Evolution 101: Natural Selection

Il post Evolution 101 di questa settimana è di un gruppo interdisciplinare di BEACONiti, che si basano tutti sui principi della selezione naturale nella loro ricerca: Nikki Cavalieri (Zoologia), Prakarn Unachak (Calcolo evolutivo), e Patrick Wanko (Ingegneria dei sistemi industriali), studente laureato della NC A&T.

Se gli animali sono strettamente adattati ai loro habitat, perché vediamo sovrapposizioni?

Per esempio, Gray Treefrogs (Hyla versicolor) e Green Treefrogs (Hyla cinerea) negli Stati Uniti meridionali sembrano essere ecologicamente equivalenti. Entrambe le specie si nutrono di insetti, vivono a terra sulla vegetazione e depongono le loro uova in piccole pozze. Allora perché non esiste una sola specie?

Mentre le rane grigie e le rane verdi sembrano occupare lo stesso habitat, quando guardiamo più da vicino possiamo vedere che anche se le loro gamme si sovrappongono, le rane grigie vivono più a nord delle rane verdi. Possiamo anche vedere che le rane grigie preferiscono le aree boscose con piscine temporanee, mentre le rane verdi preferiscono zone umide più aperte con code di gatto e altra vegetazione acquatica.

Su un albero in un’area boschiva, la raganella grigia è molto più difficile da individuare.

In una zona umida, la situazione è rovesciata.

Che cos’è la selezione naturale?

La selezione naturale è il processo in natura per cui gli organismi meglio adattati al loro ambiente tendono a sopravvivere e a riprodursi più di quelli meno adattati al loro ambiente.

Per esempio, le raganelle sono talvolta mangiate da serpenti e uccelli. Le raganelle grigie si mescolano bene nelle aree boschive scure sulla corteccia degli alberi e le raganelle verdi si mescolano bene con la vegetazione verde che si trova nelle paludi e negli acquitrini. Una rana verde sulla corteccia di un albero è più facile da trovare per un predatore, rispetto a una rana verde su una foglia verde. Quindi, le rane verdi che vanno in habitat dove non sono mimetizzate hanno più probabilità di essere mangiate dai predatori. Poiché le rane che sono state mangiate non vivono per avere altri piccoli, la selezione naturale ha favorito le rane che vivono in habitat in cui sono più mimetizzate.

Questo spiega la distribuzione delle rane grigie e verdi. L’habitat boscoso della rana grigia è più grande e si estende più a nord, mentre l’habitat paludoso e paludoso della rana verde è concentrato nel sud. Nell’area in cui le rane grigie e verdi si sovrappongono, entrambi gli habitat sono presenti, ma in luoghi diversi.

Tuttavia, la selezione naturale non va sempre verso l’optimum. Va solo verso ciò che funziona. Per esempio, i conigli sono erbivori, che hanno la fermentazione dell’intestino posteriore (fermentazione del cibo dopo il passaggio nello stomaco). Hanno un organo speciale chiamato cieco che li aiuta a digerire il cibo. A differenza di altri animali, l’intestino cieco del coniglio si trova troppo in basso nell’intestino del coniglio perché il coniglio possa ottenere tutti i nutrienti dal suo cibo. Così, quando il cibo digerito viene espulso dal corpo, contiene ancora un’alta quantità di nutrienti. Per compensare la perdita di questi nutrienti, i conigli sono coprofagi (mangiano le proprie feci). Hanno due tipi di pellet fecali: 1) pellet che sono stati digeriti solo una volta, che mettono in una latrina speciale per consumarli più tardi, e 2) quelli che sono stati digeriti due volte e non vengono conservati. I conigli si sono evoluti per ottenere il massimo di nutrienti dal loro cibo nonostante abbiano una disposizione non ottimale degli organi digestivi.

Per essere più generale, la selezione naturale è un processo che porta alcuni animali e piante con certe caratteristiche ad adattarsi meglio di altri al loro ambiente naturale. Queste piante e questi animali hanno quindi una maggiore possibilità di sopravvivere, riprodursi e aumentare la loro popolazione più di quelli che sono meno adattati al loro ambiente. Le piante e gli animali meglio adattati sono quindi in grado di trasmettere le loro caratteristiche vantaggiose (codificate dai geni) alla loro prole attraverso l’eredità.

Tuttavia, i geni non vengono sempre trasmessi alla prole nella stessa forma dei geni dei genitori. Il cambiamento nella sequenza di un gene può avvenire attraverso due meccanismi noti come crossover e mutazione.

Crossover? Mutazione? Cosa sono?

Non possiamo vedere i geni ad occhio nudo, ma possiamo osservare i prodotti di essi attraverso tratti fisici, noti come fenotipo (tipo di capelli, colore degli occhi/pelle, sesso…). Gregor Mendel, il “padre della genetica moderna”, sperimentò con le piante di piselli tra il 1856 e il 1863. Mendel dimostrò che fecondando una determinata forma di pianta di pisello verde con il polline di una diversa forma di pianta di pisello giallo, si sarebbe ottenuta una varietà di piselli verdi e gialli di molte forme. I piselli risultanti condivideranno il loro colore o la loro forma con i piselli originali. Ciò che Mendel ha fatto è oggi chiamato impollinazione incrociata, e il fatto che i piselli risultanti condivideranno alcuni tratti comuni è dovuto all’ereditarietà. Perché avvenga il crossover, abbiamo bisogno di due cromosomi che si scambino materiale. Una mutazione, invece, è un cambiamento o un errore all’interno di un gene o di un cromosoma che può provocare un cambiamento delle funzioni e delle espressioni genetiche. Quando questo errore si verifica, modifica un gene che può cambiare il fenotipo della pianta o dell’animale, che può essere più di un semplice cambiamento di aspetto. Le mutazioni possono comportare delezioni, duplicazioni, inserzioni, inversioni o traslocazioni di sezioni di sequenza genetica. Le mutazioni e gli incroci forniscono la materia prima con cui la selezione naturale lavora creando variazioni tra gli organismi.

Come facciamo ad avere così tanti organismi diversi per selezione naturale?

La selezione naturale fa sì che organismi con caratteristiche diverse (causate da mutazioni e incroci) prosperino in ambienti diversi. Oltre alla rana verde e grigia (il nostro esempio sopra, che mostra l’adattamento attraverso il mimetismo), ci sono molti modi in cui la selezione naturale plasma gli organismi:

• Alcuni batteri possono vivere a temperature di 60°C e più. Una specie, Methanopyrus kandleri, può persino prosperare sotto un calore estremo di 120°C (248°F)! Altri batteri si adattano anche ad ambienti apparentemente inospitali – acidi, radioattivi, o sotto la parte più profonda del mare, dove non ci sono fonti convenzionali di cibo. Non importa quanto sia ostile un ambiente, è molto probabile che si trovi qualche tipo di microrganismo evoluto per viverci.
• I pinguini, a prima vista, sono uccelli che non possono volare, il che non sembra renderli buoni candidati per la sopravvivenza. Tuttavia, al posto del volo, i pinguini si sono adattati ad essere dei nuotatori provetti, il che li avvantaggia molto nella ricerca del cibo e nella fuga dai predatori. Inoltre, in Antartide, e in altri luoghi dove vivono i pinguini, non ci sono predatori naturali sulla terraferma, quindi perdere la capacità di volare non è uno svantaggio. Ci sono altri uccelli senza volo, e tutti si sono adattati a compensare la loro mancanza di volo in altri modi. O essendo un corridore veloce (Struzzo), nascondendosi bene (Binario invisibile), o in grado di difendersi efficacemente (Cassowary).

• Alcune piante, come la Venus Fly Trap, sono carnivore. Di solito le piante ottengono l’azoto, un elemento chimico vitale per la sopravvivenza di una pianta, dal suolo attraverso le loro radici. Queste piante, tuttavia, di solito crescono in aree dove il suolo è carente di azoto. Non possono ottenere abbastanza azoto semplicemente prelevandolo dal terreno. Per prosperare in un tale ambiente, queste piante carnivore catturano insetti in foglie simili a trappole. Questi insetti diventano una fonte alternativa di azoto per la pianta, permettendole di sopravvivere in un habitat povero di azoto.

L’ambiente cambia nel tempo e la selezione naturale agisce sulla diversità genetica delle specie. Gli individui con tratti migliori per il nuovo ambiente hanno più prole. Dopo molte generazioni in questo nuovo ambiente, la popolazione attuale può non assomigliare ai suoi antenati perché la selezione naturale li ha cambiati – si sono evoluti – per sopravvivere nel nuovo ambiente.