L’evoluzione, in biologia è una teoria, in base alla quale, nel corso del tempo gli esseri viventi generazione dopo generazione cambiano geneticamente rispetto ai loro progenitori, assumendo caratteristiche sempre diverse e di adattamento volta per volta secondo le esigenze vitali rispetto al nuovo ambiente. La teoria dell’evoluzione è oggi universalmente riconosciuta negli ambienti scientifici, ed ha un ruolo fondamentale nella biologia moderna. L’evoluzione agisce secondo una selezione naturale che elimina gli individui più inadatti e favorisce chi ha assunto caratteristiche adeguate all’ambiente cui si trova, tutto ciò avviene in tempi lunghissimi attraverso innumerevoli generazioni, e pertanto difficilmente dimostrabile in laboratorio. Tuttavia ci sono vari evidenti fattori che ne provano l’esistenza, come ad esempio l’osservazione di mutazioni vistose di alcune specie viventi dopo che i loro genitori subivano un alta concentrazione di radiazioni, e tali mutazioni sono a livello genetico e quindi trasmissibili da generazione in generazione. Un'altra evidenza, è conosciuta nell’ambiente della medicina dalla resistenza che sviluppano alcuni batteri agli antibiotici; praticamente il medicinale provoca una selezione naturale, eliminando i più deboli e favorisce il batterio che casualmente ha avuto una mutazione adatta come difesa, e tale batterio sarà il progenitore della successiva stirpe che resisterà all’antibiotico. L’evoluzione, è in un certo senso anche un fatto “intuitivo”, se si è dei buoni osservatori della natura, e addirittura nella vita di tutti i giorni, ci sono varie analogie con la selezione naturale, e quindi con l’evoluzione.

Storia dell'evoluzione

Quando Charles Darwin pubblicò per la prima volta “L’origine della specie” nel 1859, colse tutti di sorpresa, e gli studiosi e naturalisti di allora si resero conto di non aver saputo mettere assieme degli elementi, cui era riuscito in modo geniale Darwin. La teoria di Darwin era in realtà il risultato finale di alcune correnti e di una serie di idee evoluzionistiche, intese come moderne, che si facevano strada sin dagli inizi del 1.700, se non addirittura del secolo precedente, nate in contrasto con le idee creazionistiche di fine seicento che fino ad allora venivano accettate nel mondo scientifico, con la pubblicazione del “Il Sistema naturae di Linneo” del 1735. Infatti nei primi decenni del 1700, le ricerche geologiche, dal carattere collezionistico con destinazione nelle case di aristocratici, cambiarono e si arricchirono di interesse scientifico. D’altronde ci si trovava in un epoca di fervore scientifico, di esplorazioni e scoperte geografiche; Mendel esponeva le sue rivoluzionarie scoperte (ignorate da Darwin, che le lesse con superficialità); Newton rivoluzionò la fisica. Alla fine i dibattiti dell’origine della vita, dal creazionismo si spostarono su tutt’altro campo, e finalmente ci si cominciava ad interrogare sulle modalità e le dinamiche dell’evoluzione, a formulare nuove ipotesi e teorie che potessero spiegare ciò. Nel 1809 il botanico e naturalista Jean Baptiste de Lamarck avanzò per primo una teoria, secondo la quale gli organismi viventi si modificherebbero secondo i loro comportamenti ambientali, e sosteneva che ad esempio, se in origine si hanno due specie queste definiscono due lignaggi. Ciascuna specie cambierebbe con il passare del tempo, fino a che la sua forma originaria venga completamente trasformata in una nuova specie, con nulla a che fare con il suo progenitore, essendo quindi una nuova specie. Il numero di lignaggi sarebbe sempre lo stesso (solamente 2), e ciascuna con una specie in ogni momento. Il meccanismo di cambiamento delle specie sarebbe dovuto, secondo Lamarck, ad alcune “forze interne”, che produrrebbero negli organismi leggere modificazioni, che si andrebbero accumulando nelle generazioni seguenti. Il suo modello di ereditarietà non era corretto e si basava sul concetto dei caratteri acquisiti. Qualsiasi incidente, malattia, sforzo fisico, eccetera, si ripercuoterebbe nelle cellule sessuali dell’individuo e si trasmetterebbe alla discendenza. L’esempio classico del lamarckismo è la crescita del collo delle giraffe. Egli riteneva che le giraffe ancestrali avessero il collo corto e che sforzandosi per arrivare alle foglie più alte degli alberi, avrebbero così acquistato la caratteristica ereditaria del collo lungo (legge dell’uso degli organi). Questo sforzo si sarebbe trasmesso alla discendenza che presentava un collo un po’ più lungo ( legge dell’ereditarietà dei caratteri acquisiti ). Si formò cosi nel corso di molte generazioni, una stirpe di erbivori dal collo lunghissimo: le giraffe. Un altro esempio, secondo Lamarck, riguardava la comparsa dei serpenti. I rettili, come tutti i vertebrati terrestri, hanno tipicamente quattro zampe (tartarughe, lucertole, coccodrilli), ma alcuni non ne sono provvisti. Probabilmente antiche lucertole presero l’abitudine di strisciare tra i sassi o in cunicoli sotterranei allungando enormemente il proprio corpo. Le zampe vennero usate sempre meno perché ormai inutili o addirittura d’impaccio alla locomozione. Quindi si ridussero fino a sparire e quindi (legge del non uso degli organi) dando origine ai serpenti.Un terzo esempio riguardava le zampe palmate degli uccelli acquatici. Questi uccelli derivavano da antenati a zampe normali che, a furia di nuotare sull’acqua, avevano teso la pelle tra dito e dito fino a formare un’ampia membrana palmata.Lamarck propose una numerosa serie di esempi ed arrivò addirittura ad affermare che la necessità può creare un organo. La sua teoria però conteneva un errore di base, e cioè l’ereditabilità dei caratteri acquisiti, ad esempio ad un culturista non nasceranno figli già muscolosi, poiché la muscolosità è un fatto morfologico, fenotipo, e non genetico, quindi tramissibile. La teoria di Lamarck fu duramente contestata da quello che viene considerato il padre dell’anatomia comparata, il naturalista Georges L. Chretien Cuvier, il quale fu anche l’autore della “Teoria delle catastrofi naturali”, secondo la quale, ogni tanto le spece viventi vengono spazzate via da una catastrofe, e vengono sostituite dalle creature sopravvissute. Circa cinquanta anni dopo Lamarck, Darwin formulò una teoria completamente nuova, secondo la quale non era l’ambiente la causa determinante dell’evoluzione come diceva Lamarck, ma bensì la casualità delle mutazioni genetiche, che solo successivamente potevano trovare o non, il favore dell’ambiente, quindi la selezione / eliminazione per le mutazioni meno adatte. Darwin colse l’occasione della sua vita, imbarcandosi a 22 anni sul brigantino Beagle, salpando da Devonport il 27 dicembre 1831. Egli fu profondamente impressionato dalle numerose varianti di esseri viventi che aveva occasione di osservare durante il suo viaggio da isola in isola, e ne annotava scrupolosamente i particolari. Il giovane Darwin traeva spunto anche dagli studi sulla natura dell’economista e filosofo, Thomas Malthus. Darwin si convinse quindi che la lotta per la sopravvivenza fosse il principale motore dell’evoluzione, e non l’ambiente che entra in scena in un secondo momento effettuando la sua selezione naturale.

Il Neodarwinismo

Se Darwin avesse letto il manoscritto che gli fu recapitato sugli studi di un monaco di Brno, Gregor Mendel (Altre personalità che hanno contribuito in modo importante alla sviluppo della Sintesi moderna sono: Ronald Fisher, Theodosius Dobzhansky, J.B.S. Haldane, Sewall Wright, Julian Huxley, Ernst Mayr,George Gaylord Simpson e Motoo Kimura), avrebbe fatto un balzo avanti di decenni, egli probabilmente lo lesse ma senza molta attenzione. Infatti, agli inizi del 1900 quando gli studi di Mendel furono rivalutati, e alla luce della scoperta della struttura del DNA con i relativi studi e la nascita della biochimica, sulla base della teoria di Darwin ci fu una nuova formulazione della teoria dell’evoluzione, praticamente una sintesi aggiornata della vecchia teoria: la “Sintesi Moderna” o “Teoria Sintetica dell’Evoluzione”, o ancora “Neodarwinismo”, che si fonda essenzialmente sulla moderna teoria genetica della selezione naturale, che in sintesi può essere interpretata in questo modo: l’insieme del pacchetto genetico di una popolazione costituiscono un “pool genetico”, tali geni sono in competizione fra di loro attraverso la selezione naturale, e continuamente ci sono delle mutazione che determinano nuovi geni. Tali novità concorrono a loro volta con gli altri, e quelli che troveranno il favore relativo al determinato habitat, avranno la meglio affermandosi. Ogni gene dello stesso “pool genetico” può avere più varianti prodottesi durante la sua storia; le varianti di uno stesso gene vengono dette “alleli”, e a seconda della loro quantità all’interno del pool genetico, si parla di alta o bassa frequenza allelica. A livello genetico, l'evoluzione può essere definita come il processo con cui la frequenza allelica varia in un pool genico. La frequenza allelica cambia in continuazione per alcuni fattori quali l’emigrazione dal gruppo, la mortalità, l’alta o bassa riproduzione rispetto al gruppo, per deriva genetica, mutazioni ecc. Facciamo un esempio degli alleli responsabili di una particolarità all’interno di una popolazione, come ad esempio la lunghezza delle gambe, essa sarà decisiva in caso di un habitat ricco di predatori, e tale selezione, come in altri casi, produrranno variazioni delle frequenze all’eliche dovute al caso, mentre la mutazione di un alleli in un altro è un caso meno frequente e quindi influisce di meno sulla variazione della frequenza allelica.

Le caratteristiche fondamentali della teoria Neodarwiniana sono:

1. La rappresentanza dell’albero filogenetico, che risale a Lamarck o prima, e cioè che tutti gli esseri viventi discendono da un solo progenitore.

2. Nascono più individui di quanto ne sopravvivranno.

3. Le varianti genetiche all’interno di ogni singola specie sono frutto di mutazioni, che attraverso ricombinazioni elleniche, rimescolamenti genetici e crossino over, arricchiscono il campionario genetico, aumentando le probabilità di sopravvivenza della specie.

4. L’evoluzione è un fenomeno che riguarda l’intero pool genetico di ogni specie vivente, e non agisce singolarmente.

5. La selezione naturale salva le mutazioni vantaggiose, mentre scarta quelle inadeguate rispetto al proprio habitat.

Le critiche alla Teoria Sintetica (o Neodarwiniana)

L’importanza della selezione naturale relativa all’evoluzione, è stata recentemente messa in discussione dalla “Teoria Neutralistica”, secondo la quale l’evoluzione si svolgerebbe in seguito a mutazioni non particolarmente influenti ai fini della selezione, ovvero i cambiamenti ne migliorerebbero ne peggiorerebbero il fitness individuale. Secondo i sostenitori di tale teoria i cambiamenti sono dovuti ad una deriva genetica casuale, mentre secondo i sostenitori della selezione naturale sarebbe proprio quest’ultima a determinare l’evoluzione, anche a livello molecolare.

Più recentemente è nata un'altra teoria: la Teoria degli Equilibri Punteggiati, secondo la quale l’evoluzione si svolgerebbe, dopo lunghi periodi di stasi, da bruschi cambiamenti evolutivi.

Filogenetica o Fologenia

La filogenetica è un mezzo fondamentale della sistematica che si occupa di ricostruire la filogenesi, cioè le relazioni di parentela evolutiva tra gruppi tassonomici di organismi a qualunque livello sistematico. La filogenetica si occupa di studiare l’origine e l’evoluzione di un insieme di specie. La funzione essenziale della sistematica è quella di determinare le relazioni ancestrali fra specie note, viventi ed estinte, e le metodologie più comunemente adoperate per costruire una filogenia include la cladistica e la fenetica.
La filogenesi è lo studio delle relazioni evolutive, l'analisi filogenetica è il modo con cui facciamo delle inferenze su queste relazioni. Nella storia dell'analisi filogenetica si ricorre spesso ad una rappresentazione grafica ad albero (treelike) che costituisce una sorta di albero genealogico o di pedigree.

Numerosi algoritmi sono stati proposti, molti programmi per il calcolatore e sono a disposizione dei ricercatori per queste finalità, ma in ogni caso i risultati e la validità delle conclusioni dipendono dalla struttura e dalle dimensioni del database utilizzato. Il pericolo di ingenerare risultati non corretti è maggiormente elevato nell'analisi filogenetica rispetto alle altre discipline scientifiche. Nel nostro caso la maggior difficoltà nell'analisi filogenetica è quella di definire un modello in grado di costruire un certo albero.

Esempio di albero filogenetico costruito con il programma CLUSTAL per sequenze di 5.8S DNA di piante funghi e protisti. I taxa e le sequenze corrispondono agli acronimi utilizzati in ambito filogentico.

ELEMENTI DEI MODELLI FILOGENETICI

La costruzione di un albero filogenetico presuppone l'adozione di un modello particolare di evoluzione.

I modelli filogenetici richiedono inoltre una serie di assunzioni di default.

La sequenza è corretta e origina da una specificata sorgente.

Le sequenze sono omologhe (discendono da una sequenza ancestrale).

Ogni posizione in una sequenza è omolga con ogni altra nell'allineamento.

Ogni sequenza multipla inclusa in una analisi comune possiede una storia genetica comune.

Il campionamento dei taxa deve essere adeguato a risolvere il problema di interesse.

La variabilità delle sequenze tra i campioni contiene un segnale filogentico adeguato per risolvere il problema di nostro interesse.

La sequenza nel campione evolve secondo un semplice modello stocastico.

Tutte le posizioni nella sequenza evolvono secondo un processo stocastico.

Ogni posizione nella sequenza evolve in modo indipendente.

Errori nelle analisi filogenetiche possono essere spesso attribuiti alla violazione di uno o più dei requisiti, sfortunatamente i metodi in uso non offrono informazioni e indicano la violazione degli assunti.

ANALISI FILOGENETICA DEI DATI

Possiamo indicare in quattro fasi lo studio filogentico del DNA, che analizzeremo in modo indipendente ma che rappresentano una unica componente nell'analisi filogenetica. Le fasi sono:

1- COSTRUZIONE DEL MODELLO DI ALLINEAMENTO

2- MODELLO DI SOSTITUZIONE

3- COSTRUZIONE DELL'ALBERO

4- VALUTAZIONE DELL'ALBERO

I metodi di analisi si possono utilizzare per il DNA, per le proteine data la grande diversità biochimica degli aminoacidi si devono porre maggiori parametri matematici. Vedremo poi che esistono diverse modalità con le quali possiamo costruire il nostro albero.

1- ALLINEAMENTO- L'analisi filogenetica è data da un allineamento multiplo delle sequenze, nella letteratura la base dell'allineamento individuale viene definito come SITES. Questi sites sono equivalenti a characters. Unica eccezione è data dal programma STATALING che utilizza una notazione di diversa. La selezione delle procedure di allineamento rappresenta il primo passo per l'estrazione dei dati filogenetici da un data set. A questo punto è necessario considerare come vogliamo trattare le regioni definite nell'allineamento come ambigue ed in particolare le inserzioni, le delezioni o molto più semplicemente i gaps per la costruzione dell'albero filogenetico.

Esempio di otto allineamenti di sequenze di RNA, queste sequenze possono dare luogo ad una ipotetica struttura secondaria.

Dall'analisi filogenetica possimo ottenere due soluzioni alternative.

LE PROCEDURE DI ALLINEAMENTO

Le procedure di allineamento multiplo fanno ricorso solitamente a delle subroutine che costringono ad utilizzare degli attributi o delle opzioni.

Una tipica procedura di analisi filogenetica implica inizialmente l'impiego del programma CLUSTAL W con un allineamento manuale ed il successivo impiego dei programmi di creazione dell'albero filogenetico. La procedura che dobbiamo seguire è riportata nello schema seguente, in questo schema facciamo riferimento alla nomenclatura anglossassone.

Computer dependence - Il manuale indica le procedure adottate in forma implicita per la la costruzione dell'albero filogenetico, queste procedure in generale sono ottimizzate per la costruzione di un albero secondo la procedura definita come MP. I criteri per la costruzione possono essere :

1-MP- Maximum parsimony

2-ML- Maximum likelihood

3-DISTANCE

Questi sono definiti criteri di divergenza che determinano tre tipologie di alberi differenti.

Abitualmente un approccio totalmente dipendente dal computer indica che assumiamo che il programma produca un allineamento "corretto". In realtà dovremo fare particolare attenzione nelle scelte in quanto i programmi e gli algoritmi che utilizziamo non sono ottimizzati per le analisi filogenetiche (Thomson 1994). 

Phylogenetic criteria- Molti programmi utilizzano una guida per la costruzione filogenetica dell'albero (guide tree) che consente sulla base di un esplicito criterio filogenetico di definire l'allineabilità delle sequenze. I programmi che consentono di utilizzare questa procedura sono CLUSTAL, PileUp, ALIGN. I programmi come SAM e MACAW sono esempi di programmi che non richiamano criteri filogenetici espliciti ma il processo filogenetico può essere mimato manualmente. Alcuni programmi sono stati concepiti per ottimizzare gli allineamenti ricorrendo a procedure di tipo ricorsivo e costruire un albero filogenetico (TreeAlign e MALIGN). Dal punto di vista teorico esiste il problema di valutare un set di soluzioni e definire quella "migliore".

Alignment Parameters Estimation - Dipendono da tutti gli elementi del modello evolutivo, i parametri sono dinamici e sono direttamente implementati nel programma CLUSTAL., mentre nel programma SAM si ricorre ad un sistema di pesi.

Allignement of Primary Versus Higher Order Sequence Structure - In questo caso si tiene conto dell'importanza filogenetica del mantenimento di una certa omologia della struttura secondaria e terziaria della sequenza. Un approccio di tipo strutturale è molto importante in quanto consente di analizzare dal punto di vista funzionale le sequenze. I programmi sopra menzionati non sono in grado di effettuare questo tipo di analisi si deve quindi "forzare" per avere una evoluzione della struttura consistente con la filogenesi.

Mathematical optimization - Alcuni programmi (SAM e MACAW), ma non tutti sono in grado di fornire una ottimizzazione in accordo con certo modello statistico. Rimane la difficoltà che non esiste nessun metodo che possa dirci quale modello di allineamento sia meglio di un altro (Morrison e Ellis 1997).