Galleria di immagini di colibrì Colibrì Rufous ( Selasphorus rufus ). Il lungo becco e la lingua di un colibrì si sono evoluti per consentire all'uccello di raggiungere in profondità un fiore per il nettare. Vedi altro immagini di colibrì . Tim Zurowski/Tutte le foto del Canada/Getty Images Diverse centinaia di milioni di anni fa, non c'erano animali vertebrati a terra. Le uniche specie di vertebrati al mondo erano i pesci, che vivevano tutti sott'acqua. La competizione per il cibo era intensa. Alcune specie di pesci che vivevano vicino alla costa hanno sviluppato una strana mutazione:la capacità di spingersi nel fango e nella sabbia della riva con le pinne. Questo ha dato loro accesso a fonti di cibo che nessun altro pesce poteva raggiungere. Il vantaggio ha dato loro un maggiore successo riproduttivo, quindi la mutazione è stata trasmessa. Questo è ciò che chiamiamo selezione naturale .
La selezione naturale è il motore che spinge Evoluzione . Gli organismi più adatti a sopravvivere nelle loro particolari circostanze hanno maggiori possibilità di trasmettere i propri tratti alla generazione successiva. Ma piante e animali interagiscono in modi molto complessi con altri organismi e il loro ambiente. Questi fattori lavorano insieme per produrre la gamma sorprendentemente diversificata di forme di vita presenti sulla Terra.
Comprendendo la selezione naturale, possiamo imparare perché alcune piante producono cianuro, perché i conigli producono così tanti figli, come gli animali sono emersi per la prima volta dall'oceano per vivere sulla terraferma, e come alcuni mammiferi alla fine tornarono indietro. Possiamo anche conoscere la vita microscopica, come batteri e virus, o scopri come gli umani sono diventati umani.
Charles Darwin ha coniato il termine "selezione naturale". Di solito lo sentirai insieme allo slogan evolutivo spesso frainteso " la sopravvivenza del più forte ." Ma la sopravvivenza del più adatto non è necessariamente il sanguinoso, battaglia denti e artigli per la sopravvivenza tendiamo a farla sembrare (anche se a volte lo è). Piuttosto, è una misura dell'efficienza di un albero nel disperdere i semi; la capacità di un pesce di trovare un luogo sicuro per deporre le uova prima di deporre le uova; l'abilità con cui un uccello recupera semi dal profondo, coppa profumata di un fiore; la resistenza di un batterio agli antibiotici.
Con un piccolo aiuto dello stesso Darwin, impareremo a conoscere la selezione naturale e come ha creato la sorprendente complessità e diversità della vita sul pianeta Terra.
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Micrografia elettronica a scansione (SEM) di Campylobacter feto batteri, ingrandita 4, 976 volte SMC Images/The Image Bank/Getty Images L'evoluzione è il risultato della tendenza di alcuni organismi ad avere un successo riproduttivo migliore di altri:la selezione naturale.
È importante ricordare che le differenze tra individui, anche individui di generazioni diverse, non costituiscono evoluzione. Queste sono solo variazioni di tratti . I tratti sono caratteristiche che sono ereditabile - possono essere tramandati da una generazione all'altra. Non tutti i tratti sono fisici:la capacità di tollerare il contatto ravvicinato con gli umani è un tratto che si è evoluto nei cani. Ecco un esempio che aiuta a spiegare questi concetti:
I giocatori di basket sono generalmente alti, mentre i fantini sono generalmente bassi. Questa è una variazione sul tratto di altezza. I genitori alti tendono ad avere figli alti, quindi possiamo vedere che il tratto è ereditabile.
Ora immagina che sorgano alcune condizioni che rendano più probabile che i fantini si riproducano con successo rispetto ai giocatori di basket. I fantini hanno figli più frequentemente, e questi bambini tendono ad essere bassi. I giocatori di basket hanno meno figli, quindi ci sono meno persone alte. Dopo alcune generazioni, l'altezza media degli esseri umani diminuisce. Gli umani si sono evoluti per essere più bassi.
L'evoluzione è tutta una questione di cambiamento, ma qual è il meccanismo che provoca questi cambiamenti? Ogni cosa vivente ha tutto ciò che riguarda la sua costruzione codificato in una speciale struttura chimica chiamata DNA. All'interno del DNA ci sono sequenze chimiche che definiscono un determinato tratto o insieme di tratti. Queste sequenze sono conosciute come geni. La parte di ciascun gene che determina l'espressione variabile dei tratti è chiamata an allele . Poiché un tratto è l'espressione di un allele, la tendenza di un certo tratto a manifestarsi in una popolazione è indicata come frequenza allelica . In sostanza, l'evoluzione è un cambiamento delle frequenze alleliche nel corso di diverse generazioni.
Alleli diversi (e quindi tratti diversi) vengono creati in tre modi:
La stessa riproduzione sessuale è un prodotto della selezione naturale:gli organismi che uniscono i geni in questo modo ottengono l'accesso a una maggiore varietà di tratti, rendendoli più propensi a trovare i tratti giusti per la sopravvivenza. Per informazioni più dettagliate sull'evoluzione, vai su Come funziona l'evoluzione.
Che cos'è una popolazione?UN popolazione è un gruppo definito di organismi. In termini di scienza evoluzionistica, una popolazione di solito si riferisce a un gruppo di organismi che hanno accesso riproduttivo l'uno all'altro. Per esempio, le zebre che vivono nelle pianure dell'Africa sono una popolazione. Se altre zebre vivessero in Sud America (nessuna lo fa, ma facciamo finta che lo facciano per esempio), rappresenterebbero una popolazione diversa perché sono troppo lontani per accoppiarsi con le zebre africane. Anche i leoni che vivono nelle pianure dell'Africa sono una popolazione diversa, perché leoni e zebre sono biologicamente incapaci di accoppiarsi tra loro.
L'uomo stesso, Carlo Darwin Immagini FPG/Taxi/Getty La forma fisica è la chiave della selezione naturale. Non stiamo parlando di quante ripetizioni una lontra marina può bruciare in palestra... fitness biologico è la capacità di un organismo di sopravvivere con successo abbastanza a lungo da riprodursi. Oltre a questo, riflette anche la capacità di un organismo di riprodursi bene. Non è sufficiente che un albero crei un mucchio di semi. Quei semi hanno bisogno della capacità di finire in un terreno fertile con risorse sufficienti per germogliare e crescere.
Il fitness e la selezione naturale sono stati spiegati per la prima volta in dettaglio da Carlo Darwin , che osservava la fauna selvatica in tutto il mondo, preso numerosi appunti, poi cercò di capire ciò che aveva visto. La selezione naturale è probabilmente spiegata meglio nelle sue parole, tratto dal suo lavoro fondamentale "Sull'origine delle specie".
Gli organismi mostrano variazioni di tratti . "Le molte lievi differenze che appaiono nella progenie degli stessi genitori possono essere chiamate differenze individuali. Nessuno suppone che tutti gli individui della stessa specie siano formati nello stesso stampo reale".
Nascono più organismi di quanti potrebbero mai essere supportati dalle risorse del pianeta . "Ogni essere... deve subire la distruzione in un certo periodo della sua vita, altrimenti, sul principio dell'incremento geometrico, i suoi numeri diventerebbero rapidamente così... grandi che nessun paese potrebbe supportare il prodotto".
Perciò, tutti gli organismi devono lottare per vivere . "Poiché vengono prodotti più individui di quelli che possono sopravvivere, ci deve essere in ogni caso una lotta per l'esistenza, o un individuo con un altro della stessa specie, o con gli individui di specie distinte, o con le condizioni fisiche della vita."
Alcuni tratti offrono vantaggi nella lotta . "Possiamo dubitare... che gli individui che hanno qualche vantaggio, per quanto lieve, sugli altri, avrebbe le migliori possibilità di sopravvivere e procreare?"
Gli organismi che hanno quei tratti hanno maggiori probabilità di riprodursi con successo e trasmettere i tratti alla generazione successiva . "Le più piccole differenze possono trasformare la bilancia ben bilanciata nella lotta per la vita, e così essere preservato."
Le variazioni di successo si accumulano nel corso delle generazioni man mano che gli organismi sono esposti alla pressione demografica. "La Selezione Naturale agisce esclusivamente mediante la conservazione e l'accumulo di variazioni che sono benefiche nelle condizioni alle quali ogni creatura è esposta. Il risultato finale è che ogni creatura tende a migliorare sempre di più in relazione alle sue condizioni."
Approfondiamo il concetto di pressione demografica.
Giraffe e acacie, Kenia, Riserva naturale di Samburu Keren Su/Photodisc/Getty Images Il processo di selezione naturale può essere immensamente accelerato da forti pressioni demografiche. Pressione demografica è una circostanza che rende più difficile la sopravvivenza degli organismi. C'è sempre una sorta di pressione demografica, ma eventi come alluvioni, siccità o nuovi predatori possono aumentarlo. Sotto alta pressione, più membri di una popolazione moriranno prima di riprodursi. Ciò significa che solo quegli individui con tratti che consentono loro di affrontare la nuova pressione sopravviveranno e passeranno i loro alleli alla generazione successiva. Ciò può comportare cambiamenti drastici alle frequenze alleliche entro una o due generazioni.
Ecco un esempio:immagina una popolazione di giraffe con individui che variano in altezza da 10 piedi a 20 piedi di altezza. Un giorno, un fuoco di boscaglia travolge e distrugge tutta la vegetazione al di sotto dei 15 piedi. Solo le giraffe più alte di 15 piedi possono raggiungere le foglie più alte per mangiare. Le giraffe al di sotto di quell'altezza non sono in grado di trovare alcun cibo. La maggior parte muore di fame prima di potersi riprodurre. Nella generazione successiva, nascono pochissime giraffe basse. L'altezza media della popolazione è aumentata di diversi metri.
Esistono altri modi per influenzare rapidamente e drasticamente la frequenza allelica. Un modo è un collo di bottiglia della popolazione . In una grande popolazione, gli alleli sono distribuiti uniformemente nella popolazione. Se qualche evento, come una malattia o una siccità, spazza via una grande percentuale della popolazione, i restanti individui possono avere una frequenza allelica molto diversa dalla popolazione più ampia. Per puro caso, possono avere un'alta concentrazione di alleli che prima erano relativamente rari. Quando questi individui si riproducono, i tratti precedentemente rari diventano la media per la popolazione.
Il effetto fondatore può anche determinare una rapida evoluzione. Ciò si verifica quando un piccolo numero di individui migra verso una nuova posizione, "fondando" una nuova popolazione che non si accoppia più con la vecchia popolazione. Proprio come con un collo di bottiglia della popolazione, questi individui possono avere frequenze alleliche insolite, portando le generazioni successive ad avere tratti molto diversi dalla popolazione originaria da cui migrarono i fondatori.
La differenza tra lento, cambiamenti graduali nel corso di molte generazioni ( gradualismo ) e rapidi cambiamenti sotto un'elevata pressione demografica intervallati da lunghi periodi di stabilità evolutiva ( equilibrio punteggiato ) è un dibattito in corso nella scienza dell'evoluzione.
Stabilità EvolutivaFinora, abbiamo considerato la selezione naturale come un agente di cambiamento. Quando guardiamo in giro per il mondo, però, vediamo molti animali che sono rimasti relativamente immutati per decine di migliaia di anni - in alcuni casi, anche milioni di anni. Gli squali sono un esempio. Si scopre che la selezione naturale è anche un agente di stabilità .
A volte un organismo raggiunge uno stato di evoluzione in cui i suoi tratti sono molto adatti al suo ambiente. Quando nulla accade per esercitare una forte pressione demografica su quella popolazione, la selezione naturale favorisce la frequenza allelica già presente. Quando le mutazioni causano nuovi tratti, la selezione naturale elimina queste caratteristiche perché non sono efficienti come le altre.
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Ragno pescatore gigante coppia di accoppiamento Emanuele Biggi/Getty Images Il biologo evoluzionista Richard Dawkins ha scritto un libro intitolato "Il gene egoista" negli anni '70. Il libro di Dawkins ha riformulato l'evoluzione sottolineando che la selezione naturale favorisce la trasmissione dei geni, non l'organismo stesso. Una volta che un organismo si è riprodotto con successo, alla selezione naturale non importa cosa succede dopo. Questo spiega perché continuano ad esistere certi strani tratti, tratti che sembrano causare danni all'organismo ma avvantaggiano i geni. In alcune specie di ragni, la femmina mangia il maschio dopo l'accoppiamento. Per quanto riguarda la selezione naturale, un ragno maschio che muore 30 secondi dopo l'accoppiamento ha lo stesso successo di uno che vive a pieno, vita ricca.
Dalla pubblicazione de "Il gene egoista, " la maggior parte dei biologi concorda sul fatto che le idee di Dawkins spieghino molto sulla selezione naturale, ma non rispondono a tutto. Uno dei principali punti critici è altruismo . Perché le persone (e molte specie animali) fanno cose buone per gli altri, anche quando non offre alcun vantaggio diretto a se stessi? La ricerca ha dimostrato che questo comportamento è istintivo e appare senza formazione culturale nei neonati umani [fonte:CBC]. Appare anche in alcune specie di primati. Perché la selezione naturale dovrebbe favorire l'istinto di aiutare gli altri?
Una teoria ruota intorno parentela . Le persone che sono imparentate con te condividono molti dei tuoi geni. Aiutarli potrebbe aiutare a garantire che alcuni dei tuoi geni vengano trasmessi. Immagina due famiglie di primi umani, entrambi in competizione per le stesse fonti di cibo. Una famiglia ha alleli per l'altruismo:si aiutano a cacciarsi e a condividere il cibo. L'altra famiglia no -- cacciano separatamente, e ogni essere umano mangia solo ciò che riesce a catturare. Il gruppo cooperativo ha maggiori probabilità di raggiungere il successo riproduttivo, passando lungo gli alleli per l'altruismo.
I biologi stanno anche esplorando un concetto noto come il superorganismo . È fondamentalmente un organismo composto da molti organismi più piccoli. Il superorganismo modello è la colonia di insetti. In una colonia di formiche, solo la regina e pochi maschi trasmetteranno i loro geni alla generazione successiva. Migliaia di altre formiche trascorrono la loro intera vita come operaie o droni senza alcuna possibilità di trasmettere direttamente i loro geni. Eppure lavorano per contribuire al successo della colonia. In termini di "gene egoista, " questo non ha molto senso. Ma se consideri una colonia di insetti come un singolo organismo composto da tante piccole parti (le formiche), lo fa. Ogni formica lavora per garantire il successo riproduttivo della colonia nel suo insieme. Alcuni scienziati pensano che il concetto di superorganismo possa essere usato per spiegare alcuni aspetti dell'evoluzione umana [fonte:Wired Science].
Tratti vestigiali e ataviciTutti gli organismi sono portatori di tratti che non conferiscono più alcun reale beneficio in termini di selezione naturale. Se il tratto non danneggia l'organismo, allora la selezione naturale non lo estirperà, quindi questi tratti rimangono per generazioni. Il risultato:organi e comportamenti che non servono più al loro scopo originario. Questi tratti sono chiamati vestigiale .
Ci sono molti esempi nel solo corpo umano. Il coccige è il residuo della coda di un antenato, e la capacità di muovere le orecchie è rimasta da un primate precedente che era in grado di muovere le orecchie per individuare i suoni. Anche le piante hanno tratti rudimentali. Molte piante che una volta si riproducevano sessualmente (richiedendo l'impollinazione da parte degli insetti) hanno sviluppato la capacità di riprodursi asessualmente. Non hanno più bisogno di insetti per impollinarli, ma producono ancora fiori, che in origine servivano per invogliare gli insetti a visitare la pianta.
Qualche volta, una mutazione fa sì che un tratto vestigiale si esprima più pienamente. Questo è noto come an atavismo . Gli umani a volte nascono con piccole code. È abbastanza comune trovare balene con le zampe posteriori. A volte i serpenti hanno l'equivalente delle unghie dei piedi, anche se non hanno le dita. O piedi.
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elefanti africani ( Loxodonta africana ) attraversando il fiume, Riserva faunistica di Samburu Isiolo, Kenia Winfried Wisniewski/The Image Bank/Getty Images Di solito pensiamo all'evoluzione come a qualcosa che non vediamo accadere davanti ai nostri occhi, invece guardando i fossili per trovare prove di ciò che è accaduto in passato. Infatti, l'evoluzione sotto un'intensa pressione demografica avviene così velocemente che l'abbiamo vista accadere nell'arco di una vita umana.
Gli elefanti africani hanno in genere grandi zanne. L'avorio nelle zanne è molto apprezzato da alcune persone, così i cacciatori hanno cacciato e ucciso elefanti per strappargli le zanne e venderli (di solito illegalmente) per decenni. Alcuni elefanti africani hanno una caratteristica rara:non sviluppano mai le zanne. Nel 1930, circa l'1% di tutti gli elefanti non aveva zanne. I cacciatori d'avorio non si sono preoccupati di ucciderli perché non c'era avorio da recuperare. Nel frattempo, gli elefanti con le zanne furono uccisi a centinaia, molti di loro prima che avessero la possibilità di riprodursi.
Gli alleli per "senza zanne" sono stati trasmessi nel corso di poche generazioni. Il risultato:fino al 38% degli elefanti in alcune popolazioni moderne non ha zanne [fonte:BBC News]. Sfortunatamente, questo non è proprio un lieto fine per gli elefanti, poiché le loro zanne sono usate per scavare e difendersi.
Il verme, un parassita che mangia e danneggia i raccolti di cotone, ha dimostrato che la selezione naturale può agire anche più velocemente di quanto gli scienziati possano ingegnerizzare geneticamente qualcosa. Alcune colture di cotone sono state geneticamente modificate per produrre una tossina dannosa per la maggior parte dei vermi. Un piccolo numero di vermi ha avuto una mutazione che ha dato loro l'immunità alla tossina. Mangiarono il cotone e vivevano, mentre tutti i vermi non immuni sono morti. L'intensa pressione demografica ha prodotto un'ampia immunità alla tossina nell'intera specie nell'arco di pochi anni [fonte:EurekAlert].
Alcune specie di trifoglio hanno sviluppato una mutazione che ha causato la formazione del cianuro velenoso nelle cellule della pianta. Questo dava al trifoglio un sapore amaro, rendendo meno probabile che venga mangiato. Però, quando la temperatura scende sotto lo zero, alcune cellule si rompono, rilasciando il cianuro nei tessuti della pianta e uccidendo la pianta. Nei climi caldi, la selezione naturale ha agito a favore del trifoglio che produce cianuro, ma dove gli inverni sono freddi, era preferito il trifoglio senza cianuro. Ogni tipo esiste quasi esclusivamente in ogni area climatica [fonte:Purves].
E gli umani? Anche noi siamo soggetti alla selezione naturale? È certo che eravamo -- gli umani sono diventati umani solo perché un assortimento di tratti (cervelli più grandi, camminare in posizione eretta) ha conferito vantaggi a quei primati che li hanno sviluppati. Ma siamo in grado di influenzare direttamente la distribuzione dei nostri geni. Possiamo usare il controllo delle nascite, in modo che quelli di coloro che sono "più adatti" in termini di selezione naturale potrebbero non trasmettere affatto i nostri geni. Usiamo la medicina e la scienza per permettere a molte persone di vivere (e riprodursi) che altrimenti non sarebbero sopravvissute all'infanzia passata. Proprio come gli animali domestici, che alleviamo per favorire in modo specifico determinati tratti, gli esseri umani sono influenzati da una sorta di selezione innaturale.
Però, stiamo ancora evolvendo. Alcuni umani hanno più successo riproduttivo di altri, ei fattori che influenzano quell'equazione hanno aggiunto uno strato di complessità umana alle già complicate interazioni del mondo animale. In altre parole, non sappiamo davvero in cosa ci evolveremo. Il cambiamento è inevitabile, ma ricorda che la selezione naturale non si preoccupa di rendere gli umani "migliori", solo più di noi.
