'accessibilità di determinate regioni del DNA.
• I processi epigenetici sono influenzati dall'ambiente, come pesticidi, contaminanti chimici, farmaci, dieta e età.
• Le modifiche possono modificare i limiti di tolleranza degli organismi in un dato ambiente.
• L'epigenetica è importante per comprendere le alterazioni fenotipiche e prevedere le traiettorie ecologiche.
• L'epigenetica ha un impatto significativo sul comportamento sociale dei volatili e impatta sulla scelta del partner.
• Gioca una funzione importante nei processi ecologici.
• La variabilità epigenetica si trova in un quadro più ampio di fattori biologici e abiotici che danno forma, tramite forze evolutive, alla diversità riscontrata.
• L'epigenetica è importante anche per la salvaguardia e studi di invasioni biologiche.
• Le invasioni biologiche sono ottimi laboratori per esaminare i procedimenti ecologici/evolutivi.
• Rospi delle canne in Australia dimostra che la specie invasiva può colonizzare rapidamente un nuovo luogo e sviluppare caratteristiche fenotipiche particolari, incrementando la prestazione invasiva.

Marcatori Molecolari

• Sono indagati per via della loro rilevanza nel condurre studi e valutazioni in campo ecologico.
• Ha l'obiettivo di per descrivere e ampliare la base di conoscenza sui processi collegati alla diversità genetica, tramite gli approcci teortici e pratici.
• I meccanismi che le generano a livello molecolare, di sequenza o espressione genetica.
• I marcatori sono un'unità di misura genetica che permette di distinguere una condizione da un'altra.
• Le categorie principali di marcatori sono quelle morfologiche, biochimiche, cromosomiche e molecolari.
• I marcatori morfologici permettono di visualizzare le caratteristiche fenotipiche (colore, forme,taglie).
• Lo svantaggio principale dei marcatori morfologici è il basso livello di informazioni date sulla varietà genetica profonda.
• I marcatori biochimici favoriscono la presenza o la quantità di condizioni particolari, spesso usate dalla medicina nell'identificazione di patologie.
• Non sono adatti per ecologia, in quanto collegate a fattori come sesso e età.
• I marcatori cromosomici valutano le anomalie nella struttura e il numero dei cromosomi ed offrono un livello limitato di modelli di diversità in profondità.
• Marcatori molecolari sono identificati come una sequenza di frammenti del DNA in correlazione con il genoma.
• Esibiscono punti significativi tra diversi organismi e permettono la caratterizazione precisa tramite approcci.
• Essi includono anche quelli che esaminano l'espressione proteica, come gli alleli.
• Gli studi sull'ereditarietà collegate alla variazione dei gruppi sanguigni mostrano esempi di codominanza (tra A e B) e recessività (0 in comparazione ai gruppi A e B).
• Devono avere le caratteristiche chiave che permetteno il calcolo della variazione a livello di DNA: espressione codominante, metodi di saggio non distruttivi , frequenza di notifica bassa, poliformismo significativo, distribzione casuale attraverso il genoma e metodi di analisi standardati.
• Essere polimorfico, facile da riprodrurre e veloce nell'identificazione.
• Mostrare l'eredità dominante.
• Il tessuto scelto dipende dall'organismo e da considerazioni etiche/morali .
• La possibilità di caratterizzare specie diverse e superare solo gli indicatori morfologici.
• Essere analizzati in diverse fasi della vita e mantenuti a lungo nel laboratorio.
• La velocità, il costo e la richiesta di purezza.
• Il DNA non cambia con il tempo, diversamente dagli studi che comprendono delle variabili legate agli studi comportamentali.
• alcuni indicatori "alla vecchia maniera" vengono obsoleto nell'era genomica..
• Sequenziare la produzione finale tramite gli approcci bioinformatici.
• Strumenti economici su scala molecolare sottolineano i procedimenti.
• Capire l'evoluzione tramite il genoma.
• Raganella Sarda mostra una bassa risoluzione iniziale per individuare gli studi sul comportamento.
• legati al livello genetico all'interno dei tessuti molecolari appropriati.
• Permettono di scegliere in base ai progetti di ricerca, e agli obbiettivi da raggiungere.
• Neutrali e adattativi.
• I marcatori neutrali non sono influenzati dalla selezione adattativa e demografia . il linkage desequilibrium, potrebbe portare i marcatori neutrali a comportarsi non realisticamente.
• Adattativi