Lezione 2: Meccanismi dell'Evoluzione PDF

Lezione 1. **Verifica dell'apprendimento** [Test scritto: ] 28 domande chiuse e/o aperte brevi sull'intero programma (max **28/30)** \+ 1 saggio breve su un singolo argomento (compreso nel test scritto) (max **5/30)** = **voto finale in /30** INTRODUZIONE ============ **LUCA** è il primo orga...

Lezione 1. **Verifica dell'apprendimento** [Test scritto: ] 28 domande chiuse e/o aperte brevi sull'intero programma (max **28/30)** \+ 1 saggio breve su un singolo argomento (compreso nel test scritto) (max **5/30)** = **voto finale in /30** INTRODUZIONE ============ **LUCA** è il primo organismo procariote che si è sviluppatp sulla terra 33,5 miliardi di anni fa (bya: billions years ago) **LECA** è invece il nostro antenato comune formatosi 2 miliardi si anni fa, ed è il primo organismo eucariote che si è formato dall'unione di batteri ed archea, che insieme hanno creato un organismo munito di nucleo e mitocondri, avendo quindi un metabolismo e una respirazione cellulare.  **Fotosintesi acquatica**: Gli elettroni sono derivanti dall'acqua; l'acqua libera elettroni e si ossida. I protisti sono unicellulri, eucarioti non fotosinteci che vivono in ambiente acquatico e non sono inseriti in una determinata categoria tassonomica. Si disinguono dalle piante perché i cianobatteri, durante il periodo in cui vi erano solo orgnismi procarioti, hanno sviluppato la fotosintesi ossigenica, ovvero il processo in cui il C dell'atmosfera viene ridotto in zuccheri attraverso la luce e gli elòettroni dell'H~2~O, la quale appunto si ossida, liberando ossigeno. Attraverso questi cianobatteri i procarioti si sono traformati in eucarioti, muniti di un nucleo ben definisto con DNA organizzato in cromosomi, mitocondri e [cloroplasti]. Dal punto di vista qualitativo: ------------------------------- Pubblicazione della ricerca su un giornale prestigioso: "The biomass distribution on Earth" PNAS 2018 Globalmente gli animali si trovano a un livello massimo di 10^0^ (1 GT) e contribuiscono poco come biomassa: funghi (12 GT) e protisti hanno 4 GT di carbonio e le piante 1000 GT, 0,2 GT di virus (coronavirus si stima a 1kg, la maggior parte di virus risiede negli oceani) 550 miliardi di tonnellate di C è la stima della biomassa totale sul pianeta (di cui l'80% sono piante) Grafico che identifica le superfici proporzionali a tali numeri:  [Curiosità su coronavirus]: il virus del covid-19 che ha colpito in due anni moltissime persone è dovuto, secondo uno studio, a 1 kg di virus. 550 Gt biomassa planetaria di cui 80% è dato dalle piante. Il nostro pianeta è abbondantemente occupato ancora da foreste in cui l'organismo albero ha un peso enorme rispetto ad altri organismi (Legno) ### Spiegazione del grafico: Nell'atmosfera terrestre il rapporto tra anidride e ossigeno è di 1 a 5000. Gli organismi eterotrofi fotosintetici assorbono anidride carbonica, acquisiscono energia dalla luce per formare degli zuccheri (molecole organiche) e nel fare questo, essendo fotosintetici, liberano acqua. Gli organismi Aerobi il carbonio è l'unica fonte che viene ossidato e convertito in Co2 combinandolo con l'ossigeno, nel 2021 l'attività globale dei organismi fotosintetici è paragonabile agli organismi eterotrofi (equilibrio planetario). I numeri in rosso sono da leggere in Gt (unità di misura).  Co2: 750 Gt di carbonio sotto forma di CO2 🡪 la temperatura media del pianeta (15°C) è fortemente influenzata da questo valore. Principale gas serra causa effetto serra.  C.C.: cambiamento climatico. La concentrazione di anidride carbonica sta aumentando e quindi aumenta la temperatura media (ciclo). La concentrazione aumenta perché se abbiamo 450 Gt di fotosintetici abbiamo circa 1500 Gt di carbonio organico nel primo strato di sottosuolo (organismi morti) che viene mangiato da batteri e vari organismi, c'è stato un tempo passato in cui tale carbonio venisse sepolta in ambienti semiacquatici e sottratta al metabolismo degli eterotrofi, questa sostanza organica sepolta costituisce 10/5 mila Gt e sono chiamati oggigiorno i combustibili fossili. I combustibili fossili sono poi usati dall'uomo e vengono poi rilasciati circa 10Gt all'anno. Una parte viene sciolta negli oceani e ciò provoca l'acidificazione degli oceani che fanno risentire gli organismi acquatici come i coralli. Le piante non sono irrilevanti. Radendo al suolo le foreste liberiamo nell'atmosfera altri stock di carbonio. Scioglimenti dei permafrost: nelle zone fredde come in Siberia la sostanza organica è bloccato perché è congelato fino a quando non verrà liberato in atmosfera (bombe).  I MECCANISMI DELL'EVOLUZIONE ============================ I meccanismi dell'evoluzione non sono i cambiamenti che riguardano la vita dell'individuo perché' non portano ad alcuna ereditarietà, quindi, per **meccanismo dell'evoluzione** si intende il patrimonio genetico delle popolazioni che varia nel tempo (cambiano quindi le frequenze alleliche). Evoluzione: il patrimonio genetico delle popolazioni cambia nel tempo; cambiano le frequenze alleliche. L'evoluzione è il cambiamento genetico di una popolazione o di un gruppo di individui che si incrociano tra di loro, vivono durante uno stesso periodo e all'interno di una stessa area geografica. I singoli individui in genere non evolvono. Ciò che accade ad esempio all'essere umano si considera uno *sviluppo*, durante cui cambia il fenotipo ma non si può parlare di evoluzione, in quanto tutti noi nasciamo con lo stesso patrimonio genetico e i cambiamenti della vita dell'individuo non hanno conseguenze ereditarie. A noi interessa capire come evolvono le popolazioni, ovvero quando compaiono dei nuovi fenotipi e quindi [variano le frequenze alleliche]. INDIVIDUO (diploidi: 2n) ------------------------ Noi in quanto uomini abbiamo gli stessi geni ma alleli diversi. L'insieme di alleli danno origine al genotipo, mentre l'aspetto dell'individuo è dato dal fenotipo, caratterizzato da determinati caratteri. Gli individui che svolgono una riproduzione sessuale sono diploidi, in quanto i cromosomi sono omologhi, cioè sono formati da due alleli non uguali → eterozigosi → individuo 2n, dove n è l'allele presente in 2 forme in quanto diploide. Nell'uomo n=23 (23 coppie di alleli). Una cellula può dividersi e replicare il suo genoma attraverso la **mitosi**: 2n→ 4n → 2n, 2n (si generano due cellule identiche tra di loro e al genitore, a meno che non si verifichino errori di duplicazione). I gameti (o spore) hanno invece corredo cromosomico n e si replicano attraverso **meiosi**: 2n→ 4n → n, n, n, n → fecondazione → 2n (fenomeno del crossing over). I gameti sono cellule aploidi (frutto della fecondazione). Il patrimonio genetico di un individuo eucariotico è contenuto nel DNA. [Genoma]: 2n dove 2 indica il numero di alleli presenti mentre, n=1 perché è presente un solo tipo di cromosoma (cromosomi omologhi). Negli alleli, posizionati in una regione specifica del cromosoma detti Locus, sono contenuti nel gene le informazioni essenziali che codificano una proteina. Il gene codifica un certo tipo di proteina mentre, le varianti di tale proteina sono codificate dagli alleli (genotipo). [Fenotipo]: aspetto di un individuo (come il genotipo si esprime: es. colore degli occhi).  **PROGENIE:** una cellula può dividersi e replicare il suo genoma attraverso la mitosi, le cellule figlie sono la progenie. Le piante sono capaci di autofecondazioni. Popolazione: insieme di individui che sono sessualmente compatibili, quindi, appartenenti alla stessa specie. **POOL GENICO:** numero di alleli relativi a un certo numero di geni messi in comune. x1, x2, x3: sequenze di DNA che si trovano nello stesso Locus che codificano proteine che hanno lo stesso nome, ma sono solo simili tra loro. Nell\'immagine analizzata si possono osservare tre alleli differenti ma simili (X~1~=12, X~2~=30, X~3~=18) che si possono trovare nel locus di un gene. Le loro frequenze alleliche sono X~1~=0,20; X~2~=0,50; X~3~=0,30. Per calcolare la **[frequenza genotipica]** è necessario fare il rapporto tra gli individui di un certo genotipo e gli individui totali. Per esempio, la frequenza di X~1~ è 3/30 = 0,1. Per determinare invece la **[frequenza allelica]** si esegue il rapporto tra l\'allele analizzato e la somma di tutti gli alleli, ognuno moltiplicato per il numero di volte in cui troviamo l\'allele in un gruppo di individui, per esempio, X~1~= 12/60= 0,2. - **Frequenza genotipica**: frequenza di individui che presentano un determinato genotipo. - **Frequenza allelica**: frequenza di un allele all'interno di una popolazione. La somma delle singole frequenze è 1. Una popolazione evolve solo se le frequenze alleliche variano. Come si verifica l'evoluzione di una specie? In 5 diversi modi. Mutazione, Selezione, Flusso genico, Deriva genica e Accoppiamento non causale. MUTAZIONI --------- Il DNA di una cellula può essere replicato o redistribuito nelle cellule figlie, ma nel momento della replicazione potrebbero avvenire degli errori che causano delle mutazioni. Tali errori di trascrizione possono essere di [copiatura o per motivi ambientali] come l'esposizione a raggi cosmici. Nel grafico sono riportati i dati ottenuti dall'esperimento sull'Escherichia Coli. Nel ciclo di 20000 generazioni sono avvenute 45 mutazioni. L'intervallo di errori (mutazioni) previsti sono stati indicati dalla regione bianca mentre, l'accumulo di mutazioni costanti dalla linea rossa. La mutazione genera variabilità genetica SELEZIONE --------- Non tutti gli individui che formano una popolazione hanno le stesse chances e possibilità di contribuire all'evoluzione (Darwin). Individui della stessa specie, anche con fenotipi diversi, possono riprodursi avvenendo così una [selezione artificiale] (es. Un allevatore decide di far accoppiare gli animali più forti) o [naturale] (se è causata dall'ambiente) Esperimento dei moscerini della frutta in cui si osserva che la selezione agisce sulla variabilità genetica producendo così diversi fenotipi. FLUSSO GENETICO --------------- Modifica la frequenza allelica di entrambe le popolazioni. Migrazione di individui e scambi di gameti tra le popolazioni che possono modificare le frequenze alleliche di una popolazione. Gli individui che arrivano, sopravvivono e si riproducono nel nuovo contesto ambientale, possono aggiungere nuovi alleli al pool genico della popolazione, o cambiare le frequenze di alleli presenti nella popolazione originale. Esempio: Uccelli che portano i propri alleli in un posto in cui non sono ancora presenti, perché isolato. DERIVA GENETICA --------------- Quando una popolazione si riduce drasticamente di dimensione per casualità. [Collo di Bottiglia]: cambiamento naturale. Pochi individui sopravvivono a un evento casuale e il risultato può essere un cambiamento delle frequenze alleliche all'interno della popolazione. [Effetto del fondatore]: cambiamento causato dal fondatore. Pochi individui formano una nuova popolazione. E' impossibile che questi siano in possesso di tutti gli alleli presenti nel pool genetico della popolazione d'origine. ACCOPPIAMENTO NON CAUSALE ------------------------- Selezione di tipo sessuale. L'accoppiamento non causale può modificare le frequenze genotipiche o alleliche. [Intrasessuale]: competizione tra gli individui di sesso maschile per l'individuo femmina, quindi, avviene una selezione degli individui maschi forti. [Intersessuale]: gli individui di sesso maschile al posto di combattere cercano di pavoneggiarsi e di mostrarsi nel migliore dei modi, quindi, è l'individuo femmina che seleziona tra i maschi più attraenti. Nella tipologia intrasessuale, secondo Darwin, la competizione porta a un vantaggio per la sopravvivenza della specie (forza) mentre, nella selezione intersessuale non vi è alcun apparente vantaggio alla sopravvivenza. Osserviamo il problema dal punto di vista opposto: Come NON evolve una popolazione? Equilibrio di Hardy-Weinberg COME NON EVOLVE UNA POPOLAZIONE =============================== Affidiamo a due elaborazioni svolte prima di noi e cioè, a Hardy e Weinberg che sono arrivati alle conclusioni che quando le cinque condizioni possono essere concluse e, quindi, non è sottoposta a mutazioni che compaiono a una velocità rilevante nel periodo considerato, che non è sottoposta a selezione e, quindi, isolata, una popolazione sufficientemente numerosa e che l'accoppiamento sia causale e non ci sia alcun meccanismo di selezione causale. Le farfalle presentano una livrea di colore differente. Ipotizzando che il carattere "colore" delle ali sia causato da un singolo locus genico. Nel pool genico sono presente due alleli A (dominante sull'altro allelo: l'individuo sulla sinistra è AA, marrone) e a. Il rapporto di dominanza è in questo caso di dominanza, ma si potrebbe avere anche un rapporto di codominanza. All'interno di questa popolazione osserviamo che ci sono individui in un numero tale per cui la frequenza del genotipo della popolazione è di 0,45 nel caso di AA, 0,35 aa, 0,20 Aa. Conoscendo la frequenza dei genotipi possiamo calcolare la frequenza degli alleli, ad esempio, sommando la frequenza del genotipo dominante alla metà degli eterozigoti. Frequenza allelica del dominante P: (45\*2+20)/200=0.55 dominante Frequenza allelica del recessivo Q: (35\*2+20)/200=0.45 recessivo La frequenza degli alleli è uguale alla frequenza degli alleli nei gameti se ogni individuo produce un numero x di gameti (identico) e se i gameti possono combinarsi del tutto casuale tra di loro allora possiamo prevedere quale sarà la frequenza genotipica della popolazione nella generazione successiva Per prevedere applichiamo tale ragionamento: calcoliamo il quadrato di Punnet che consente di prevedere la probabilità una volta conosciuta la frequenza degli alleli nei gameti. In una popolazione in equilibrio di Hardy-Weinberg, le frequenze alleliche (p,q) determinano le frequenze genotipiche AA p\^2, Aa 2pq, aa q\^2 La somma di tali variabili deve dare 1: [*p*^2^ + 2*pq* + *q*^2^ = 1]{.math.inline} → [*p* + *q* = 1]{.math.inline} quindi [(*p*+*q*)^2^ = 1^2^]{.math.inline} Ciò che varia sono le frequenze genotipiche. Il passaggio della prima generazione le frequenze genotipiche sono cambiate, mentre quelle fenotipiche no. Se andassimo avanti, ad esempio una 3° generazione, i cui gameti si combineranno in modo del tutto casuale cosa otterremmo? Nella 3°Generazione: 0.30, 0.50, 0.20 essendo p2, 2pq, q2. Prima generazione AA Aa aa ---------------------- ----------- ---------- ----------- Frequenza genotipica 0.45 0.20 0.35 Seconda generazione AA Aa aa Frequenza genotipica 0.30 0.50 0.50 Terza generazione AA Aa aa Frequenza genotipica p^2^=0.30 2pq=0.50 q^2^=0.20 Partendo da una popolazione con frequenze genotipiche casuali, [senza le condizioni evolutive] abbiamo accertato che [le frequenze saranno sempre p^2^+2pq+q^2^]; quindi, nella terza generazione le frequenze saranno identiche alla seconda. Di conseguenza si ha un equilibrio genetico (equilibrio di Hardy-Weinberg) e quindi non si ha evoluzione. Questi genotipi genereranno dei gameti che saranno p e q allora nella nuova generazione, la terza, allora avranno la stessa frequenza genotipiche. In generale, una popolazione nel corso di una singola generazione raggiunge l'equilibrio genetico e cioè, l'equilibrio di Hardy-Weinberg, qualora sia sottoposta all'assenza di forze evolutive. APPLICAZIONE DELL'EQUILIBRIO DI HARDY-WEINBERG: ----------------------------------------------- La [fenilchetonuria] è una malattia genetica molto rara. Esiste un locus nel nostro genoma in un determinato cromosoma in cui c'è un locus in cui vi è un gene che codifica una proteina: fenilalanina convertita in una tirosina. Per gli esseri umani la fenilalanina è un amminoacido essenziale che introduciamo con la dieta. Purtroppo, nella popolazione sono comparse delle mutazioni per cui esistono molti alleli per cui la proteina che viene codificata dall'allele a non è funzionale, quindi, gli individui che hanno aa non hanno alcuna possibilità di produrre tale enzima. Se un neonato, dopo i primi giorni della nascita, ha un fenotipo molto severo e deve essere diagnostica immediatamente perché si può agire semplicemente sulla dieta evitando cibi prevalentemente di origine animale si evita del problema di tossicità di fenilalanina che ha poi degli effetti gravi. In Italia, ha un'incidenza di 1 su 10.000 persone (aa). Quanti sono allora gli Aa? perché nell'eventualità di un rapporto si ha il 25% di probabilità che il neonato sia malato. +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | | **AA** | **Aa** | **aa** | +=================+=================+=================+=================+ | Fenotipo | sani | sani | PKU | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Frequenza | ? (0.99)^2^ | ? | 1/10000=10^-4^= | | genotipica | | 2pq=2x0.99x0.01 | 0.0001 | | | | = | | | | | | | | | | 0.0198[≈]{.math | | | | |.inline}0.02 | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ | Frequenze | p=1-q=0.99 | \... | q^2^=10^-4^ | | alleliche | | | | | (ipotesi: | | | q=10^-2^=0.01 | | equilibrio HW) | | | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ (solo nell'ipotesi di Hardy-Weinberg p^2^ e q^2^ sono frequenza genotipica) Il flusso genico non è considerabile. La riserva degli alleli svantaggiosi non risiede tanto nelle persone con alleli aa, ma nelle persone portatrici Aa che contribuiscono alla generazione successiva in maniera più forte. Si tratta di una selezione casuale perché nessun individuo decide di accoppiarsi secondo tale caratteristica, ma in base a preferenze naturali. [Le frequenze geniche tendono a rimanere costanti anche nelle generazioni successive.] ### CONSIDERAZIONI GENERALI: La selezione agisce sul fenotipo, sulla capacità dell'individuo di contribuire sulla generazione successiva e quindi indirettamente sul genotipo. Fitness: contributo riproduttivo di un determinato fenotipo sulla generazione successiva 1. Sopravvivenza: un individuo che ha una elevata probabilità di raggiungere l'età fertile contribuirà alla generazione successiva 2. Numero di discendenti: fertilità, capacità di poter generare in maniera significativo progenie. **Fitness** = probabilità di [sopravvivenza] x numero medio [discendenti] Fitness relativa: contributo riproduttivo (fitness) di un fenotipo rispetto a quello di altri fenotipi. Abbiamo parlato di caratteri mogenici o qualitativi e caratteri che possono essere presenti o assenti. Non tutti i nostri geni sono capaci di determinare dei geni che esprimono dei caratteri così rigorosi, quindi, esistono dei caratteri quantitativi come, ad esempio l'altezza delle persone, che è un carattere influenzato da molti loci genici. La selezione può agire in modi differenti sui **caratteri quantitativi** (influenzati dagli alleli di più di un locus): selezione stabilizzante, selezione direzionale e selezione divergente. ### SELEZIONE STABILIZZANTE: La curva tratteggiata indica gli individui in funzione del fenotipo rappresentata come frequenza. Nel secondo grafico, la mortalità dei neonati in base al peso: per il peso minore la mortalità potrebbe essere dovuto al fatto di nascere prematuri mentre, quelli con peso maggiore per complicanze durante il parto. Nella selezione stabilizzante ci possono spesso essere delle condizioni che possono sfavorire gli individui con un carattere estremo. Gli alleli degli individui che hanno fitness maggiore contribuiranno sempre di più alla generazione successiva e, quindi, si arriverà sempre più a una stabilizzazione e una riduzione della variabilità nelle popolazioni. ### SELEZIONE DIREZIONALE: La selezione direzionale si ha quando gli individui prossimi a un estremo contribuiscono alla generazione successiva con un numero di figli più elevato rispetto agli altri individui, spostando così il valore medio di un determinato carattere nel grafico. Nella seconda immagine si osserva come nei branchi selvatici negli USA un paio di lunghe corna significava un vantaggio nella difesa dei giovani vitelli, quindi, le vacche con corna lunghe avevano maggiori probabilità di successo nell'allevamento dei loro vitelli. ### SELEZIONE DIVERGENTE: La selezione divergente favorisce le varianti opposte di una popolazione. Questo comportamento crea una selezione di tipo bimodale e cioè, con due picchi massimi. Nel secondo grafico viene analizzato le dimensioni del becco di un fringuello dell'Africa occidentale. Gli uccelli con becchi più grandi possono facilmente rompere i semi duri delle erbe palustri (carici), invece, gli individui con becco piccolo si nutrono facilmente dei semi morbidi. Per questo una maggior probabilità di creare una discendenza sono quegli individui che hanno il becco delle dimensioni ideali per mangiare i semi o troppo duri o troppo morbidi come mostrato nel secondo grafico, mentre, quelli con dimensioni intermedie non si possono cibare in maniera efficiente e faticano a sopravvivere. Lezione 3. COME LA VARIABILITA' GENETICA VIENE MANTENUTA? ---------------------------------------------- Perché gli alleli svantaggiosi non vengono persi? La variabilità genetica ha valore, ci sono valori e dati sperimentali che dimostrano che avere un'ampia variabilità genetica è positivo. ### -Alleli neutrali: mutazioni neutrali [non influenzati dalla selezione, contribuiscono alla variabilità genetica.] Versione allelica nella quale la selezione non opera perché è irrilevante in quella selezione. Quando parliamo di alleli si tende a riferirsi a Mendel e, quindi, senza volere, a immaginare un determinato locus genico in cui ci sia un allele dominante e uno recessivo, mentre, oggi giorno si fa riferimento a una determinata regione in cui è presente una raccolta di informazioni nelle basi che compongono il DNA che possiamo sequenziare. Non esiste un genoma uguale per tutti, quindi, a livello molecolare, esistono numerosissimi alleli che sono neutri rispetto alla selezione. Infatti, alleli neutrali si accumulano in una popolazione nel corso del tempo attraverso le mutazioni, fornendo alla popolazione una notevole variabilità genetica. Gran parte della variazione fenotipica che possiamo osservare non è neutrale. Tuttavia, oggi si è in grado di misurare la [variabilità neutrale a livello molecolare] che compone il genoma di un individuo. ### -Popolazioni geograficamente distinte: [sottoposte a diversa pressione selettiva.] Gran parte della variabilità genetica nella specie si conserva sotto forma di differenze tra i membri che vivono in luoghi diversi (quindi, popolazioni distinte) ### -Ricombinazione sessuale: Partendo dall'assunto che la ricombinazione genetica non è uno dei cinque punti previsti per poter ipotizzare che una popolazione si trovi all'equilibrio genetico, questo significa che la ricombinazione sessuale non modifica le frequenze alleliche. [Può darsi che non cambino le frequenze alleliche, ma che cambino quelle genotipiche].  Il ruolo della produzione sessuale nella variabilità viene attribuito a quello che succede durante la **[meiosi]**. Se ammettiamo un singolo individuo (eucariote unicellulare) la singola madre, in questo caso diploide (3 cromosomi rossi e 3 cromosomi blu) si formano delle coppie di cromosomi omologhi (tetradi) che vanno a distribuirsi sul piano equatoriale (setto di divisione) poi il sistema di microtubuli separa le coppie che possono essere casualmente spostate a destra o a sinistra: una serie è derivata dal gamete maschile e una serie derivata dal gamete femminile. Perché questo avviene? [1 motivo)] I gameti formati sono rimescolati: assortimento casuale che crea set di cromosomi un po' rossi e un po\' blu, quindi, combinazione di materiale genetico portato da due gameti diversi. [2 motivo)] Possibilità di crossing over e, quindi, scambio di patrimonio genetico, e cioè una porzione rossa mischiata a una porzione blu all'interno di uno stesso cromosoma. La ricombinazione sessuale presta però almeno tre [svantaggi]: - La ricombinazione spezza le combinazioni adattive di geni. - La ricombinazione riduce il tasso con il quale le femmine trasmettono i geni alla loro prole. - La ripartizione della prole in sessi separati riduce notevolmente il tasso complessivo di riproduzione. In termini evolutivi questi svantaggi a breve termine vengono surclassati dai vantaggi che la ricombinazione sessuale causa: la ricombinazione sessuale genera nuove combinazioni genotipiche e aumenta il potenziale evolutivo di una popolazione. Tra i possibili vantaggi della ricombinazione sessuale \--\> cromosomi omologhi (diploidia) \--\> riparazione DNA: confronto fra i due cromosomi in modo tale da poter cercare il danno nel suo omologo e correggere il danno copiando la sequenza intatta. Nel figlio, anche se i genitori fossero geneticamente identici purché non siano completamente omozigoti, avremo una discendenza in cui vengono generati numerosissimi fenotipi diversi da quelli dei genitori. LIMITI DEL CAMBIAMENTO EVOLUTIVO: i vincoli di sviluppo. -------------------------------------------------------- Le soluzioni proposte dall'evoluzione sono quelle originate in base a ciò che era già preesistente. In un ambiente acquatico nel corso della loro evoluzione alcuni pesci hanno trovato vantaggioso vivere appoggiati al fondale marino. Pesci che prima non esistevano con questo tipo di adattamento esistevano prima solo sotto forma di animali che vivevano in acqua. Attualmente nella biodiversità attuale osserviamo due tipi di pesci che hanno tale caratteristica: razza, pesce cartilagineo, che è discendente dagli squali. L'adattamento è dovuto forse al fatto che lo squalo discendente aveva una corporatura non idrodinamica e, quindi, trovando vantaggioso appoggiarsi con la pancia sul fondale marino gli alleli che rispondevano a tali caratteristiche si sono evolute in modo tale che la razza potesse appoggiarsi con la pancia mantenendo però la bocca sotto la pancia a differenza degli occhi. I pesci scheletrici invece, nonostante avessero lo stesso scopo di esplorare i fondali marini non potevano appoggiarsi di pancia, quindi, si sono evoluti in modo tale da appoggiarsi col fianco (come la passera di mare) mantenendo però la bocca orizzontale come anche gli organi mentre, uno dei due occhi per motivi evolutivi si è spostato nello stesso fianco del secondo occhio. LA FILOGENESI ============= Il sequenziamento dei genomi completi di molte specie hanno confermato che tutte le forme di vita sono correlate da un antenato comune. Questo aspetto della vita spiega perché i principi generali della biologia si possano applicare a tutti gli organismi. La filogenesi è la storia evolutiva dei rapporti evolutivi tra organismi o gruppi di organismi simili con caratteristiche assimilanti (taxon/taxa). Un albero filogenetico è un diagramma che rappresenta la ricostruzione di tale storia. Si può definire come una rappresentazione grafica dell'evoluzione della biodiversità e trovare un progenitore comune. **Taxa** (o taxon): gruppo di organismi simili che in qualche modo sono assimilate da determinate caratteristiche. **Tassonomia**: classificazione \--\> nomenclatura binomiale: scrittura in corsiva in cui la prima parola ha la lettera maiuscola e indica il genere, la seconda parola la specie. [Specie, Genere, Famiglia, Ordine, Classe, Phylum, Regno, Dominio] **Filogenesi**: albero filogenetico. Spiegare la biodiversità in termini evolutivi Luca: archea, batteri \--\> Leca: biodiversità restante per endosimbiosi. **Dicotomie**: nodi in cui c'è stata una separazione evolutive. Gli alberi filogenetici sono usati comunemente per descrivere la storia evolutiva di specie, popolazioni e geni. Per molti anni questi diagrammi sono stati costruiti basandosi sulle caratteristiche comportamentali morfologiche, e biochimiche, ma ora i biologi sono in grado di ricostruire la storia della vita molto più in dettaglio. Negli alberi filogenetici si chiama linea evolutiva una serie di antenati delle popolazioni che ne discendono; una linea evolutiva è disegnata proprio come una linea sull\'asse del tempo. **[Che cosa accade quando una linea evolutiva si divide?]** Per esempio, una barriera geografica può isolare una popolazione originaria in due popolazioni discendenti che, alla fine, non sono più in grado di riprodursi tra loro. In un albero filogenetico, un evento di questo genere si rappresenta con una [ramificazione della linea evolutiva] che chiamiamo nodo. Ognuna delle popolazioni discendenti dà quindi origine a una nuova linea evolutiva, che via via acquista nuove caratteristiche. Un albero filogenetico può essere usato per rappresentare la storia evolutiva di qualsiasi forma di vita, da un grande gruppo evolutivo a un piccolo gruppo di specie strettamente affini oppure, in alcuni casi, anche la storia di individui, di popolazioni o di geni all\'interno di una specie. L\'[antenato comune] di tutti gli organismi presi in considerazione costituisce la radice dell\'albero. La posizione temporale di un evento di divergenza in una linea evolutiva è indicata dalla posizione di un nodo sull\'asse del tempo (che a volte viene chiamato asse della divergenza). Questi punti di divergenza rappresentano gli eventi in corrispondenza dei quali una linea evolutiva si è divisa in due. Questo può corrisponde un [evento di speciazione] (se abbiamo a che fare con un albero filogenetico di specie), a [un evento di duplicazione genica] (in un albero di geni) oppure a un [evento di trasmissione] (in un albero di ceppi virali che si trasmettono attraverso una popolazione di organismi ospiti). L\'asse del tempo può avere una scala esplicita oppure mostrare semplicemente la posizione relativa nel tempo degli eventi di divergenza. Per noi l\'ordine dei nodi lungo l\'asse orizzontale (tempo) ha un significato, ma la distanza verticale fra i due rami non ne ha alcuno. Le distanze verticali sono state scelte solo per rendere l\'illustrazione chiara e leggibile e non rappresentano il grado di somiglianza o di differenza fra i diversi gruppi. Si noti anche che [le linee evolutive possono venire scambiate fra loro in corrispondenza dei nodi dell\'albero], per cui l\'ordine con cui si susseguono dall\'alto al basso è sostanzialmente arbitrario. L\'informazione che conta, nell\'albero, è l\'ordine temporale in cui si susseguono gli eventi di divergenza, poiché questo indica quando due linee si sono separate dal loro ultimo antenato comune. Qualsiasi specie o gruppo di specie che noi designiamo con un nome è detto taxon (plurale taxa). *Taxon (Taxa): unità tassonomica (gruppo omogeneo di organismi). Un taxon si dice clade se comprende un singolo antenato e tutti i suoi discendenti evolutivi.* Esempi familiari di taxa sono la specie umana, i primati, i mammiferi, i vertebrati. Si noti che, in questo esempio, ognuno dei taxa elencati è anche membro del taxon successivo, più inclusivo. Ogni taxon che consiste di un antenato e di tutti i suoi discendenti evolutivi è detto clade. I cladi possono essere identificati scegliendo un punto qualsiasi su un albero filogenetico e seguendo tutte le linee evolutive che discendono da quel punto fino all\'estremità dei rami terminali. Due specie delle quali l\'una è il parente più stretto dell\'altra sono chiamate [specie sorelle]; allo stesso modo, due cladi ognuno dei quali è il parente più stretto dell\'altro sono [cladi fratelli]. Se consideriamo l'albero filogenetico come il gruppo che stiamo studiando, il carattere numero 1 viene considerato [carattere ancestrale], cioè il carattere presente nell'antenato del gruppo.\ Nel momento in cui si definisce il carattere ancestrale, possiamo individuare i [caratteri derivati], cioè quelli che compaiono successivamente e quindi sono assenti nell'antenato. I caratteri derivati in alcuni casi possono essere condivisi da tutti i discendenti. Facendo riferimento al disegno, nel presente possiamo osservare che A, B, C, D, E hanno determinati caratteri, ad esempio 5 e 6 sono caratteri derivati che sono condivisi da entrambe le specie D ed E: questo potrebbe indicare che derivano dall'antenato comune. Questo carattere diventa una **sinapomorfia** perchè [caratterizza tutti i discendenti]. Freccia verde: D ed E potrebbero invertirsi. Politomia: nel dubbio di non conoscere le sequenze di dicotomia, si rappresenta così rinunciando alla ricostruzione. In questo caso, ad esempio, potrebbe essere in questi due modi: Immagine che contiene freccia Descrizione generata automaticamente  ### Riassumendo: Carattere ancestrale: di un gruppo, è presente nell'antenato del gruppo. Caratteri derivati: caratteri che compaiono successivamente alle linee ancestrali. I caratteri derivati in alcuni casi possono essere condivisi in tutti i discendenti. 5,6 sono caratteri derivati, condivisi dalla discendenza e che,quindi, può essere attribuito all'antenato comune: **SINAPOMORFIA**. Sull'asse verticale non è presente alcun valore, quindi, non diamo significato alle varie vicinanze delle specie o più in generale dei taxa. Rinunciamo a interpretare ciò che è successo. Tutte le volte che questo non viene specificato (albero filogenetico in un tempo preciso) la formazione dei nodi ci dice solo che ha dato origine a due linee evolutive è nata prima. Applicazione: ------------- Immagine che contiene tavolo Descrizione generata automaticamente *[Questo albero suggerisce che i coccodrilli, e quindi i rettili, discendano più dagli uccelli che dalle lucertole.]* Costruendo quest'albero abbiamo in realtà considerato delle [ipotesi], in quanto consideriamo che quando un carattere compare non va più via e che compaia solo una volta: non abbiamo quindi previsto degli eventi di evoluzione convergente e di inversione evolutiva. Tutti questi caratteri derivati sono quindi considerati sinapomorfie, perché nel momento in cui compaiono li ritroviamo in tutta la discendenza e si possono ricondurre all'antenato comune. Se sono sinapomorfie, non sono omoplasie (caratteri simili ma derivati dallo stesso progenitore ma non per un ereditarietà del carattere). Inoltre, guardando questo albero possiamo scegliere un gruppo di interesse, di cui fanno parte i caratteri che vogliamo studiare e si chiamerà ingroup (in questo caso sono i vertebrati con mascella) mentre l'outgroup è filogeneticamente affine ma esterno al gruppo di interesse (lampreda: vertebrato senza mascella) che serve però per definire la radice dell'albero. Principio di parsimonia: costruendo un albero filogenetico si decide che nel dubbio, il miglior albero genetico si devono usare il minor numero di omoplasie. ### Riassumendo: In questo grafico non abbiamo previsto eventi di inversione evolutiva e di presenza di un carattere che ritorna (no evoluzione convergente). **Principio di parsimonia**: il miglior albero filogenetico è quello con il minor numero di omoplasie. Omoplasie diverso da sinapomorfia: non deriva dall'ereditarietà del carattere stesso. - **Ingroup**: gruppo di interesse che si sta studiando. - **Outgroup**: (lampreda) affine, ma filogeneticamente esterno al gruppo di interesse (ingroup). La radice si trova sempre in corrispondenza che ha generato la dicotomia tra ingroup e outgroup. Primo problema: non tutte le somiglianze sono una prova di parentela, evoluzione convergente. --------------------------------------------------------------------------------------------- Confrontiamo due organismi come i pipistrelli (mammiferi) e gli uccelli: hanno un progenitore comune abbastanza comune.  Mentre le ossa sono certamente omologhe, le ali sono completamente diverse, quindi, sono delle omoplasie: sono simili, ma non omologhe. Per questo motivo riteniamo che il progenitore comune abbia tale sistema di ossa, ma non abbia le ali. Quindi, uccelli e pipistrelli hanno sviluppato l'ala in maniera totalmente differente e autonomamente. Tetrapodi: formazione di due paia di arti: es. salamandra. Pipistrello e balena hanno entrambi due paia di arti che hanno sviluppato in maniera differente: ali e pinne. La comparsa dell'ala si è sviluppato nel corso dell'evoluzione degli uccelli, mentre la comparsa dell'ala nei pipistrelli è il risultato di un'evoluzione di solo una piccola parte dei mammiferi e, per questo motivo, anche se hanno entrambi le ali sono comunque diverse. Secondo problema: inversione evolutiva -------------------------------------- Le balene sono dei mammiferi che hanno sviluppato dei gli arti in pinne (vedi il caso dei pipistrelli) e che presentano una inversione evolutiva perché il suo progenitore comune era un organismo che viveva nella terraferma. Ricomparsa di un carattere ancestrale che è stata riprodotta da capo dalle balene, quindi, non si può parlare di un carattere vecchio. L'obiettivo di chi studia la biodiversità e l'evoluzione degli organismi è la creazione di un albero filogenetico universale. L'albero filogenetico può essere costruito anche a livello molecolare. L'esperimento rappresentato nel grafico è lo studio di un virus, il batteriofago, che infetta le cellule batteriche, ed è costituito da acidi nucleici e proteine. I virus si riproducono all'interno delle cellule, quindi, possiedono un genoma seppur piccolo (A,T,G,C). In laboratorio per coltivare delle colonie virali bisogna coltivare delle colonie infettate da virus. In questo caso si è svolto un caso di filogenesi sperimentali e osservare se la ricostruzione dell'albero genetico che veniva fatto sulla base delle diverse linee di virus corrispondesse a quello sperimentale. In una capsula abbiamo delle colonie batteriche infettate da virus (crescita del DNA virale). Partendo da un antenato virale comune e cioè, una singola colonia batterica, viene separato in due porzioni in cui una viene lasciata crescere in condizioni standard, la seconda porzione viene, invece, sottoposta a condizioni mutagene (comparsa di mutazioni per via fisico o chimico). Dopo un tot. di generazioni virali si arriva a un punto in cui lo sperimentatore ferma il processo e innesca una dicotomia separando la colonia mutagena in due colonie e sempre sotto le stesse condizioni mutagene le lascia replicare autonomamente. Ripetendo poi il processo dopo un ulteriore tot. di generazioni virali ottenendo così alla fine 9 linee. Mentre la prima è quella originale, le otto linee derivate sono originate per mutagenesi indotta. La domanda sorta dagli sperimentatori è stata la seguente: Se io sequenziassi (leggo) il DNA delle varie linee sarei capace di ricostruire l'albero filogenetico sperimentale? Immagine che contiene testo, freccia Descrizione generata automaticamente  Principio di massima verosimiglianza: tiene in considerazione delle informazioni a livello molecolare, per esempio se una base azotata si converte più facilmente in un'altra oppure se in una sequenza di DNA avviene un inserzione o una delezione (sembrano cambiate tutte le basi ma in realtà è solo spostata di una). Facendo questo, possiamo prevedere con una ragionevole probabilità di essere nel giusto quando affermiamo com'era un organismo in un determinato momento e in una determinata condizione. Possiamo quindi individuare i progenitori di una specie che ci interessa. Questi lavori sono spesso fatti con sequenze di proteine, ogni 3 basi azotate si ha l'informazione dell'amminoacido (che sono 20). ANCESTRAL PROTEINS RESURRECTION ------------------------------- Il dna viene trascritto in m-rna e di nuovo con un alfabeto di basi (4 lettere) viene tradotto da dei ribosomi per produrre la proteina con la regola che una tripletta corrisponde a un amminoacido (20 amminoacidi).  Esistono dei modi per inserire il plasmide nelle cellule batteriche, solitamente nell'Escherichia Coli. Passare da DNA a proteina è un processo lungo, mentre il contrario no perché nel DNA sono presenti numerosi mutazioni passive che non cambiano l'amminoacido in sé. LA TASSONOMIA ------------- classificazione degli organismi in specie, genere, famiglia, ordine, classe, phylum, regno, dominio. Es. Arabidopsis *thaliana* La specie è sempre definita con due parole ([G]enere+*specie*: nomenclatura binomiale). Ha un significato biologico e cioè, un gruppo di organismi che possono fecondarsi tra di loro (non è detto che lo facciano es. sono distribuiti su continenti diversi). Questa definizione ha dei limiti perché non è adatto ai procarioti. Nel caso delle piante tutte le famiglie hanno un'estensione in -aceae e gli ordini -ales. Invece, negli animi le famiglie in -ide mentre negli ordini possono cambiare. Non esistono regole precise al di fuori della specie.  Gli alberi filogenetici sono alberi che determinavano delle relazioni che in molti casi sono corrette però hanno creato delle divergenze tra clavi. Nella moderna classificazione biologica tutti i taxa dovrebbero essere monofiletici, gruppo di qualsivoglia dimensione che presentano un progenitore comune. - **Gruppo monofiletico:** Gruppo con progenitore comune - **Gruppo polifiletico:** Gruppo che presenta origini diversi. - **Gruppo parafiletico:** Gruppo che potrebbe avere una sua logica dal punto di vista dell'osservazione morfologica, tuttavia non ha un antenato comune è un gruppo diverso da quello mofiletico. Un gruppo che non contiene un antenato comune è detto **parafiletico**. ### Rappresentazione di un albero filogenetico: Ratto, topo, coniglio: sono i più vicini all'uomo. Tornando indietro di un altro nodo notiamo che i "parenti" più vicino all'uomo sono i rettili. SPECIAZIONE =========== Gli eventi di speciazione sono eventi in cui si formano delle nuove specie. Dal punto di vista morfologico: La biodiversità che ci circonda non è una linea continua anche se tendono a essere simili gli organismi. Nel pianeta ci sono circa 10 milioni di specie di cui solo 2 milioni siamo riusciti a descriverne le caratteristiche. Dal punto di vista biologico: Le specie sono quei gruppi di popolazione naturale all'interno del quale avvengono o possono avvenire degli incroci e sono isolati da altri gruppi del genere (Ernest Mayr) Dal punto di vista evolutiva: La rappresentazione biologica di specie lascia passare erroneamente una staticità che, invece, nella rappresentazione grafica viene colmata con l'identificazione di nodi: speciazione in due specie figlie. La speciazione non è mai un evento in cui c'è una specie originale e una sua derivazione, ma due specie nuove nate da una vecchia che ora non esiste più. Come possiamo immaginare la formazione di nuove specie? ------------------------------------------------------------------------------ - ### Speciazione allopatrica: In alcuni casi, eventi fisici di varia natura hanno separato individui della stessa specie e nel corso del tempo si sono accumulati delle differenze tali da renderle sessualmente incompatibili. - ### Speciazione simpatrica: #### Modello Dobzhansky-muller In primo luogo, esso presume che una singola popolazione ancestrale venga suddivisa in due popolazioni figlie (seguito a un evento fisico di divisione), che poi si evolvono come linee evolutive indipendenti. In una delle linee evolutive discendenti compare un nuovo allele (A) che prima o poi si fissa. Nell\'altra popolazione, un diverso allele nuovo (B) viene fissato in un locus genico differente. Nessuno dei due alleli nuovi nell\'uno o nell\'altro locus causa una perdita di compatibilità riproduttiva. Tuttavia, le due forme nuove di questi due geni diversi non sono mai state presenti insieme nello stesso individuo o nella stessa popolazione.\ È possibile che le nuove proteine codificate dai due nuovi alleli non siano compatibili tra loro. [Se gli individui delle due linee tornano a vivere insieme dopo che in ciascuna linea è avvenuto il cambiamento genetico, essi possono essere ancora in grado di incrociarsi, o ibridare]. Tuttavia, la progenie ibrida può presentare una nuova combinazione di geni che è funzionalmente inferiore, o anche letale. Questo non accadrà con tutte le nuove combinazioni di geni ma, nel corso del tempo, due linee isolate accumulano molte differenze alleliche in molti loci genici. Negli ibridi, alcune combinazioni di questi geni differenziati non funzioneranno bene insieme. Pertanto, tra le due popolazioni isolate si svilupperà nel corso del tempo un'incompatibilità genetica. La speciazione può essere anche di differente natura, un sottogruppo di una popolazione dà origine a una nuova specie senza necessità di isolamento geografico. Ad esempio, il moscerino depone le sue uova sul biancospino basandosi sul suo ciclo biologico (le larve hanno bisogno del frutto per la loro sopravvivenza). Negli Stati Uniti è stato introdotto la coltivazione del melo: odore diverso e stagionalità diversa (i frutti prodotti prima), quindi, molti moscerini si sono adattati al ciclo del melo, selezione diversificante. Si prevede (e sta già avvenendo) che avverrà una diversificazione a causa dei diversi tempi di maturazione. Immaginiamo una specie che contenga due locus omozigoti rappresentati da due alleli. Questo ha come conseguenza che nella discendenza ci sarà una stessa sequenza genetica. Immaginiamo che avvenga una speciazione. Nelle varie popolazioni compare nella prima popolazione una mutazione che fa modifica un allele da a a A (biancospino), mentre, nella seconda popolazione una mutazione nel secondo locus b a B (melo). La selezione naturale favorisce la fissazione dell'allele A e cioè, che è vantaggioso mantenere tale allele, quindi, si rende probabile che in tutta la popolazione diverrà AA. Nell'altra popolazione avverrà l'inverso, viene favorita la fissazione dell'allele B. Terza condizione possibile, ma non obbligatoria: interazione tra i due alleli. E' possibile che l'allele A sia incompatibile con l'allele B (biologicamente incompatibili) allora abbiamo un modello che spiega l'evento di speciazione. Si creeranno due specie quando avremo individui solo AAbb o aaBB. **Speciazione per fusione centrica:** in questa versione cromosomica, in due linee imparentate si verificano due fusioni centriche indipendenti di cromosomi acrocentrici. **Differenza tra meiosi e mitosi**: nella meiosi nella prefazione I c'è la formazione delle tetradi. Esiste un'altra modalità di speciazione simpatrica che ha avuto un ruolo importantissimo nell'evoluzione delle piante.  La fitness degli organismi diploidi prenderà sopravvento sugli organismi aploidi, mentre ciò che è sterile è perché non è stabile. A seguito delle meiosi i gameti sono in grado di fecondarsi facilmente, pur potendo formare dei gameti essi avranno una composizione variabile cromosomica che produrrà una progenie ibride. Trascrittomi: Sequenziato l'RNA codificato da tutti i geni di 1000 specie diverse, 1000 individui diversi scelti nell'ambito delle piante. In seguito, è stato scritto un albero filogenetico dove il presente è verso l'esterno. I tratteggi rossi sono degli eventi di autopoliploidia: WGD (Whole genom duplication) e cioè, la duplicazione dei cromosomi in una singola specie. Solo perché sono avvenute quattro autopoliploidie non significa che la pianta Arabhibsis Thaliana sia esadecaploide. #### Poliploidia Il meccanismo di speciazione simpatrica, tuttavia, è rappresentato dalla poliploidizzazione, cioè la [duplicazione] (o moltiplicazione) [dell'intero corredo cromosomico portato da un individuo]. La poliploidia può derivare dalla [duplicazione dei cromosomi in una singola specie] (autopoliploidia) o dalla [combinazione dei cromosomi di due specie diverse] (allopoliploidia). Lo zigote ibrido può essere formato ed essere vitale nella misura in cui sia compatibile, simile all'informazione genetica dei tre cromosomi verdi, ma se queste specie sono molto simili tra di loro allora può essere il caso che anche l'informazione genetica sia simile e, quindi, compatibili. Si possono formare in queste zone di confine tra specie simili degli ibridi vitali e cioè, può vivere come cellula, ma il problema è quando la nuova cellula deve andare incontro di meiosi non ce la farà mai perché non si possono formare le tetradi di cromosomi omologhi, quindi, sono o quasi o completamente sterili. Tuttavia, in questa cellula con 5 cromosomi diversi può cadere in errore mitotica e, quindi, duplica i cinque cromosomi ottenendo cinque coppie di cromosomi identici. Quell'ibrido diventa sterile quando subisce le conseguenze dell'errore mitotico (o anche meiotico) comportandosi come un organismo diploide. La poliploidia rappresenta un vantaggio a seguito delle piante coltivate. Scala temporale (10 milioni di anni).Milioni di anni fa sono esistite due specie: t. uratru e t. aegilos entrambi diploidi (n=7) Il genoma è rappresentato da una serie di cromosomi aploidi (AA: rossi diverso BB: verdi). Essendo simili hanno generato un ibrido per allopoliploidia e cioè, t. turgidum (AABB) che ha dato a sua volta origine a una nuova specie, la sottospecie turgidum dicoccum che era sempre AABB, ma di tipo verde. ##### Autopoliploide Un individuo **autopoliploide** si origina, per esempio, quando due gameti diploidi accidentalmente non ridotti ad aploidi si combinano per formare un individuo tetraploide. Individui tetraploidi e diploidi della stessa specie sono riproduttivamente isolati, perché la loro [prole ibrida è triploide]. Anche se questi figli sopravvivono, sono solitamente [sterili], perché non sono in grado di generare gameti normali, in quanto i loro cromosomi non segregano in modo regolare durante la meiosi (essendo 3). **[Quindi, un individuo tetraploide non può produrre progenie fertile accoppiandosi con un individuo diploide, ma può farlo se si autofeconda o se si accoppia con un altro tetraploide]**. Pertanto, la poliploidia può risultare un\'importante eccezione alla regola generale secondo la quale la speciazione è un processo graduale. ##### Allopoliploide **Allopoliploidi** possono essere prodotti quando si incrociano individui di [due specie diverse ma strettamente affini]. Tale ibridazione spesso sconvolge la meiosi normale e può provocare un raddoppio cromosomico. Spesso gli allopoliploidi sono fertili perché ognuno dei cromosomi ha un partner quasi identico con il quale associarsi durante la meiosi. Due specie molto simili potrebbero avere informazioni genetiche compatibili e possiamo riconoscere che si possono formare degli ibridi vitali. L'[ibrido sterile con 5 cromosomi] fa la mitosi tranquillamente, ma quando farà la meiosi non ce la farà perché non si possono formare le tetradi di cromosomi omologhi. Questo ibrido potrebbe quindi essere vitale ma sterile. Tuttavia, può succedere che questa cellula con 5 cromosomi diversi vada incontro a un errore mitotico o meiotico. Quindi, in seguito a un errore mitotico, i centromeri si staccano e otteniamo 5 coppie di cromosomi omologhi (identici). Questa duplicazione risolve il problema: diventa fertile grazie all'errore mitotico e si comporta come un organismo diploide avendo delle coppie omologhe (all'inizio identici poi si differenzieranno ma potranno comunque appaiarsi e procedere quindi a meiosi). La speciazione per poliploidia è stata particolarmente importante nell\'evoluzione delle piante, ma ha contribuito anche alla speciazione in alcuni animali. Nascono nuove specie per poliploidia più facilmente tra le piante che tra gli animali, perché molte specie di piante possono riprodursi per autofecondazione. I botanici stimano che [circa il 70% delle specie di piante a fiore e il 95% delle specie di felci siano il risultato di eventi recenti di poliploidizzazione]. Alcune di queste specie derivano dall\'ibridazione tra due specie, seguita da duplicazione cromosomica e da autofecondazione; altre specie si sono diversificate a partire da antenati poliploidi, e così le nuove specie condividono serie duplicate dei cromosomi dei loro antenati. Nuove specie emergono per poliploidia più facilmente tra le piante che non tra gli animali, perché le piante di molte specie possono riprodursi per autofecondazione. Inoltre, se la poliploidia si manifesta in più di un discendente di uno stesso genitore, questi individui fratelli poliploidi possono fecondarsi tra loro. IBRIDAZIONE ----------- L'ibridazione tra specie simili è sfavorita con diversi meccanismi. Il motivo per cui un certo ibrido non si forma è a causa di una **barriera pre-zigotiche**, quindi, che impediscono la formazione dello zigote (fecondazione non avvenuta) per **isolamento riproduttivo** come quello meccanico, temporale, comportamentale, di habitat. Ad esempio, l'allodola americana orientale e quella occidentale presentano una colorazione simile. Tuttavia, nonostante abbiano la stessa morfologia, sono considerate specie biologiche differenti dal momento in cui i loro canti e altri comportamenti differiscono e questo influisce perché lo zigote non si forma poiché questo attacco e questa fusione fra due cellule dipende dalle cellule stesse, ma l'attacco non avviene dalle caratteristiche molecolari dei gameti. Il mulo è un organismo ibrido che deriva dall'incrocio dell'asino e il cavallo e, l'asino e il cavallo sono delle specie sufficientemente affini in cui nono ci sono delle barriere pre-zigotiche. Il maschio dell'asino può fecondare la femmina del cavallo e successivamente si forma uno zigote che presenta comunque dei problemi per via del numero diverso di cromosomi. Si è osservato che il mulo è un animale ibrido, fitness zero perché completamente stabile, ma se allevato da uomo presenta delle caratteristiche utili: resistenza alle avversità come gli asini e modi comportamentali dei cavalli. Se si fa, invece, fecondare un asino da un cavallo non si ottiene lo stesso risultato e si ottiene il bardotto, che è sempre quasi completamente sterile (numero elevato di spermatozoi in cui magari qualcuno potrebbe essere funzionale). LA STORIA DELLA VITA SULLA TERRA ================================ Le due barre temporale hanno delle scale temporali molto diverse. Questa linea vuole mostrare la storia del pianeta con una scala lineare (tempo presente: 0), sulla sinistra viene collocato 4,6 miliardi di anni fa, quindi, è una scala enormemente ampia. 4 periodi chiamati **EONI**. La terra si è formata all'inizio dell'Adeano, ma le condizioni che noi stimiamo fossero presenti erano drastiche, quindi, solo verso la fine del primo eone si sono formati le condizioni favorevoli per l'origine della vita. L'ultimo eone della vita manifesta è il fanerozoico, che a sua volta è suddiviso in altri periodi. La suddivisione in periodi ed ere è tipica solo dell'ultimo eone perché essendo vissuta da viventi abbiamo più informazioni attraverso lo studio dei fossili. Ere: paleozoico, mesozoico e cenozoico. Noi viviamo nell'ultimo periodo del cenozoico e cioè, il quaternario. La Terra è sostanzialmente sferica, diametro di 12 mila chilometri, superficie terrestre in cui noi ci troviamo è la crosta terrestre che è una sfera cava costituita da un materiale solido, le rocce, che poggia sul mantello che è invece costituito da materiale magmatico ed è più fluido. Enormi quantità di energia prodotta nel nucleo che viene scaricata. La crosta non è uniforme, ma è costituita da placche che galleggiano come zattere nel mantello e per questo motivo sono presenti dei movimenti tettonici dove avviene una dilatazione fra due placche da una parte e avvicinamento di altre placche dall'altra parte. Oggi giorno stiamo osservano come la placca africana si sta allontanando dalla placca americana, mentre allontanandosi dalla placca americana quella africana andrà a scontrarsi contro la placca asiatica e questo è dimostrato dai fenomeni distruttivi che accadono come i terremoti. In una scala evolutiva di lungo periodo ha avuto degli effetti sull'evoluzione della vita come, ad esempio, l'eruzione dei vulcani perché una grossa eruzione vulcanica può portare alla formazione di una grande quantità di aerosol (biossido di zolfo SO2) che porta le molecole chimiche a interagire con le molecole dell'atmosfera e faranno da filtro delle radiazioni solari, quindi, questo comporta a un cambiamento di temperatura (abbassamento di temperature globali. La temperatura media oggigiorno è di 15°). La crosta terreste e i continenti hanno avuto posizioni variabili. Il movimento dei continenti è associato al cambiamento dei movimenti della massa oceanica e ciò ha modificato in modo radicale il clima. La meteorologia è lo studio del tempo atmosferico attuale provando a fare previsioni sul tempo che avverrà in futuro, mentre, la climatologia studia la media dei tempi meteorologici in tempi più lunghi. Quindi, il clima è l'insieme delle climatologie di un luogo ed è determinato dalla composizione chimica atmosferica e, quindi, dalla vita. Il clima è cambiato radicalmente diverse volte comportando a volte delle glaciazioni e cioè, periodi in cui la temperatura media del pianeta si è abbassato in modo che l'acqua si trovasse nello stato solido e ciò ha grande impatto sul livello degli oceani perché se è ghiacciata appoggiata a terra (come nel Polo Sud oggi) tale acqua non viene considerata nel livello idrico mondiale e, inoltre, il livello degli oceani si abbassa. Se viceversa, invece, osserviamo un innalzamento della temperatura ci preoccupiamo che la calotta polare artica (ghiaccio galleggiante) si sciolga anche se questo non aumenterebbe l'innalzamento del livello del mare perché ciò è dovuto allo scioglimento del ghiaccio continentale come quello che si trova in Groenlandia. I geologi pensano che ci sia stato un momento in cui la terra sia stato completamente ghiacciata. ALBEDO: condizione che raffredda la superficie e che conseguentemente quando i ghiacci si formano la temperatura si raffredda, quindi, altro ghiaccio si viene a formare mentre, viceversa quando l'acqua si scioglie la radiazione solare si scalda maggiormente (colore blu dell'acqua) portando altro ghiaccio a sciogliersi. Nel fanerozoico sono avvenute cinque estinzioni principali. Con estinzioni intendiamo degli eventi catastrofici in cui una percentuale consistenti di famiglie esistenti è scomparsa in un tempo relativamente breve (decina-milioni di anni). Grafico in cui si stima il livello dei mari. Negli asterischi che corrispondono alle estinzioni di massa si è osservato che tali estinzioni sono avvenuta durante un abbassamento del livello del mare. L'EVOLUZIONE DAL PUNTO DI VISTA DELL'OSSIGENO: ---------------------------------------------- Come è stata la dinamica dell'ossigeno presente nell'atmosfera nel corso dell'evoluzione della vita? Il grafico mostra la variazione della concentrazione di ossigeno nell'atmosfera. Prima informazione fondamentale: attualmente si ritiene che le prime forme di vita siano comparse sulla terra quando la concentrazione di ossigeno fosse pressoché zero (pressoché perché si conosce un modo per vivere anche se le concentrazioni di ossigeno è bassa). Se non c'è ossigeno, non c'è nemmeno ozono (O3) che presenta una funzione fondamentale per lo sviluppo della vita sulla terra: assorbimento delle radiazioni. Si ritiene che ci fossero delle particolari condizioni di temperatura e luce che filtrava attraverso lo strato d'acqua che ha reso possibili la formazione delle prime cellule (fonti idrotermali). Le prime forme di vita non erano fotosintetiche. La vita ha comunque potuto esistere sotto queste forme che si basano su delle reazioni ossido-riduttive che generavano energia in modo da poter alimentare il proprio metabolismo. ### Fotolisi dell'acqua e organicazione del carbonio: 2,8 Gya: valore che viene attribuita alla comparsa dei **cianobatteri**. Primi organismi che hanno messo appunto una fotosintesi di tipo ossigenico che ha modificato radicalmente, da quel momento in poi, la composizione chimica atmosferica. La fotosintesi ossigenica comporta che: energia (ATP) utilizzata per una reazione fondamentale e complicata in cui abbiamo che l'acqua (fonte di elettroni) viene convertita in ossigeno (n.oxd: -2), 4 elettroni vengono astratti dalla molecola di ossigeno e dalle due molecole d'acqua viene liberato un ossigeno molecolare (n.oxd: 0). Dal momento in cui i cianobatteri sono comparsi sono passati 4 miliardi anni dal momento in cui l'ossigeno fotosintetico ha determinato la formazione di ferro non ridotto, ma ossidato: degli elettroni passano dal ferro all'ossigeno. Questa tendenza di acquisire gli elettroni è dispendiosa di energia per cui l'ossigeno ha iniziato ad ossidare tutti gli elementi ossidabili presenti sulla terra (**Great Oxidation event**). Origine dei primi batteri aerobi: in modo per contrastare l'effetto tossico dell'ossigeno lo utilizzano in una maniera differente con la **respirazione anaerobia**. Accettore elettronico (fonte di carbonio) formalmente acquisisce delle cariche negative, si riduce producendo ATP che fornisce energia a questa cellula. L'accettore potrebbe essere SO4^-^ e viene ridotto in solfuro.  Con la comparsa dell'ossigeno, i batteri aerobio hanno cominciato a utilizzare l'ossigeno come accettore elettronico riducendolo in acqua introducendo a loro vantaggio la **respirazione aerobia**. ###...Nel Cambriano: I primi eucarioti che si sono formati erano organismi acquatici esclusivamente unicellulari. La fotosintesi planetaria era comunque debole anche dopo la chiusura della Great Oxidation Event perché per gli organismi aerobi il problema è che l'ossigeno proviene dall'esterno, solo i cianobatteri hanno una fonte interno di ossigeno, quindi, limita il loro sviluppo evolutivo. Gli organismi pluricellulari sono comparsi miliardi di anni fa contribuendo alla fotosintesi e deponendo ossigeno nell'atmosfera facendo sì che la concentrazione di ossigeno si avvicina ai valori attuali (esplosione dell'albero evolutivo: esplosione del cambriano).  ###...Nel Carbonifero: inizio della colonizzazione di molti organismi multicellulari che hanno iniziato ad esplorare nuovi habitat che hanno portato anche a una stabilizzazione dei livelli dell'ossigeno (concentrazione di circa il 20%). Tale periodo è durato 50 milioni di anni. Comparsa di piante enormi che sono comparsi nel momento in cui si è trova una soluzione per costruire un corpo vegetale senza ossatura che non cadesse per via della sua struttura solide da poter crescere in altezza (tessuto vascolare mantenuto in rapporto con le altre strutture della pianta). Quindi, si pensa che ci fossero delle foreste in ambienti paludosi e delle falci arboree che veniva sepolta e sottratti dal processo respiratorio. Queste sedimentazioni di molecole organiche che non venivano restituite hanno creato dei depositi di carbonfossile per cui il ciclo carbonifero è stato modificato: riduzione della CO2 nell'atmosfera che finiva nel suolo e aumento di ossigeno. Questo è il motivo principale per cui nel carbonifero ci siamo trovati nella condizione in cui la concentrazione dell'ossigeno e la concentrazione del diossido di carbonio sono stati invertite di andamento. Animali come le libellule, insetti che non hanno evolutivo un sistema respiratorio basato sui polmoni e che sono limitati nella loro dimensione nello scambio di ossigeno (rapporto superficie/volume) assorbono attraverso il proprio corpo l'ossigeno attraverso dei pori che hanno lungo la superficie del loro corpo. La temperatura dipendendo anche dalla concentrazione chimica della atmosfera (co2 principale gas serra) allora la temperatura erano fredde (effetto serra debole). Rispetto alla storia della terra le concentrazioni di carbonio attuale è molto inferiore però questo non vuol dire che l'aumento dell'anidride carbonica nell'atmosfera oggigiorno non siano un problema enorme, perché è vero che non porterà a un'estinzione di massa, ma l'estinzione delle specie umana che non avrà il tempo necessario per adattarsi. ###...Dopo il carbonifero: Il periodo del Carbonifero si chiude con un picco dovuto a varie condizioni che hanno portato a un crollo della concentrazione dell'ossigeno. Circa 250 milioni di anni fa, la tettonica delle placche (la deriva continentale) ha portato alla formazione di un continente e cioè, la **Pangea** e vi è stata un'estinzione di massa tra il permiano e il triassico dovute a un'instabilità terrestre per via di eruzioni vulcaniche, formazione Pangea, raffreddamento del clima e abbassamento del livello del mare (livello dei mari tra i più bassi stimati nella storia della terra). Le specie adattandosi a questi cambiamenti hanno dato origine a nuove biodiversità. Lungo il periodo mesozoico vi è stata una ricrescita della concentrazione dell'ossigeno. L'ultima estinzione di massa è stata 65 milioni di anni fa che ha portato all'estinzione dei dinosauri per via di un meteorite che ha variato il clima. Radiazione successiva dei mammiferi e nel Quaternario abbiamo l'evoluzione dell'uomo (dal punto di vista filogenetico il primo nodo che incontriamo nel passato è circa 6 milioni di anni fa con somiglianze con lo scimpanzè e il bonobo). EVOLUZIONE DELLA BIO-DIVERSITA' =============================== Una singola cellula che è l'antenato comune di tutti gli organismi viventi viene definita come LUCA e che qui c'è stato il primo nodo della linea evolutiva dove si sono diversificati due grandi gruppi e cioè, i **batteri** e l'**archea** nel corso di 2 miliardi di anni. Questo periodo si conclude con un evento fondamentale: simbiosi tra archea e batteri che ha dato origine ai primi procarioti non fotosintetici e in seguito a quelli fotosintetici. I PROCARIOTI. ------------- Caratteristiche peculiari dei procarioti: **unicellulari**. In 4 miliardi di anni sono rimasti unicellulari e hanno mantenute quasi tutte o tutte le loro funzioni. Le cellule procariotiche possono assumere **forme diverse**: [Cocchi: cellule sferiche, Bacilli: cellule a bastoncino, Spirilli: cellule a spirale]. In generale **sono piccole** (0.5-5 um) molto più piccole delle cellule eucariotiche (10-100 um). Il successo evolutivo dei procarioti dipende da straordinarie capacità di adattamento. Nel mondo procariote si trova una biodiversità metabolica e molecolare elevate grazie alla loro capacità di adattarsi a condizioni differenti, anche estreme. Una caratteristica peculiare è la **parete cellulare**, infatti, quasi tutti i procarioti sono dotati di parete cellullare nei [batteri è formata da peptidoglicano] (polisaccaride in cui catene di zuccheri modificati sono collegati tra di loro da dei ponti di amminoacidi e polipeptidi) mentre, nell'[archea da glicoproteine]. Nelle piante la parete cellulare è formata principalmente da cellulosa (monomeri legati con legami 1-4 glicosidico). I batteri si possono classificare in batteri gram positivi (colorazione scura) e gram negativi (colorazione chiara) in base alla reazione con un colorante gram, ma che non ha a che fare con la colorazione in sé, perché dipende dal tipo di parete dei batteri. La cellula batterica si trova all'interno di questo contenitore mentre, i gram negativi presentano una doppia membrana: il plasmalemma non è la parte più esterna perché esiste una membrana che è sottile e formata da strati lipidici. Gli archei hanno loro volta una parete cellulare che è molto diversa perché non contiene peptidoglicano, ma da glicoproteine. Le cellule dotate di parete hanno come caratteristica fondamentale, che essendo la membrana plasmatica semipermeabile (si lascia attraversare facilmente da acqua ma non da soluti parzialmente carichi) fa sì che la cellula non debba necessariamente vivere in condizione isoosmotiche (equilibrio per via della tendenza dell'acqua ad entrare aumentando il volume cellulare per cui la parete cellulare non riesce a resistere a tale pressione fino a rompersi: lisi cellulare). Nelle piante questa lisi cellulare non avviene perché anche se l'acqua tende ad entrare per via della concentrazione di soluti superiori a quella esterna, il volume aumenterà fino a occupare tutto lo spazio a disposizione. E' questo per cui le piante erbacee che sono disidratate appassiscono mentre, se sono ricche d'acqua le piante presentano un fusto rigido. La parete cellulare aiuta a vivere in ambienti isoosmotiche, ma non in ambienti iposmotici. Le cellule del sangue sono prive di parete cellulare e sono situate in soluzione in condizioni iposmotiche. Il carattere specifico dei procarioti e in particolare i batteri sono la parete cellulare formata da peptidoglicani, quindi, questo è fondamentale per la protezione del nostro organismo perché nonostante i procarioti siano nostro antenato, il fatto che nel nostro organismo le cellule non presentano parete formato da peptidoglicani fa sì che possiamo assumere farmaci che inibiscono i processi biosintetici dei peptidoglicani. I cianobatteri presentano un sistema di membrane interne che non le ritroviamo in cellule eucariotiche, ma all'interno dei cloroplasti eucariotiche perché fotosintetici. Non sono presentano delle membrane interne, ma anche peptidoglicano quindi sono batteri a gram negativo. I procarioti sono cellule che si riproducono per **scissione binaria** e non per mitosi. La cellula madre è formata da un DNA rappresentato da un singolo cromosoma principale (n=1) che ha la particolarità di essere una molecola circolare (aggrovigliata nel citoplasma con ordine di grandezza 10^7^ bp) e da plasmidi. Sono cellule aploidi perché presentano una singola copia del singolo cromosoma. Nonostante il loro essere aploidi una piccola quantità di geni è presente sotto forma di plasmidi. Non presentano alcun tipo di organelli, ma contengono i Ribosomi che hanno la funzione di sintetizzare le proteine a partire dalle informazioni genetiche tradotte in seguito in amminoacidi. I procarioti non si riproducono sessualmente, ma le mutazioni presentano un fattore importante per l'evoluzione dei procarioti. Tuttavia, è chiaro che le cellule procariotiche in generale possono scambiarsi con metodi diversi del materiale genetico sia tra cellule della stessa specie sia tra cellule di diverse specie. Un metodo è dato dalla **coniugazione**: processo importante per l'adattamento che consiste nello scambio di plasmidi. ### I PROTEOBATTERI: Ci concentreremo nello studio di proteobatteri. Un proteobatterio **Agrobacterium tumefaciens** che vive comunamente nel suolo (alfa-proteobatteri) ed è un batterio patogeno per le piante perché può penetrare dei tessuti vegetali ed entrare in contatto con le cellule e provocare la formazione di un tumore. In generale, le piante possono mostrare in svariate condizioni dei tumori che hanno sempre origine patogeno correlato da uno sbilanciamento ormonale. Facendo delle analogie con il mondo animale, le piante non hanno cellule circolanti che invece gli animali hanno e questo fatto di immobilità di cellule nelle pareti cellulare (sistema di scatole tutte attaccate le une alle altre) porta le piante di soffrire di tumore, ma non di metastasi e cioè, non c'è uno sviluppo del tumore in altre sedi. Nel momento che comprendiamo la biologia di una patologia causate da organismi biologici ha aperto la strada verso le biotecnologie vegetali. Il batterio presente nel suolo raggiunge i lembi della ferita di una pianta, la attacca inducendo la formazione incontrollata di cellule. Cosa importante è che il batterio contenga un plasmide chiamato Ti e cioè, tumor inducing, che contiene le informazioni per questa patologia. [Quando abbiamo un danno nella pianta si attiva un **processo di riparazione**:] **Acetosiringone**, molecola che la pianta genera per tentare di riparare il danno della pianta, quindi, nel corso dell'evoluzione del batterio si sono sviluppati dei meccanismi per far sì che il batterio sia in grado di identificare la presenza dell'Acetosiringone e attivando all'interno del plasmide del batterio dei geni detti Vir (virulenza) che codificano delle proteine per la patogenesi sequenziando il tDNA. Nel generare questa molecola di tdna a singola elica di DNA, le proteine prodotte servono per costruire una siringa molecolare (sistema di secrazione) che attacca la cellula vegetale trasferendo al suo interno il tDNA. Attraverso questo sistema di secrazione si andranno a trovare delle nuove proteine codificare del Vir. Punto completamente causale del genoma vegetale scelto, tagliano il dna e copiano il tDNA in doppia elica che dal punto di vista chimico è identico a quello della cellula vegetale. Il batterio presenta dei geni che vuole trasferire nella cellula vegetale perché all'interno del batterio erano silenti per la mancanza dell'Acetosiringone che invece è presente in quello della pianta. Ci sono degli enzimi e cioè, dei catalizzatori che accelerano le reazioni biochimiche come la biosintesi di ormoni dove alcuni di questi sono dediti alla biosintesi di ormoni vegetali le **citochinine** e le **auxine**, molecole ad azione ormonale delle piante che tipicamente regolano come le cellule vegetali si dividono. Modificazioni di tali enzimi che regolano come le cellule si dividono e come il fusto si debba disporre farà sì che cresceranno incontrollate. Le **opine** invece sono molecole, amminoacidi non proteici, che contengono carbonio e azoto che il batterio utilizza ("schiavizza") per costringerle di utilizzare molecole che le piante non sanno utilizzare e di produrle e assimilarle. #### Agrobacterium tumefaciens: è un alfa proteobatterio che vive nel suolo. Può infettare migliaia di specie diverse di piante dicotiledoni e anche alcune monocotiledoni. Contiene un **plasmide Ti** che comprende **geni di virulenza Vir** implicati [nell'attacco del batterio alla pianta ospite], nella [sintesi della sequenza T-DNA a singolo filamento] e [nel suo trasferimento al genoma vegetale]. I geni Vir sono attivati da **acetosiringone**, un composto fenolico prodotto dalla pianta in seguito a ferita. Il **T-DNA** contiene geni per la sintesi di **auxine**, **citochinine** e **opine**, quest'ultime catabolizzabili solo da agrobacterium. Il plasmide Ti può essere disarmato e utilizzato per il trasferimento di DNA senza che ci sia formazione di tumori. Agrobacterium disarmato può trasformare un'ampia gamma di ospiti. Qual è il destino di questa pianta? Queste piante produrrà i suoi fiori e/o i suoi frutti, produrrà altre piante che saranno del tutti normali. È una chimera: patrimonio genico un po\' diverso (7 geni su 30 mila geni). Quindi, non è un trasferimento genetico orizzontale che causa delle modifiche sulla progenie (cellula transgenica: capace di produrre informazioni transgeniche, ma all'uomo interessa organismi transgeniche e cioè, organismi che sono in grado di produrre una nuova progenie transgenica che presenta tutte le cellule transgeniche derivate dalla cellula transgenica madre. Essi genereranno dei gameti che saranno a loro volta transgenica). Questo batterio non attacca i fiori, quindi, i gameti rimangono intatti non causando danni e modifiche nella progenie. Quello che conta, quindi, sono i bordi "right and left border" di circa 30 basi indispensabili affinchè le proteine riescono a tagliare e incollare le tDNA. Quindi, si è venuto a pensare che sostituendo le informazioni contenute presente tra i border (plasmide ingegnerizzato) il batterio trasmettesse alla cellula vegetale tali informazioni utilizzando degli enzimi di restrizione che tagliano i DNA in certi punti ("forbici molecolari"). ##### Transgenesi Questa tecnologia ha fatto pensare di poter produrre delle varietà di piante coltivate (GM Crops) transgeniche potessero presentare determinate caratteristiche o che fossero a basso impatto ambientale in modo che possano essere protette da eventuali patogeni introducendo delle molecole. Sono comunque a patto ambientale perché tali molecole potrebbe creare delle problematiche ambientali per altre piante o per altri organismi. Secondo un'indagine riguardo alle terre coltivate parla di 8 milioni di ettari presenti sulla terra che però non sono distribuiti equamente. In Italia non è consentito coltivare piante transgenici, quindi, non è indicata tra i paesi che usufruiscono di tale tecnologia come i paesi in America, in Asia, in Spagna e in Portogallo, in Sud Africa. Le piante transgeni sono frequenti i due caratteri: resistenza agli insetti e resistenza agli erbicidi, in questo modo è possibile utilizzare un erbicida (di per sé non selettivo) in maniera selettiva sulle **malerbe** (piante nono coltivate) per favorire solo quelle resistenti. La coltivazione transgenica si può riassumere principalmente in quattro specie e cioè: Cotone, colza, soia, mais: crop=pianta coltivata  Questa figura tratta da una pubblicazione inglese vuole presentare quali sono le principali tecnologie che verranno utilizzate nell'ultimo periodo. #### Conventional Breeding: Tecnologie diverse nel corso dell'agricoltura per ottenere un risultato. Tutte le piante coltivate sono state ottenute dalla pressione umana e dal bisogno di determinati alleli a scapito di altri fissando un fenotipo di nostro interesse (Miglioramento genetico convenzionale) determinato da un genotipo che lo esprimesse (Incrocio non casuale, non seguendo i criteri dell'equilibrio di Andy-Weinberg per ottenere organismi con determinati fattori) però non è possibile ottenere al 100% qualcosa del nostro interesse. Quindi, si è capito che invece con delle mutazioni questo potrebbe essere possibile perché con delle mutazioni vengono creati dei nuovi alleli che magari combinati con altri alleli si originano dei genotipi vantaggiosi. Le piante transgeniche presenta un gene trans che è stato inserite nell'organismo. Si possono ottenere delle piante cisgeniche dove il genere di intersse non ottiene da una specie diversa, ma da una stessa specie. Allora, il gene può essere trasferito tramite sia protobatterio che incrocio sessuale. Questa metodologia è molto interessante perché, ad esempio nel caso delle mele, è arrivato un patogeno che colpisce una tipologia di mele mentre nello stesso ambiente un\'altra tipologia di mele non viene colpito, allora, incrocio sessualmente aspettandomi che nella progenie nasca una mela resistente, ma così non accade fino a che non continuo a incrociare. Ciò, però, è un processo lungo che dura anni e nel frattempo potrebbe essere cambiato la moda e non riuscire a vendere più quella mela. Genome Editing: metodologia che taglia il DNA in un gene di nostro interesse per riscrivere il DNA. Tali organismi non si definiscono transgenica, ma **editati** anche se vengono usate tecnologie transgeniche perché c'è stata una separazione. La proteina Cas9 la quale proteina batterica è una **endonucleasi**, proteina capace di tagliare il dna e che questo dna non è tagliato in un punto qualsiasi. E' una proteina che lega una molecola di RNA il quale viene utilizzato come guida a portare l'endonucleasi a tagliare quel punto in cui l'RNA si appaia al DNA.  Lezione del 25/11/2021 ### I CIANOBATTERI: La **fissazione dell'azoto** è un tema importantissimo poiché elemento fondamentale nella costituzione di proteine, acidi nucleici e altre macromolecole. È una molecola molto stabile dove le due molecole sono legate da un legame molto stabile. È fondamentale il ruolo dei microrganismi di fissare l'azoto e cioè, di trasformare una molecola inerte come l'azoto in una molecola più ridotta e utile per il metabolismo di altre macromolecole. Esiste un tipo di enzima che utilizza 8 elettroni, 8 protoni che converte 16 molecole di ATP che generano 16 molecole di ADP + P, e ciò rende possibile la sintesi di due molecole di ammoniaca (o due ioni ammonio) e di ossigeno. L'enzima che catalizza questo tipo di reazione si chiama **nitrogenasi**, presente esclusivamente nei procarioti, compie un lavoro molto importante ed egregio, ma presenta un limite: è un enzima strutturato in un modo per cui viene bloccato, inibito dall'ossigeno. Quindi, tutti gli organismi che utilizzano tale enzima devono realizzare tale reazione in un ambiente privo di ossigeno oppure creare un microambiente privo di ossigeno e compiere l'aneorosi. Riconosciamo nel cianobatterio Anabaena tre tipi di cellule: - Vegetative: cellule batteriche con membrana fotosintetiche e che liberano continuamente ossigeno perché presentano una fotosintesi - Eterocisti: contengono la nitrogenasi, non hanno la capacità di fare la fotosintesi, presenta una parete molto spesso (gram negativi) che limita gli scambi gassosi (ambiente mi-anaerobo). - Spore: sono delle forme dove il batterio può resistere anche a condizioni estreme. Concludiamo l'argomento parlando di un argomento a **[carattere ecologico]**. Alcuni batteri non utilizzano l\'ossigeno come accettore di elettroni durante la respirazione, bensì ossidano ioni inorganici quali nitrato, nitrito o solfato. Questi organismi includono i batteri denitrificanti, che liberano azoto gassoso (N~2~) nell\'atmosfera. Essi utilizzano lo ione nitrato (NO~3~^-^) al posto dell\'ossigeno come accettore di elettroni quando si trovano in condizioni di anaerobiosi. I batteri denitrificanti svolgono un ruolo chiave nella circolazione dell\'azoto attraverso gli ecosistemi. In assenza di batteri denitrificanti, che convertono gli ioni nitrato nuovamente in azoto gassoso, [tutte le forme di azoto verrebbero dilavate dal suolo per finire nei laghi e negli oceani], rendendo la vita sulla terraferma assai più difficile. I batteri azotofissatori, invece, convertono l\'azoto atmosferico in ammoniaca (NH₂), una forma chimica che può essere utilizzata dagli stessi fissatori di azoto, ma anche da altri organismi. Tutti gli organismi necessitano di azoto per la sintesi delle proteine, degli acidi nucleici e di altri importanti composti. La fissazione dell\'azoto è pertanto un processo biochimico indispensabile per la vita come la conosciamo e viene realizzata da un\'ampia varietà di archei e di batteri (compresi i cianobatteri), ma non da altri organismi: dunque, noi stessi dipendiamo dai procarioti per la nostra sopravvivenza. Nel suolo e nelle acque marine, i batteri nitrificanti, [ossidano l\'ammoniaca a nitrato]. Convertono l\'ammoniaca (NH~3~) in ioni nitrito (NO~2~^-^), oppure ossidano gli ioni nitrito in ioni nitrato (NO~3~^-^), la forma di azoto più facilmente utilizzabile da molte piante. I batteri nitrificanti da queste reazioni ci guadagnano perchè il loro metabolismo è alimentato dall\'energia liberata dall\'ossidazione dell\'ammoniaca o dei nitriti. Per esempio, trasferendo gli elettroni attraverso un sistema di trasporto degli elettroni dal nitrito, possono sintetizzare ATP e, utilizzandone una parte, possono produrre NADH. L\'ATP e il NADH così prodotti permettono a questi batteri di convertire CO~2~ e H~2~O in glucosio. GLI EUCARIOTI. ------------------------------------- ### Suddivisione degli eucarioti Gli eucarioti possono essere classificati in base ai regni: La classe principale è costituita dalle PIANTE: tutte gli eucarioti fotosintetici che derivano dalla endosimbiosi primaria, termine ampio rispetto al termine corrente perché intendiamo anche le alghe... Poi linea evolutiva originata dal LECA in tempi più antiche che ha dato vita a due linee: FUNGHI e ANIMALI. Il progenitore comune di funghi e animali è più giovane rispetto a quello di funghi, animali e piante. Tra animale e funghi c'è una condivisione di una caratteristica fondamentale: sono organismi eterotrofi e cioè, sono in grado di assorbire molecole già formate. Esistono molti altri gruppi: Alveolati, Stramenopili, Rizari, Escavati, Amebozoi... sono dei gruppi che vanno inserirti in una categoria che dal punto di vista filogenico non ha senso perché vengono considerati PROTISTI tutto ciò che non sono animali, piante e funghi. Possono essere anche filogeniticamente molto diversi e separati e quindi nono condivido un progenitore comune (a meno che non si torni al leca). Questa visione degli eucarioti si potrebbe desumere che gli organismi fotosintetici sono solo le piante perché non è così, anche i protisti contribuiscono alla fotosintesi planetaria per via della endosimbiosi secondaria: una cellula eucariotica ospite (si mitocondri, no cloroplasti) avrebbe acquisito una cellula eucariotica prodotta da endosimbiosi primaria, quindi, abbiamo un evento in cui un eucariote acquisisce un altro eucariotica. Gli eventi successivi hanno portato una perdita della membrana, ma si sarebbe comunque formato un sistema di membrane.  La differenza per endocitosi di un procariote (gram negativo: doppia membrana) e un eucariote in realtà crea una differenza perché nella cellula procariotica c'è già una membrana presente. Quando abbiamo organismi di endosimbiosi secondaria osserviamo che la membrana plasmatica in alcuni viene mantenuta, quindi, sono circondate da tre o anche da quattro membrane. Ci si può chiedere l'attività fotosintetica di tutti gli organismi sulla Terra? Riusciamo a rispondere grazie allo studio satellitare. La produzione primaria è la capacità di trasformare carbonio organico da carbonio inorganico che poi gli organismi eterotrofi useranno per formare molecole organiche in un certo periodo. Quindi, noi ci aspettiamo un'attività di consumo di carbonio organico che verrà poi rilasciato nell'atmosfera sotto forma di anidride carbonica. In un anno, vengono rilasciate circa 100 Gt. Questa attività è distribuita circa il 50% da organismi terrestri (foreste, praterie, piante angiosperme) e da organismi marine (protisti derivati da endosimbiosi secondaria). Rosso: organismi capaci di fissare più di un 1kg, nelle coste riguarda organismi fotosintetici acquatica (la terra emersa è solo 1/3 degli oceani), nella terra ferma blu scuro riguarda le zone desertiche in cui la condizione è molto bassa. ### I PROTISTI. Introduzione. Cosa sono i protisti e chi sono. Si pensa costituiscano una piccola parte della biomassa vivente attuale (circa 1%). Presentano al loro interno degli organismi molto interessanti. Ci muoveremo all'interno di un clade: il SAR, acronimo per Stramenopili, Alveolati e Rizari. L\'attività fotosintetica degli organismi della terra si stima sia 50% marina (di cui il 20% cianobatteri e il 30% protisti) e 50 % terrestre. #### **[Stramenopili]** Una sinapomorfia morfologica della maggior parte degli Stramenopili è data dalla presenza di due file di "peli" tubolari sul flagello più lungo. Includono nelle diatomee e le alghe brune che sono organismi [fotosintetici] e gli oomiceti che [non] sono [fotosintetici]. - ##### LE DIATOMEE: Le **diatomee**: sono organismi unicellulari appartenenti alla classe dei Stramenopili. Sono i principali responsabili della attività fotosintetica marina. Essendo protisti sono stati prodotti da una endosimbiosi secondaria con un'alga rossa, quindi, hanno dei particolari carotenoide che viene conferita alle diatomee. Presentano una parete cellulare silicizzata che determina la loro distinzione per via del diossido di silicio presente. Sono estremamente resistenti per cui le diatomee che muoiono, depositano le pareti dando origine a rocce sedimentarie di tale materiale silicio. Una delle caratteristiche principale è nel loro ciclo biologico. Sono organismi che possono riprodursi sia per via asessuata che per via sessuata. Nel momento che la diatomea attraversa la via asessuata va incontro alla divisione cellulare (mitosi), quindi, in seguito a scissione vengono riciclate le due componenti della scatola (coperchio e base) con il risultato che le due valve agiscono sempre da coperchio (valvola superiore) nelle cellule figlie (2n) e in tutti i casi formano la valva di dimensioni inferiore. Quindi, il limite delle diatomee è che alcune delle cellule diverranno sempre più piccole e quando una cellula diventa troppo piccola (circa 50% del suo volume) l'unico modo per risolvere questo problema è andare incontro alla riproduzione sessuata. Attraverso la meiosi si liberarà delle valvole e si originerà dei gameti privi di parete cellulare (n) che oltre a essere aploidi si differenzieranno in una fissa e in una mobile, l'incontro di questi due gameti dà origine a uno zigote (2n) che è ancora priva di parete, la cellula crescerà e solo fino a quando avrà assunto delle dimensioni adeguate si ricostruirà una nuova parete. Da quel momento la diatomea riprenderà il ciclo, chiamato **ciclo monogenetico diploide**. Si parla di fioritua quando c'è una quantità elevata di una specie di organismi, nel caso delle diatomee (che durano poco) quando muiono tendono a precipitare lungo le colonne d'acqua fino a raggiungere il sedimento. Conseguenze: - Formazione di rocce sedimentarie e di rocce; - La loro esistenza in tale capsula protettiva fa sì che quando affondano negli stati più profondi dove c'è meno ossigeno e biomassa in realtà si trovano in cui il loro consumo è molto rallentato. Questo fa sì che grazie in determinate zone ci sono dei flussi di carbonio dalle acque superficiali a quelle più profonde. ###### **Esperimenti di eutrofizzazione dell'oceano:** fornitura di nutrimenti nell'oceano in modo tale da favorire la crescita di questi organismi che dopo la loro morte sedimentassero: trasferire del carbonio attraverso le diatomee in un luogo che questo venga poi riemessa all'atmosfera in tempi molto più lunghi. Non viene immediatamente degradata nell'atmosfera. - ##### LE ALGHE BRUNE: Nonostante si chiamino così non sono delle alghe, le alghe si trovano in un altro ramo filogenetico. Sono organismi pluricellulari che possono avere dimensioni enormi (10 m) e possono creare delle vere e proprie foreste chiamate **kelp**. Sono i primi protisti multicellulari che incontriamo nella nostra trattazione, la multicellularità non è stata "inventa" solamente una volta perché molti fili genetico presentano tale caratteristica. Sono prevalentemente marine (substrato roccioso) o completamente galleggiante (zattere di alghe). Tutti gli organismi fotosintetici ossigenica presentano un pigmento particolare e cioè, la clorofilla di tipo A e ulteriori pigmenti come, ad esempio, un carotenoide che si chiama **fucoxantina** che conferisce il colore a questo protista. Tale protista presenta delle caratteristiche che ricordano le piante: ciò che ricorda le radici sono gli apteri, che permettono l'attaccatura al substrato roccioso, c'è una struttura paragonabile al fusto e alle foglie perché anche l'alga bruna presenta la capacità di assorbire la luce. Questi organismi sono coltivati in Asia perché si ricava dalla parete cellulare l'alginato, che viene usato come materiale addensante. - ##### GLI OOMICETI: Comprendono le muffe d'acqua e come le alghe brune ricordano le piante gli oomiceti ricordano i funghi. Tra gli oomiceti ci sono stati alcuni organismi che hanno modificato la storia dell'uomo come la *Phytophtora infestans* che infettato le coltivazioni di patate (ricordiamo che nel 1800, la patata che era stata importata dall'America come altre piante coltivate dal nuovo mondo dagli Indigeni e in Irlanda non ci si era preoccupato che ci fosse un pool genico strettissimo dove gli alleli rappresentati erano sempre quelli nonostante la grossa coltivazione. I nemici naturali della patata sono comparsi in Irlanda e in altre parti d'Europa grazie all'uomo, mezzo di trasporto previlegiato, che ha provato una carestia notevole causando numerosi morti o costretti ad immigrare negli Stati Uniti e ciò spiega il perché molti irlandesi si trovino nella costa statunitense). #### **[Alveolati]** Gli alveolati devono il loro nome alla presenza di [sacche], dette alveoli, situate appena al di sotto della membrana plasmatica, che possono svolgere un ruolo di [sostegno] della superficie cellulare. Tutti gli alveolati sono unicellulari e la maggior parte delle specie effettua la fotosintesi; i diversi gruppi si distinguono per la forma del corpo. I gruppi che consideriamo sono i dinoflagellati, gli apicomplessi e i ciliati. - ##### I DINOFLAGELLATI: Negli ambiti degli alveolati, protisti che presentano delle camere sotto la membrana plasmatica con una parete che presenta dei solchi dove risiedono i due flagelli, ricordiamo i dinoflagellati. Sono organismi fotosintetici acquatici, ma anche marini e ciò è osservabile chiaramente con le **maree rosse** poiché c'è stata una fioritura di questi organismi che presentano il cloroplasto di colore bruno-dorato. Hanno la caratteristica di entrare in rapporto con altri organismi di mutuo vantaggio (coralli) oppure possono essere in alcuni casi endoparassiti e, quindi, a tutto vantaggio del dinoflagellato, perdono la loro funzione fotosintetica attraverso delle modificazioni a carico del suo appartato fotosintetico nel cloroplasto. Gli endosimbiotici mantengono la loro fotosintesi, mentre, gli endoparassiti utilizzano la fotosintesi come "moneta di scambio". ###### **I Coralli e lo sbiancamento delle barriere coralline** I **coralli** sono animali che appartengono al clade degli [cnidari] (assieme alle meduse), sono animali semplici che formano dei polipi (ancora a un substrato e presenta dei tentacoli e un foro con la funzione di bocca e ano contemporaneamente). La vita dei coralli dipende dalla loro capacità di formare un guscio rigido e persistente (vedi barriera corallina) e presentano un sistema di vita ospitando i dinoflagellati per usufruire della loro attività fotosintetica. Problema attuale è lo **sbiancamento** delle barriere coralline per via del cambiamento climatico che genericamente porta al cambiamento di colore delle barriere che è sintomo di dolore e sofferenza dei coralli e, quindi, espellono i dinoflagellati non potendo più a riuscire a mantenere la simbiosi. Causa: acidificazione dell'acqua per via dell'aumento del carbonio. - ##### GLI APICOMPLESSI: Sono degli organismi unicellulari non fotosintetici, sono paranti prossimi ai dinoflagellati e ciò ci permette di ipotizzare che durante la separazione dei due ormai c'è stata la perdita di tale caratteristica. Osservano però il *Plasmodium* notiamo come fossero organismi che avessero un tempo tale caratteristica che presenta un cloroplasto. Questa specie di cloroplasto residuale ha comunque una sua funzione che rende il *Plasmodium* un potenziale bersaglio per eventuali terapie. Questi organismi provocano nell'uomo una malattia molto importante e cioè, la **malaria**. Penetrano negli organismi e presentano conformazioni cellulari molto differenti. La malaria è diffusa in tutto il mondo e zone dell'Africa e dell'America del Sud e in Asia sono spesso colpiti. Il problema è serio poiché ha provato un numero elevato di morti (400/500 mila morti all'anno) ed è una malattia difficile da curare. ###### **[Ciclo biologico della malaria:]** Nel suo ciclo biologico ha bisogno di due vettori: l'uomo o le zanzare, quindi, per combattere la malaria bisogna debellare uno dei due vettori, le zanzare, bonificando le paludi e utilizzando gli insetticidi, ma ciò ha provocato una forte resistenza in questi insetti. I parassiti penetrano nel sistema circolatorio dell\'uomo quando una femmina infetta di zanzara punge l\'epidermide per succhiare il sangue. Una volta entrati in circolo, i parassiti raggiungono il fegato e il sistema linfatico, cambiano forma, proliferano e ritornano nella circolazione sanguigna dove i merozoiti invadono i globuli rossi. I parassiti si moltiplicano all\'interno dei globuli rossi provocandone la lisi e dunque la liberazione di nuovi sciami di parassiti. Questi episodi di lisi provocano i [sintomi], come febbre, brividi, vomito, dolori alle articolazioni e convulsioni. Se un\'altra femmina di [zanzara punge un individuo già infettato] preleva anche le cellule di Plasmodium, che da merozoiti si sono sviluppati in gametociti. Questi gametociti si sviluppano in gameti che si uniscono all'interno della zanzara e formano gli zigoti. Questi ultimi si trasferiscono nell\'intestino dell\'insetto dove formano una cisti, che dopo la rottura dà origine a sporozoiti che invadono le ghiandole salivari dalle quali possono essere trasferite ha un nuovo ospite umano. ###### **L'anemia mediterranea** Mutazioni mantenute all'interno delle popolazioni, ad esempio, l'**anemia mediterranea**. La beta-talassemia (β-talassemia) o anemia mediterranea è un gruppo di malattie ereditarie del sangue. Esse sono causate da una ridotta o assente sintesi delle catene beta dell\'emoglobina; ciò può comportare risultati variabili, che vanno da una grave anemia a una condizione clinicamente asintomatica. L\'incidenza annua globale è stimata in 1 su 100.000. La beta-talassemia è una forma di talassemia causata dalle mutazioni nel gene HBB sul cromosoma 11, ereditato in modo autosomico recessivo. La gravità della malattia dipende dalla natura della mutazione. Il blocco del gene HBB comporta una diminuzione della sintesi della catena beta dell\'emoglobina. L\'incapacità del corpo di costruire nuove catene porta alla sottoproduzione di HBA (HbA, la forma fatta da 2 catene alfa e 2 catene beta, in favore della produzione di HbA2: una forma di Hb formata da 2 catene alfa e 2 catene delta, invece di beta). La riduzione di HBA totale disponibile a riempire i globuli rossi, a sua volta, porta all\'anemia microcitica. L\'anemia microcitica sviluppa infine un funzionamento insufficiente dei globuli rossi. A causa di ciò, il paziente deve sottoporsi ad una trasfusione di sangue per compensare il blocco delle catene beta e quindi per sopravvivere. Le ripetute trasfusioni portano ad accumulo di ferro, che si traduce nella intossicazione da ferro portando a sviluppare siderosi miocardica e scompenso cardiaco, che possono portare al decesso del paziente. L\'anemia mediterranea è di solito asintomatica nella forma eterozigote, mentre si manifesta nella forma omozigote recessiva; i sintomi compaiono a circa 6 mesi di vita con pallore, febbre, debolezza e ritardo nello sviluppo osseo. l\'anemia mediterranea è causata da globuli rossi detti microciti (molto piccoli) che non sono in grado di sintetizzare emoglobina. La talassemia può conferire un grado di protezion