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Corso completo di zoologia generale e sistematica...

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Appunti di Zoologia Generale

a cura di Sara Oliveri

ZOOLOGIA  Concetti introduttivi.  Studia la vita nel mondo animale: si basa sullo studio dell’Evoluzione attraverso lo studio comparato degli organismi animali.    ● La descrizione degli organismi animali (attraverso le somiglianze e le differenze delle loro caratteristiche): Sistematica Zoologica ● Struttura anatomica degli organi interni: Zootomia, Anatomia Comparata, Citologia e Istologia. ● La storia degli organismi animali nello spazio: Zoogeografia ed Etologia. ● La storia degli organismi animali nel tempo.    La Zoologia è anche definita la scienza della diversità della vita animale:

 Zoologia Generale:  ● ● ● ● ● ●

Unità e diversità degli organismi animali Concetto di specie come base di ordinamento della diversità Riproduzione e sessualità nei Protozoi e Metazoi: meccanismi e significato evolutivo Fecondazione e le sue modalità in organismi modello Ontogenesi delle forme animali con descrizione dello sviluppo embrionale, post- embrionale e dell’accrescimento Concetti di evoluzione   

Sistematica e Filogenesi Animale:  ● ●

Ordinamento degli organismi viventi sulla base dei loro gradi di similarità e   diversità Individuazione di relazioni filogenetiche ed evolutive tra gruppi di organismi

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Caratteri fondamentali degli organismi viventi.  ● ● ●

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Composizione chimica: C, N,H, O e altri elementi inorganici Metabolismo: serie di processi chimici (respirazione, digestione, assimilazione, escrezione) Riproduzione: capacità di dare origine ad individui simili. Tutti gli organismi animali e i Protozoi eterotrofi sono composti di cellule eucariotiche che contengono il materiale ereditario (DNA) nel nucleo. Accrescimento: aggiunta di nuove parti tra o all’interno di quelle già esistenti Forma e grandezza: ogni organismo ha una sua forma e grandezza caratteristica (la specie) Irritabilità: reazioni e cambiamenti ambientali (stimoli). Le caratteristiche di ogni vivente sono determinate essenzialmente dall’informazione localizzata nel DNA e dalle interazioni con l’ambiente in cui vivono.

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Caratteristiche degli animali:   ● ● ● ● ● ● ●

Eucarioti, unicellulari e multicellulari Eterotrofia per ingestione Cellule senza parete, ma con giunzioni intercellulari Cellule differenziate, organizzate in tessuti, organi, sistemi Tessuto nervoso e muscolare Riproduzione sessuale con spermi (flagellati), uova immobili e stato diploide predominante Zigote, blastula e gastrula in sviluppo

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Aspetti dello studio degli organismi animali.   ● ● ● ● ● ●

Le strutture biologiche mostrano caratteristiche peculiari ad ogni livello di indagine Le cellule rappresentano le unità basilari, strutturali e funzionali degli organismi Il perpetuarsi della vita è possibile grazie alle informazioni ereditabili La forma e la funzione sono correlata a tutti i livelli delle strutture biologiche Gli organismi sono sistemi aperti che interagiscono continuamente con l’ambiente I meccanismi regolativi assicurano un equilibrio dinamico nella struttura orgasmica

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Unità e diversità degli animale.  -Unita:  Tutti gli organismi richiedono acqua, godono di un’organizzazione cellulare (membrana plasmatica, DNA e ribosomi). Il loro metabolismo è sempre basato su reazioni redox e ATP e il DNA svolge sempre le stesse mansioni come codificare proteine e trasmette caratteri in qualsiasi organismo animale.  -Diversità:  La diversità negli organismi viventi è il prodotto dell’Evoluzione.   

Ma cos’è l’Evoluzione? Il costante mutamento a cui sono andati e vanno incontro gli esseri viventi con il trascorrere delle generazioni. Un processo cumulativo fatto di cambiamenti ereditari trasmessi da una generazione alla successiva e trascorsi 3 miliardi di anni, a partire dalla materie inerte e attraverso una serie lunghissima di specie diverse derivanti le una dalle altre si è così pervenuto alle specie che oggi vivono sulla Terra.       RIEPILOGO: Unità: -Tutti gli organismi hanno un progenitore comune -Tutti gli organusmi hanno esigenze simili Diversità: - Tramite riproduzione -Mutazione ( ricombinazione, selezione naturale e migrazione)    

Altri concetti importanti. - Deriva genetica Cambiamento del pool genetico di una piccola popolazione è può alterare le frequenze alleliche di quest’ultima - Effetto del fondatore Una parte di popolazione, con un diverso pool genetico, rispetto al al resto della popolazione si separa da quello di origine. - Collo di bottiglia. una popolazione si riduce drasticamente a causa di eventi casuali. 

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L’EVOLUZIONE BIOLOGICA  SI BASA SULLA VARIABILITA’ E LA SELEZIONE DELLA VARIABILITA’ PRODUCE DIVERSITA’ I CONCETTI FONDAMENTALI DELLA TEORIA EVOLUTIVA SONO ADATTAMENTO E SELEZIONE NATURALE 

TEORIE SULL’EVOLUZIONE: Lamarck e Darwin.  Le molteplici caratteristiche di una data specie e i tempi e modi della speciazione (=formazione della specie) vanno discussi nel contesto della spiegazione darwiniana del cambiamento evolutivo.   Lamarck era convinto che le specie cambiassero nel tempo e aveva intuito che i cambiamenti fossero adattativi, cioè aumentassero le probabilità di sopravvivenza degli individui nell’ambiente. Lamarck fu il primo scienziato che tentò spiegare come le specie cambiassero da una generazione all’altra evolvendo.   Per Darwin il diverso adattamento all’ambiente naturale dei membri di una popolazione si traduce in un successo riproduttivo differenziato. Il successo riproduttivo diversificato costituisce la selezione naturale, ritenuta da Darwin il meccanismo che sta alla base dell’evoluzione  La selezione naturale è basata sulla lotta per l’esistenza: - Tutti i membri di ogni specie competono per il cibo, per lo spazio e per ogni necessità vitale Sulla sopravvivenza del più adatto:  - La capacità di un individuo (un genotipo) di sopravvivere nel suo specifico ambiente con successo riproduttivo Sull’adattamento:  - Qualsiasi caratteristica ereditaria che aumenta la capacità di sopravvivenza di un organismo Le pressioni evolutive, invece, sono fattori ambientali che inducono il fenotipo e il genotipo di una popolazione a cambiare. 

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Forze evolutive -

La variabilità ereditabile Il carattere delle mutazione La durata delle generazione dei vari organismi La dimensione di popolazioni dei vari organismi La selezione sessuali  L’equilibrio di Hardy-Weinberg dice che una condizione teorica in cui le frequenze alleliche di una popolazione cambiano da una generazione alla successiva non subiscono evoluzione. Questo principio potrà essere mantenuto solo alle seguenti condizioni: - Dimensioni delle popolazioni molto grandi - Isolamento da altre popolazioni, senza quindi fenomeni di migrazioni - Assenza di mutazioni - Accoppiamento causale - Assenza di selezione naturale  Equazione di Hardy-Weinberg P^2 + PQ^2 + Q^2= 1 Uno dei parametri misurabili è il fitness cioè la probabilità di un genotipo di contribuire alla generazione successiva, valutata mediante la sua efficienza riproduttiva. Un’altro parametro è il coefficente di selezione cioè la differenza di fitness relativa tra il fenotipo meglio adattato di un organismo rispetto al fenotipo meno adattati di altri organismi conspecifici. Al fenotipo meglio adattato viene dato 1.0 come coefficente di selezione.    

ORGANIZZAZIONE GERARCHICA: livelli di complessità biologica  1. ORGANISMO: un individuo di una data specie 2. POPOLAZIONE: insieme di organismi simili (la specie), che vivono in una data zona e sono in grado di riprodursi 3. COMUNITA’ BIOTICA o BIOCENOSI: insieme di popolazioni (specie diverse)che vivnono in dato ambiete e possono interagire 4. BIOSFERA: l’insieme di tutti gli essere viventi  

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BIODIVERSITA’  E’ la varietà della variabilità della vita in tutte le sue manifestazioni, ossia la variabilità tra tutti gli organismi viventi, la più importante definizione di trova nel CBD (Convention on Biological Diversity). Questa si può misure tramite due parametri: ricchezza (cioè la distribuzione) e la complessità (posizione di un organismo all’interno della catena alimentare).  

Abbiamo vari tipi di biodiversità  ❏ DIVERSITA’ GENETICA: somma totale dell’informazione genetica contenuta nei geni di individui di animali, di piante e di microorganismi che si trovano sulla Terra ❏ DIVERSITA’ DELLA SPECIE: la varietà degli organismi viventi sulla Terra -1.5 milioni di specie descritte su 5-50 miliani di specie stimate (se consideriamo solo gli organismi Animali) -disparità di conoscenze poichè solo i vertebrati e le piante coi fiori sono gli organismi meglio descritti ❏ DIVERSITA’ ECOLOGICA: varietà di habitat, comunità biotiche e processi ecologici nella biosfera     ❖ LO STUDIO DELLA DIVERSITA’ BIOLOGICA VIENE CHIAMATA SISTEMATICA.  I metodi di classificazione: TASSONOMIA Le regole di classificazione: NOMENCLATURA L’organizzazione della diversità biologica: CLASSIFICAZIONE La ricostruzione della storia evolutiva: FILOGENESI Gli ultimi quattro termini, insieme creano la CLADISTICA         

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LA CLASSIFICAZIONE DEI VIVENTI   Classificare significa raggruppare  secondo il criterio di affinità e delle somiglianze, ma non solo caratteri esteriori.  Per esempio: i pipistrelli (classe mammiferi) e gli uccelli (classe uccelli) hanno le ali e sono in grado di volare, ma appartengono a classi diverse.  La ricostruzione di una classificazione (delimitazione, raggruppamento e classificazione degli organismi) consiste nell’analizzare i pattern di distribuzione dei caratteri tra gli organismi.  ❖ Per mezzo di tale analisi:  1. I campioni di un dato organismo vengono raggruppati in SPECIE 2. Le specie imparentate fanno parti di un GENERE 3. I generi imparentati fanno parte di una FAMIGLIA e  tc  Il processo di raggruppamento crea un sistema di taxa concatenati l’uno all’altro e sistemati in maniera gerarchica. Se i taxa sono raggruppati correttamente in base al loro livello di similarità la gerarchia rispecchia dei PATTERN DI DISCENDENZA. 

❖ CHI EFFETTUO’ LA PRIMA CLASSIFICAZIONE SCIENTIFICA DEI VIVENTI?  Si deve al naturalista svedese Carlo Linneo. 

Gerarchia Linneana: (accanto esempio) REGNO: Animalia PHYLUM: Chordata (divisione per le piante) CLASSE Mammalia ORDINE: Primates FAMIGLIA: Hominidae GENERE: Homo SPECIE: sapiens   

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- Unità fondamentale di classificazione: Ogni specie è contraddistinta da un nome latino composta da due parole: la prima, con la lettera maiuscola, si riferisce al genere (Genus), la seconda minuscola. I nomi vanno sottolineati o posti in corsivo. La denominazione ufficiale è completata dal nome dell’autore che descritto la specie e dell’anno. 

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TASSONOMIA  • E’ la Scienza che descrive e classifica la biodiversità • Usa delle regole nomenclatoriali e delle tecniche non univoche, su caratteri di vario tipo (morfologia, allozimi, sequenze DNA, cariotipi, ecc.) • Il “linguaggio” è universale per ogni scienza (Microbiologia, Botanica, Micologia, Zoologia), quindi è comprensibile a tutti gli scienziati • Il principio è sempre quello della nomenclatura binomia di Linneo  CARATTERI TASSONOMICI: Quantitativi Determinazione attraverso conteggi o misure; sono espressi in numeri ● continui - numeri decimale, non sono presenti stati discreti (es. altezza, lunghezza etc.) ● meristici - numeri interi, sono presenti stati discreti (es.n° di setole; n° macchie alari) Qualitativi Descrivono la forma dell’animale o di alcune parte degli animali, gli stati sono descritti a parole (lineare, ovale, etc) Binari Forme discrete in 2 stati: presenza/assenza di un carattere (es. insetti alati/insetti non alati) Citologici Forma e numero dei cromosomi: si guardano le caratteristiche dei cromosomi.  I rapporti tra due entità tassonomiche (es. individuo, popolazione, specie, genere) si rappresentano attraverso ALBERI Le entità tassonomiche vengono differenziate in base a dei CARATTERI  I caratteri servono per creare dei gruppi tassonomici e le relazioni tra questi gruppi vengono rappresentate attraverso grafici chiamati alberi.  Questi sono dei disegni che ci comunicano le relazioni che intercorrono tra le varie entità tassonomiche. A,B,C,D,E..G possono essere specie, popolazioni, famiglie, non importa il rango tassonomico considerato.  Pensiamo ad esempio che dalla A alla E siano delle specie diverse e vogliamo capire i rapporti evolutivi che intercorrono tra le specie supposte.  Ma come si legge l’albero? Le lettere in figura (A,B,C,D,E,F,G) rappresentano le entità derivate, derivate dal gruppo basale. Il progenitore sarà la radice (esistono anche alberi senza radice, perchè gli alberi sono sempre delle inferenze, cioè la storia evolutiva dell’entità tassonomica è basata su delle ipotesi, solo se aggiunti dati fossili abbiamo determinate certezze).

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Quindi, la radice sarà l’entità originaria, da questa partono i rami. Il ramo più vicino alla radice si chiamerà ramo basale e i rami più vicini alle entità derivate si chiameranno rami terminali.

 Altri elementi da considerare sono evidenti in figura  

  I nodi sono i punti di separazione: il nodo ancestrale coincide con la radice dell’albero, poiché separa la radice dal resto dell’albero; i nodi interni, invece, nella maggioranza dei casi sono delle ipotesi, formulati in base alle analisi dei caratteri. I nodi presenti in figura (su) sono sempre dicotonici, ossia il nodo separa sempre due entità e se in tutto l’albero si presenta questa caratteristica, l’albero è detto risolto. Possiamo trovare anche anche nodi con più entità annesse, in questo caso parliamo di politomia e l’albero sarà parzialmente risolto. Parzialmente poiché non sappiamo se nodi che presentano politomia hanno entità più vicine o più lontane tra loro o rispetto ad altre (es. A--B--C sono rappresentati con la stessa distanza ma in realtà può essere così A----B-C).     

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TIPI DI ALBERI Differenza di topologia (rapporto tra le varie entità tassonomiche rappresentate)

  OGNI SPECIE VIVENTE E’ UN INSIEME DI CARATTERI Ancestrali: ereditati da antenati comuni, con poche o nulle modificazione Derivati: hanno subito modificazioni in un passato più recente  I caratteri che si modificano poco sono detti conservativi mentre quelli che si modificano notevolmente sono detti adattivi.  I caratteri presiomorfi sono caratteri primitivi conservativi che risalgono ai primi tempi della storia evolutiva di un gruppo  I caratteri apomorfi sono derivati, adattivi, sono specializzati.  Per ricostruire la filogenesi si studia la condivisione dei caratteri ● Per rapporti diretti di discendenza: CONSERVATIVI e DERIVATI ● Per convergenza: i caratteri derivano da rapporti di discendenza, ma sono condivisi per comparsa/scomparsa in due linee evolutive  TIPOLOGIE DI METODI PER RICOSTRUIRE LA FILOGENESI ● Metodi basati sulla stima delle distanze ● Metodi basati sulla parsimonia ● Metodi basati sulla verosomiglianza (likelihood)  METODI BASATI SULLE DISTANZE ● I caratteri in esame vengono codificati per ogni taxon e disposti in una matrice ● SI calcolano le distanze tra queste matrici ● Alcune distanze NON sono lineari col tempo; si possono sottostimare o sovrastimare le distanze reali 

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METODI BASATI SULLA PARSIMONIA ● L’albero migliore è quello con il numero minore di cambiamenti. Perché? Statisticamente i cambiamenti evolutivi sono rari ed è improbabile che avvengano molte volte ● Svantaggio: ci possono essere molte topologie con lo stesso numero di cambiamenti tutte ugualmente valide; le analogie possono creare problemi ● Importanza della scelta dei caratteri  METODI BASATI SULLA VEROSIMIGLIANZA ● Deve esserci un esplicito modello di evoluzione ● Si basa sul concetto statistico di verosimiglianza ● La probabilità di osservare i dati D se è vera l’HP (modello di evoluzione). L’albero che ha maggiore P è da preferire.  Possiamo inoltre distinguere i carattere in: OMOLOGIE: carattere condiviso da due o più specie che era presente nel loro antenato comune ANALOGIE: carattere condiviso da una o più specie che però NON era presente nel loro antenato comune. Evoluzione convergente dovuta a stessa pressione selettiva su due linee evolutive diverse. Le omoplasie non sono indice di relazione filogenetiche.  LA STORIA EVOLUTIVA SI PUO’ REALIZZARE IN DUE MODALITA’ PRINCIPALI : Anagenesi: una specie si trasforma in un’altra specie Cladogenese: una specie dà origine a più specie  ● Un carattere è simile (o presente) in due linee filogenetiche a causa di due eventi evolutivi indipendenti ● Questa somiglianza, non dovuta alla presenza del carattere nell’antenato comune delle due linee è detta omoplasia o analogia ● Le ali nell’acquila e nel pipistrello sono un’omoplasia, perché non erano presenti nell’antenato comune (un rettile tetrapode) non alato ● L’omoplasia non è sempre facile da rionsocere e può produrre false filogenesi           

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NOMENCLATURA  E’ il linguaggio universale, oggettivo, comune a tutti, per lo scambio delle informazioni. E’ il linguaggio della classificazione e il sistema con cui si attribuiscono i nomi agli organismi La specie è denominata con la nomenclatura binomia, introdotta da Linneo. Il binomio Linneano (1707-1778)fa riferimento alle due parole che denominano una specie.  Nel 1901 è stata costituita l’International Commision on Zoological Nomenclature (ICZN) che è indicato come data iniziale della nomenclatura zoologica moderna 1 Gennaio 1758 (anno di pubblicazione del Systema Naturae di Linneo)   ● Un taxon può avere solo ed unicamente un nome corretto ● due generi non possono avere lo stesso nome (i nomi generici sono unici) ● i nomi scientifici sono considerati come latini e seguono le regole grammaticali latine ● è considerato valido quel nome di taxon pubblicato per primo (regola della priorità)   

Una delle regola della nomenclatura comprende dei suffissi come: (a seguire un esempio) 

Superfamiglia= ‘oidea’ Famiglia= ‘idae’ Subfamiglia= ‘inae’ 

Ephydroidea Drosophilidae Drosophilinae

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I REGNI DEGLI ORGANISMI VIVENTI (organismi virali e subvirali (viroide e prioni ) non sono inclusi in questa classificazione)...