1) STORIA DELLA TERRA ED ORIGINE DELLA VITA 2) CENNI DI GENETICA E TEORIA DI DARWIN-WALLACE 3) EVOLUZIONE DELLE SPE

1. M. Benelli, B. Boccardi, A. Vitale ARGOMENTI: 1) STORIA DELLA TERRA ED ORIGINE DELLA VITA 2) CENNI DI GENETICA E TEORIA DI DARWIN-WALLACE 3) EVOLUZIONE DELLE SPECIE SULLA TERRA

2. Parte prima: STORIA DELLA TERRA ED ORIGINE DELLA VITA

3. FORMAZIONE DELLA TERRA La Terra si è formata insieme al Sole e agli altri pianeti 4.567 miliardi di anni fa per collasso gravita- zionale a partire dal materiale contenuto nella nebulosa solare, costituita principalmente da idrogeno ed elio. La Terra, come gli altri pianeti interni, si formò a partire da materiale di composizione chimica nettamente diversa da quella del Sole, costituito da metalli ed altri elementi pesanti, alcuni radioattivi. La successiva differenziazione gravitazionale ed il raffreddamento portarono alla struttura che conosciamo.

4. STRUTTURA DELLA TERRA Il sistema Terra è formato da: • un'atmosfera • un'idrosfera • una litosfera rigida,divisa a sua volta in: • crosta • mantello superiore • un'astenosfera plastica • un mantello profondo • un nucleo metallico(liquido all'esterno e solido all'interno)‏

5. NASCITA DELLA LUNA Ipotesi più accreditata: TEORIA DELL'IMPATTO GIGANTE Dopo la sua formazione, la Terra fu colpita da un grosso corpo delle dimensioni di Marte (Immagini tratte dal libro di McBride Gilmour: The Solar System, Cambridge Univ. Press,

6. ETA' DI FORMAZIONE DELLA LUNA Fino a pochi anni fa si riteneva che l'impatto gigante fosse avvenuto 4.52 miliardi di anni fa. Secondo uno studio del 2008 dell'Istituto di tecnologia di Zurigo, basato sull'analisi della concentrazione di tungsteno- 182, la Luna sarebbe più giovane di quanto si credesse. Il tungsteno-182 è generato sia nel decadimento dell'afnio-182, sia quando il tantalio-182 viene colpito da raggi cosmici. Anche studi precedenti avevano preso in considerazione il tungsteno, ma nei calcoli non veniva sottratta la quantità prodotta nel secondo modo, quindi si giungeva ad una sovrastima dell'età della Luna, che invece sembrerebbe essere di 4.48 miliardi di anni.

7. NON SI PUO' RACCONTARE LA STORIA DELLA TERRA SENZA RACCONTARE CONTEMPORANEAMENTE LA STORIA DELLA VITA TEORIA DI GAIA La Terra si comporta come fosse un unico gigantesco organismo vivente in grado di autoregolarsi. “È la vita che ha fatto della Terra ciò che essa è, pur essendo solo la sua inquilina” (J. E. Lovelock)

8. RELAZIONE FRA VITA E PIANETA TERRA Le forme di vita più complesse si sono adattate ed evolute in relazione all’ambiente terrestre. Viceversa la vita ha influito notevolmente sulla storia della Terra

9. La scala temporale dell’origine della vita sulla Terra ? Raffreddamento della Terra Impatto di meteoriti Reperti fossili 4.0 3.5 3.0 4.5 Età della Terra (miliardi di anni fa)‏ Questa slide e le 2 seguenti sono prese dalla conferenza di A. Lazcano (UNAM, Mexico): The emergence of life on Earth: recent advances, old problems. Bologna 10.6.2007

10. L’ origine della vita può essere stata: Prebiotica Mondo RNA Mondo DNA a) terrestre venne dallo spazio esterno (panspermia)‏ b) extraterrestre

11. Un’origine eterotrofa della vita? atmosfera riducente sintesi di composti organici zuppa primordiale eterotrofi primordiali

12. Nel primo periodo dopo la sua formazione la Terra aveva un’atmosfera 10 volte più densa dell’attuale che permetteva alle comete di arrivare al suolo molto rallentate e riscaldate dalla maggiore ablazione. In quel periodo ha ricevuto dallo spazio da 1 a 10 milioni di tonnellate di materiale organico all’anno per un totale di 1014 tonnellate in 100 milioni di anni. COMETE PORTATRICI DI VITA

13. ORIGINE DELLA CHIRALITA’ DEGLI AMMINOACIDI Ricerche sulle condriti carbonacee suggeriscono che la chiralità sinistrogira degli amminoacidi terrestri sia stata ereditata dai materiali organici venuti dallo spazio. In un tipo particolare di luce stellare, la ultraviolet circularly polarized light (UVCPL), presente ad es. nella nebulosa di Orione, il campo elettrico ruotaattorno alla direzione di propagazione in senso orario o antiorario e per fotolisi distrugge i composti organici che hanno la stessa chiralità. Nella nostra nube primordiale il campo elettrico avrebbe ruotato in senso orario.

14. Scala dei Tempi Geologici La scala dei tempi geologici è suddivisa in eoni, ere, periodi ed epoche: Eone Adeano (dal greco Hades, mondo infernale), fino a 3,8 Gyr Eone Archeano (dal greco archaios, antico), da 3,8 a 2,5 Gyr Eone Proterozoico (dal greco proteros, primitivo e zoikos, animale), da 2,5 Gyr a 542Myr Eone Fanerozoico (dal greco phaneros, manifesto e zoikos, animale), da 542 Myr ad oggi, a sua volta diviso in tre ere: paleozoica (tra 542 e 252 Myr fa)‏ mesozoica (tra 252 e 65,5 Myr fa)‏ cenozoica (tra 65,5 Myr e oggi)‏

15. ‏

16. La Terra primordiale (Eone Adeano)‏ Il termine “Adeano” viene dal greco “Hades”, che significa Inferi. Tale similitudine è adatta a descrivere le fasi primordiali della Terra, quando la temperatura superficiale era intorno ai 110 gradi C. Cause dell'elevata temperatura: 1) Abbondanza nell'atmosfera di gas serra quali CH4 e CO2 2) Maggiore flusso di calore dall'interno della Terra dovuto a: - concentrazione di radionuclidi nella crosta tripla di quella attuale; - differenziazione planetaria; 3) Frequenti impatti con asteroidi 4) Intensa attività vulcanica

17. La Terra primordiale (Eone Adeano)‏ Il Sole emetteva il circa il 70 % dell’energia attuale. La Luna era molto più vicina: notevoli maree. Possiamo immaginarcela così...

18. La Terra primordiale (Eone Adeano)‏ L'eone Adeano dura dalla formazione della Terra fino a 3.8 miliardi di anni fa, età delle più antiche rocce sedimentarie oggi preservate. Significa che di una grossa fetta della storia della Terra non abbiamo informazioni provenienti da formazioni geologiche. Tuttavia, all'interno di rocce Archeane nelle colline Jack Hills, in Australia, sono stati ritrovati degli zirconi risalenti a 4.4 Ga. Questi zirconi forniscono due preziose informazioni: 1) i rapporti isotopici dell'ossigeno potrebbero indicare la presenza di oceani già a quel tempo; 2) contengono dei minerali che potrebbero indicare la presenza di continenti.

19. Eone Archeano: da 3.8 a 2.5 miliardi di anni fa Le più antiche rocce sedimentarie: Isua, Groenlandia Occidentale 3.8 Ga Tali rocce rappresentano la prima evidenza della presenza di acqua liquida: contengono lava a cuscino, che si forma quando il magma solidifica in acqua. Lava a cuscino nelle rocce di Isua- (Foto di Minik Rosing)

20. Eone Archeano: da 3.8 a 2.5 miliardi di anni fa Le rocce archeane forniscono evidenza certa della presenza della vita: - Evidenza indiretta: dai rapporti isotopici del carbonio in alcune rocce marine o dai banded iron beds, i cui strati di ossido di ferro sono probabilmente dovuti all'interazione con batteri produttori di ossigeno. -Evidenza diretta: stromatoliti, strutture sedimentarie che mostrano l'azione di comunità di batteri. Le più antiche risalgono a 3400-3500 anni fa e sono state trovate nella regione Pilbara, in Australia. Stromatolite di Pilbara, Australia (foto da www.fas.org)

21. Eone Archeano: da 3.8 a 2.5 miliardi di anni fa Le prime forme di vita archeane erano certamente procarioti, organismi unicellulari privi di membrana cellulare e di strutture interne. Ci sono diverse ipotesi su quale tipo di procarioti fosse più diffuso. E' probabile che i primi batteri fossero soprattutto clorobatteri, cioè contenenti clorofilla batterica grazie alla quale realizzavano una fotosintesi anossigenica. Questa ipotesi spiega anche la scarsissima presenza di ossigeno nell' atmosfera archeana, che era invece ricca di gas serra. La forte concentrazione di gas serra spiegherebbe anche il cosiddetto paradosso del Sole debole: a quei tempi il Sole aveva una luminosità pari ai 2/3 dell'attuale, ma si hanno evidenze della presenza di acqua liquida e di una temperatura ambientale intorno ai valori attuali.

22. Eone Proterozoico: da 2.5 a 0.542 miliardi di anni fa L'eone Proterozoico fu ricco di importanti avvenimenti. La transizione da Archeano a Proterozoico coincise con un sensibile cambiamento del clima e delle condizioni di vita sulla Terra. Lo sviluppo di cianobatteri, produttori di ossigeno, portò ad un notevole arricchimento di questo elemento,che nel corso dell'intero Proterozoico passò dallo 0.001-0.1% al 10-20% dei livelli attuali. Ciò ebbe un notevole impatto sulla vita: molte forme anaerobiche si estinsero nella cosiddetta catastrofe dell'ossigeno, avvenuta 2.45 miliardi di anni fa.

23. Eone Proterozoico: da 2.5 a 0.542 miliardi di anni fa Una tappa fondamentale fu la transizione dai procarioti agli eucarioti, organismi con una struttura più complessa, dotati di una membrana nucleare e di altre strutture interne dette organelli. Si ritiene che il passaggio a questo nuovo anello della catena evolutiva sia avvenuto tramite il processo di endosimbiosi, in cui un procariota viene inglobato all'interno di un altro, e da organismo indipendente diventa un organello del nuovo organismo. I più importanti organelli generati in questo modo furono i mitocondri, addetti alla respirazione, e i cloroplasti, addetti alla fotosintesi nelle cellule vegetali.

24. Eone Proterozoico: da 2.5 a 0.542 miliardi di anni fa Dopo questa importante transizione, gli organismi eucarioti si evolvettero diversificandosi in “phyla”, fino ad arrivare alla nascita dei primi animali alla fine del Precambriano.

25. Eone Proterozoico: da 2.5 a 0.542 miliardi di anni fa Durante il proterozoico la Terra attraversò 4 glaciazioni, talmente estese che interessarono quasi tutto il globo, tanto che si parla di Snowball Earth. Tali glaciazioni sono confermate dalla presenza di sedimenti di tipo glaciale posti a paleolatitudini molto basse, anche tropicali. Non è chiaro quali possano essere state le cause che hanno dato il via a questi fenomeni, e ci sono forti dubbi anche sull'impatto che tali glaciazioni avrebbero dovuto avere sullo sviluppo della vita. Sembrerebbe naturale avere delle estinzioni di massa, ma non ci sono elementi che suggeriscano questa ipotesi. Al contrario, l'ultima glaciazione (580 Ma) fu seguita dall'esplosione cambriana (542 Ma) certamente agevolata dalla presenza di nicchie ecologiche diversificate.

26. La Terra “Palla di Neve” Le glaciazioni sono iniziate sulla Terra circa 2,2 Ga fa A partire da circa 740 Ma fa, la Terra ha subìto un periodo di glaciazioni estese, durate per milioni di anni. Questa immagine della Namibia, che era ai tropici ~650 Ma fa, testimonia che era sotto i ghiacci. La vita, che consisteva anche di eucarioti piccolissimi, ha subìto notevoli costrizioni.

28. Tettonica delle placche Nome moderno della teoria della deriva dei continenti, proposta nel 1910 da A. Wegener, secondo cui la litosfera è suddivisa in una dozzina di placche principali, che si muovono galleggiando sull'astenosfera.

30. Movimenti della litosfera Molte rocce, contenenti granuli di ossido di ferro, acquistano una magnetizzazione permanente che rispecchia il campo esistente al momento della loro formazione. Questo ha consentito di misurare il campo magnetico terrestre degli ultimi 3.5 Gyr (paleomagnetismo) e di ricostruire i movimenti della litosfera determinando le date delle aggregazioni: • Aggregazione di Ur: 3,0 Gyr • Aggregazione di Kenorland: 2,5 Gyr • Aggregazione di Nuna/Columbia: 1,8 Gyr • Aggregazione di Rodinia: 1,1 Gyr • Frammentazione di Rodinia: 760 Myr • Aggregazione di Pannotia: 600 Myr • Frammentazione di Pannotia: 550 Myr • Aggregazione di Pangea: 300-250 Myr • Frammentazione di Pangea: 200 Myr

32. 

33. Evoluzione dell'atmosfera nel Precambriano Nella prima fase l'atmosfera era probabilmente costituita solo da emissioni vulcaniche: Vapor acqueo (H2O): 85%; Anidride carbonica (CO2):14%; Metano (CH4):1% ; Azoto molecolare (N2): 0.23% . L'anidride carbonica ha in parte reagito con le rocce della crosta terrestre formando i diversi carbonati e in parte si è disciolta negli oceani CO2 +CaSiO3=>CaCO3 + SiO2 La comparsa delle prime forme di vita ossigeniche ha avuto poi un notevole impatto sulla composizione chimica dell'atmosfera, che si è progressivamente arricchita di ossigeno. .

34. Evoluzione dell'atmosfera dalla formazione della Terra ad oggi Circa 4 miliardi di anni fa l'atmosfera era dominata dalla CO2 e poi dal metano; in seguito l'azoto divenne l'elemento principale.

35. PROBABILMENTE LA VITA SULLA TERRA E’ COMINCIATA MOLTE VOLTE.

36. ESTINZIONI Durante il Precambriano il numero di meteoriti era molto alto, ed è naturale pensare che ci siano state diverse sterilizzazioni. In seguito, il numero di meteoriti è diminuito e la Terra è diventata più ospitale per molti versi. Tutta la storia della vita è stata determinata da estinzioni, più o meno gravi e con diverse cause. Nel Fanerozoico sono avute 5 estinzioni di massa, e altre di minore entità.

37. LE 5ESTINZIONI DI MASSA 1) ORDOVICIANO SUPERIORE – 444 milioni di anni fa Imponenti glaciazioni causarono l'abbassamento del livello marino. Si estinse l'85% delle specie marine, soprattutto i trilobiti, che avevano dominato fino ad allora. 2) TARDO DEVONIANO – 375 milioni di anni fa Le cause non sono ben chiare. Potrebbe trattarsi di cambiamenti climatici. Si estinse l'82% delle specie. 3) PERMIANO-TRIASSICO – 252 milioni di anni fa Fu l'estinzione più tremenda della storia. Si estinse il 96% delle specie marine. Si pensa che la causa sia stata un'enorme eruzione vulcanica in Siberia, ma anche l'ipotesi di un asteroide è stata avanzata dopo il ritrovamento di due crateri di 250 Km di diametro in Antartide ed in Australia risalenti a quel periodo. 4) TRIASSICO-GIURASSICO – 200 milioni di anni fa Si estinse il 76% delle specie. La causa potrebbe essere stata una variazione climatica che porto ad un forte riscaldamento globale. I primi dinosauri sopravvissero e ciò aprì la strada alla loro radiazione adattiva nel Cretaceo. 5) CRETACEO-TERZIARIO – 65,5 milioni di anni fa E' la famosa estinzione che eliminò i dinosauri e favorì lo sviluppo dei mammiferi. Fu causata probabilmente da un meteorite di 10 km di diametro, precipitato sulla penisola dello Yucatan e da imponenti eruzioni: Trappi del Deccan (India).

38. Parte seconda: CENNI DI GENETICA E TEORIA DI DARWIN-WALLACE

39. PROPRIETA’ DELLA VITA SECONDO SCHROEDINGER (1944) Capacità di creare l’ordine a partire dal disordine, sfruttando fonti dienergia esterne Capacità di trasmettere le proprie caratteristiche per mezzo di un cristallo aperiodico

40. PROPRIETA’ DELLA VITA • Termodinamica: capacità di assorbire energia per creare ordine localmente. Metabolica: capacità di consumare energia per ilsostentamento, per muoversi e crescere. • Biochimica: capacità di produrre certi tipi di biomolecole (per esempio l’ATP). Genetica: capacità di riprodursi ed evolversi per selezione naturale.

41. Le forme di vita sulla Terra Il fatto che la vita si basi su un unico codice genetico fa pensare che tutte le forme di vita derivino da un antenato comune: LUCA (Last Universal Common Ancestor). Esse possono essere suddivise in 3 dominii: - Batteri e Archea (Procarioti)‏ • Eucarioti. LUCA Recenti ricerche sulle forme viventi marine non escludono che ci sia un quarto dominio

42. Da Nature 7/2/2008

43. Archebatteri (archaea) Differiscono geneticamente dai batteri per più del 50%. Il loro DNA è quasi sempre lineare. La loro membrana non è proteica o lipidica come per i batteri, ma è costituita essenzialmente da catene di isoprene, un idrocarburo alchenico. Molti di loro sono estremofili, alcuni termofili. LUCA potrebbe essere stato un Archaea.

44. CODIFICA DELLE PROTEINE I geni del DNA vengono copiati in RNA messaggero (mRNA), che tramite i ribosomi determina la costruzione delle proteine. I ribosomi sono composti da RNA ribosomiale (rRNA) e da proteine.

45. IL CODICE DELLA VITA il DNA è suddiviso in settori chiamati geni. Negli Eucarioti il DNA è avvolto su particolari proteine (istoni) e suddiviso in un numero limitato di cromosomi. Nei Procarioti “batteri” è circolare. Nei Procarioti “archea” può essere lineare e avvolto su istoni, come per gli Eucarioti.

46. Evoluzione per selezione naturale:la teoria di Darwin e Wallace Lavoro a cura di Angela Vitale 2009: bicentenario della nascita di Darwin, 150 anni dalla pubblicazione de “L’origine delle specie”

47. Le Specie Appartengono a specie diverse gli organismi che, anche se possono accoppiarsi, hanno prole sterile. Per i batteri, si definiscono specie diverse quando differiscono per più del 15% di determinati caratteri o altro. “Le specie non sono altro che varietà fortemente caratterizzate.” (Darwin)‏ Le specie viventi classificate sono circa due milioni.

48. Habitat e nicchia ecologica La nicchia ecologica non è lo spazio occupato da un organismo, bensì il ruolo che esso ha. La definizione più semplice è che la nicchia rappresenta “la professione” di un organismo, ossia il complesso di attività che esso svolge, e va distinta dall'habitat che è “l'indirizzo” dell'organismo. Legati al concetto di nicchia ecologica sono i fattori ambientali, come i limiti di temperatura tollerati dagli individui e le loro esigenze di umidità; i fattori biologici, come il tipo e la quantità di risorse nutritive; i fattori comportamentali, come le migrazioni o i cicli di attività quotidiana o stagionale.

49. La lotta per l’esistenza Tutti i viventi sostengono un’accanita concorrenza Risposta all’elevato tasso di riproduzione delle specie (nascono più individui di quanti ne possano sopravvivere: dottrina di Malthus estesa a tutti i viventi)‏ Ciascun individuo, lottando per la propria sopravvivenza, contribuisce al successo della specie e, se raggiunge l’età della riproduzione, può lasciare un maggior numero di discendenti.

50. La lotta per l’esistenza:cosa accade esattamente? Ciascuna specie è soggetta a forti variazioni del numero di individui che la compongono Le specie simili e concorrenti cercano di impadronirsi delle stesse nicchie ecologiche Se gli individui di una specie sono anche solo leggermente favoriti, il loro numero aumenterà a spese delle specie concorrenti Es: CLIMA – In un ambiente in cui è presente un clima estremo, nella lotta per la vita sarà avvantaggiata la specie più adatta a sopravvivere a quelle condizioni climatiche particolari.