1. L’evoluzione 

Possiamo definire l’evoluzione come l’accumulo, nel corso del tempo, di cambiamenti genetici all’interno di popolazioni. Una popolazione è un gruppo di individui di una data specie che vive nella stessa area geografica nello stesso momento. Con il termine evoluzione non ci si riferisce a cambiamenti che avvengono in un individuo durante la sua vita, ma a cambiamenti nelle caratteristiche di popolazioni nel corso di numerose generazioni. Questi cambiamenti possono essere così modesti da essere difficili da individuare o così macroscopici che la popolazione differisce enormemente da quella ancestrale. 

È anche possibile che due popolazioni possano divergere così tanto che ci si riferisca a esse come specie diverse. 

Quindi l’evoluzione ha due prospettive principali – adattamenti a breve termine delle popolazioni (microevoluzione) e formazione a lungo termine di specie differenti da antenati comuni (macroevoluzione).

I concetti di evoluzione prima di Darwin

Il naturalista francese Jean Baptiste de Lamarck ( 1744-1829) fu il primo scienziato a proporre che gli organismi viventi vanno incontro a cambiamenti nel tempo come risultato di alcuni fenomeni naturali piuttosto che dell’intervento divino. Secondo Lamarck, un cambiamento ambientale poteva determinare un’alterazione nel comportamento di un organismo, che cominciava a usare più di alcuni organi o parti del corpo e di meno di altr. Attraverso varie generazioni, un dato organo sarebbe aumentato di dimensioni se usato molto, oppure si sarebbe rimpicciolito e sarebbe eventualmente sparito se usato poco. Egli pensò anche che gli organismi potessero trasmettere alla propria discendenza i caratteri acquisiti  durante la loro vita. Per esempio, Lamarck ipotizzò che il lungo collo della giraffa, dotati di un collo corto, per nutrirsi delle foglie poste più in alto sugli alberi, cominciarono ad allungare il proprio collo. La prole di queste giraffe primitive ereditò quindi colli più lunghi. Questo processo, ripetuto per numerose generazioni, avrebbe dato luogo ai lunghi colli delle attuali giraffe. Egli pensava, inoltre, che tutte le forme viventi fossero pervase da una forza vitale che le spingeva ad evolvere verso una maggiore complessità nel tempo.

Darwin e l’evoluzione 

Darwin propose che l’evoluzione avvenisse per selezione naturale.

Il meccanismo proposto da Darwin di evoluzione attraverso la selezione naturale consiste di quattro osservazioni sulla natura: variabilità, sovrapproduzione, limiti alla crescita della popolazione ovvero lotta per la sopravvivenza e successo riproduttivo differenziale.

1. Variabilità. Gli individui di una popolazione mostrano una grande variabilità rispetto ai loro caratteri. Ogni individuo ha una combinazione unica di caratteristiche, come le dimensioni, il colore e la capacità di tollerare condizioni ambientali sfavorevoli e resistere a certi parassiti e infezioni. Alcuni caratteri migliorano la probabilità di sopravvivenza di un organismo e il suo successo riproduttivo, mentre altri no. È importante ricordare che la variabilità necessaria per l’evoluzione mediante la selezione naturale è genetica e può essere trasmessa alla prole.
2. Sovrapproduzione. La capacità riproduttiva di ogni specie causa la sua crescita in modo esponenziale nel corso del tempo. Ad ogni generazione,  ogni specie ha la capacità di produrre più discendenti di quanti possano sopravvivere.
3. Limiti alla crescita della popolazione, o lotta per l’esistenza. A disposizione di una popolazione c’è solo una limitata quantità di cibo, acqua, luce, spazio per crescere e altre risorse  e, di conseguenza, gli organismi competono gli uni con gli altri per l’accesso a queste risorse limitate. Poiché ci sono più individui di quanti l’ambiente ne possa sostenere, non tutti sopravviveranno fino a riprodursi.
4. Successo riproduttivo differenziale. Gli individui in possesso delle combinazioni di caratteri più favorevoli hanno maggiore probabilità di sopravvivere e riprodursi. Poiché la prole tende ad essere simile al propri genitori, la generazione successiva presenta i tratti ereditabili dei genitori.

Il successo riproduttivo è la chiave della selezione naturale: gli individui meglio adattati sono quelli con il maggior successo riproduttivo, mentre gli individui con caratteristiche meno favorevoli muoiono prematuramente o producono prole meno numerosa o meno vitale.

Le prove a sostegno dell’evoluzione  

La conferma più diretta dell’evoluzione deriva dalla scoperta, dall’identificazione e dall’ interpretazione del fossili, che rappresentano i resti o le tracce lasciate, in genere in rocce sedimentarie, da organismi antichi. Una roccia sedimentaria di forma per accumulo e solidificazione di particelle prodotte dalla disgregazione di rocce più vecchie, come quelle vulcaniche. Le particelle di sedimento, che solitamente si depositano sul fondo di fiumi, laghi e oceani, si accumulano e nel corso del tempo formano strati distinti.

I reperti fossili mostrano una progressione dal più primitivo organismo unicellulare agli odierni organismi pluricellulari, a dimostrazione del fatto che la vita si è evoluta nel corso del tempo.

Benché molti fossili siano conservati in rocce sedimentarie, alcuni resti più recenti si sono ben conservati in paludi, ambra o ghiaccio. 

Solo pochi organismi che muoiono diventano fossili. La formazione e il mantenimento di un fossile richiedono che un organismo venga sepolto in condizioni che rallentino il processo di decomposizione. Questo è molto probabile che avvenga se un organismo è velocemente ricoperto da sedimenti costituiti da fini particelle di terra sospese in acqua. I reperti fossili non sono campioni occasionali della vita passata, ma quelli maggiormente rappresentati sono organismi acquatici e quelli che sono vissuti nei pochi habitat terrestri favorevoli alla formazione dei fossili.

2. La classificazione dei viventi 

Il numero totale di specie viventi è stimato essere tra 8,7 e 100 milioni, ma ne sono state descritte soltanto 1,9 milioni. I biologi sino ad oggi, stimano che siano state identificate meno del 15% delle specie terrestri e meno del 10% delle specie marine.

La diversità degli organismi viventi e la varietà degli ecosistemi che essi formano sono note come biodiversità.

La nomenclatura binomiale 

Lo studio scientifico della diversità degli organismi e delle loro relazioni evolutive è chiamato sistematica. Un importante aspetto della sistematica è la tassonomia, la scienza che si occupa di dare un nome, descrivere e classificare gli organismi viventi. Il termine classificazione significa ordinare gli organismi in gruppi basati sulle similarità che riflettono le relazioni evolutive tra le linee di discendenza.

Linneo semplificò la classificazione biologica sviluppando un sistema di nomenclatura binomiale, nel quale a ciascuna specie veniva assegnato un unico nome, composto da due parti. La prima parte di tale nome identifica il genere, mentre la seconda parte è chiamata epiteto specifico.

Il nome del genere può essere utilizzato anche da solo per indicare l’insieme delle specie attribuite a quel genere (ad esempio, Quercus è il genere che comprende tutte le specie di querce).  L’epiteto specifico non è il nome della specie. Infatti, lo stesso epiteto specifico può essere utilizzato come secondo nome di specie di generi differenti. Per esempio, Quercus alba è il nome scientifico della quercia bianca, mentre Salix alba è il nome del salice comune. Pertanto, entrambe le parti un nome scientifico devono essere utilizzate contemporaneamente per identificare una data specie.

Ciascun livello tassonomico è più generale del precedente 

L’insieme delle categorie tassonomiche, da quella di specie a quella di dominio, forma una gerarchia. Specie strettamente affini sono attribuite a un medesimo genere, mentre generi strettamente affini possono essere raggruppati insieme in una singola famiglia. Le famiglie sono raggruppate in ordini, gli ordini in classi, le classi in phyla, i phyla in regno e i regni in domini.

3. I cinque regni 

Fino a non molto tempo fa tutti gli esseri viventi venivano raggruppati in due grandi regni, quello degli animali e quello delle piante. In seguito lo sviluppo delle indagini al microscopio ha permesso di osservare e studiare esseri molto più piccoli, e la classificazione è stata modificata, arrivando alla definizione di cinque regni distinti: animali, piante, funghi, protisti, monere.

Il regno delle monere 

Comprende tutti i procarioti, i primi organismi comparsi sulla Terra, i più semplici e, attualmente, anche i più abbondanti.

Il loro successo biologico è dovuto da un lato alla velocità di riproduzione, dall’altro alla versatilità metabolica che ha consentito la loro sopravvivenza anche in condizioni ambientali avverse: alcuni di essi, infatti, sono capaci di produrre spore in grado di rimanere quiescenti fino allo stabilirsi di condizioni di vita più favorevoli.

La classificazione dei procarioti è tradizionalmente basata sulle differenze riguardanti le dimensioni, la forma, l’aspetto delle colonie e le modalità di nutrizione. In epoca più recente, a seguito di studi di biochimica cellulare, è stata individuata una ulteriore classe di batteri, dotati di sequenze nucleotidiche molto diverse dagli altri e di sequenze metaboliche del tutto particolari, che li rendono idonei a sopravvivere in ambienti estremi, molto simili alle condizioni della Terra primordiale. 

Tali batteri sono stati riuniti nella famiglia degli archebatteri, che nelle classificazioni più recenti è considerata un regno a sé stante. Tra questi si  distinguono:

• metanogeni, capaci di sintetizzare metano a partire da anidride carbonica e idrogeno;
• alofili, in grado di vivere in ambienti ricchi di sali;
• termoacidofili, che invece vivono in ambienti fortemente acidi  e ad alte temperature.

Tutti gli altri batteri vengono classificati come eubatteri e comprendono specie autotrofe ed eterotrofe.

Il regno dei protisti 

Comprende tutti gli organismi eucarioti unicellulari e alcuni semplici organismi pluricellulari. Si pensa che i primi organismi eucarioti abbiano avuto origine in seguito all’ingresso di organismi procarioti in cellule più grandi, con le quali hanno stabilito un rapporto di simbiosi: in particolare, i procarioti fotosintetici avrebbero dato origine agli attuali cloroplasti, mentre organismi procarioti eterotrofi avrebbero originato i mitocondri.

Questa ipotesi, nota come teoria dell’endosimbionte, sembra avvalorata dalla somiglianza riscontrata tra le membrane di alcuni batteri e quelle mitocondriali, dalla somiglianza di alcune sequenze di r-RNA e, soprattutto, dal fatto che sia i mitocondri che i cloroplasti possiedono un cromosoma proprio, molto simile al cromosoma batterico in cui sono codificate alcune delle proteine mitocondriali. Mitocondri e cloroplasti, inoltre, possono riprodursi solo a partire da altri mitocondri e cloroplasti preesistenti. 

I protisti possono essere autotrofi, eterotrofi o versatili (cioè organismi autotrofi ed eterotrofi contemporaneamente), unicellulari o pluricellulari, e sono capaci di raggiungere notevoli gradi di complessità, visto che tutte le funzioni vitali sono svolte da un’unica cellula.

Vengono tradizionalmente suddivisi in:

• protozoi, eterotrofi unicellulari in grado di condurre vita libera o parassita e di riprodursi generalmente per via asessuata, anche se in alcuni casi possono avere cicli sessuati. In base al tipo di mobilità si distinguono in:
• mastigofori: dotati di uno o più flagelli a seconda delle dimensioni, vivono per la maggior parte dentro o sopra altri organismi; 
• sarcodini: sono dotati di pseudopodi, estensioni citoplasmatiche che consentono gli spostamenti;
• ciliofori: dotati di ciglia, sono i protozoi più complessi. Hanno due tipi di nuclei, i macronuclei e i micronuclei, trasferibili da una cellula all’altra;
• opalinidi: dotati di ciglia come i ciliofori, sono tutti parassiti e vivono nel tubo digerente di vari animali (rane, pesci, rettili);
• sporozoi: sono parassiti privi di ciglia o flagelli, caratterizzati da cicli vitali complessi, come il Plasmodium vivax, protozoo responsabile della malaria;
• funghi mucillaginosi, rappresentati da organismi pluricellulari o plurinucleati, cioè dotati di più nuclei. Si riproducono mediante spore;
• muffe d’acqua, costituite da cellule plurinucleate come i funghi mucillaginosi, ma con la peculiarità di possedere cellule riproduttive flagellate;
• alghe, distinte in sei divisioni in base al tipo di pigmenti fotosintetici accessori, al tipo di riserva alimentare accumulata e alla presenza di parete cellulare.

Il regno dei funghi 

Si compone di organismi unicellulari o pluricellulari le cui caratteristiche sono tanto diverse da quelle di piante ed animali da essere considerati un regno a sé stante.

I funghi sono costituiti da filamenti, detti ife, le cui pareti contengono chitina, un polisaccaride assente nelle piante, ma presente nell’esoscheletro di insetti e artropodi. Le ife sono a loro volta riunite a formare il micelio. Sono organismi eterotrofi, saprobi o parassiti, che riversano enzimi digestivi sulle sostanze organiche fino a decomporle in molecole più piccole, destinate ad essere assorbite. Insieme ai batteri rappresentano i principali organismi decompositori della materia organica e per questo crescono in qualsiasi ambiente in cui questa sia disponibile. Si tratta di organismi immobili, il cui unico mezzo di «locomozione» è l’accrescimento.

I lieviti sono funghi unicellulari ampiamente utilizzati nella preparazione di alimenti, quali pane, vino, birra, formaggi, e di antibiotici. 

I funghi pluricellulari, invece, vengono raggruppati, a seconda delle caratteristiche riproduttive, in quattro divisioni:

• ascomiceti, basidiomiceti, zigomiceti, capaci di riprodursi per via sessuata o asessuata;
• deuteromiceti, in grado di riprodursi solo per via asessuata.

Il regno delle piante 

Le piante sono organismi fotosintetici pluricellulari che si sono adattati a vivere sulle terre emerse, originandosi, probabilmente, dalle alghe verdi, con le quali condividono molte caratteristiche. 

Lo spostamento sulla terraferma ha comportato una serie di adattamenti comuni a tutte le piante terrestri, fra i quali:

• la formazione della cuticola, un rivestimento ceroso che serve a preservare le parti aeree della pianta dalla perdita d’acqua;
• la formazione degli stomi, aperture presenti sulle foglie attraverso le quali avvengono gli scambi gassosi;
• lo sviluppo di organi riproduttivi, come gli sporangi e i gametangi.

Dopo lo spostamento sulla terraferma le piante si differenziarono in due linee evolutive distinte: le briofite, generalmente di piccole dimensioni, prive di apparati vascolari e radicali, e le piante vascolari.

Il regno degli animali 

Gli animali sono organismi pluricellulari eterotrofi, accomunati dalla caratteristica di doversi procacciare il cibo. La necessità di procurarsi il cibo ha determinato negli animali lo sviluppo di organi di locomozione di tipo diverso a seconda della specie, che in ogni caso richiedono la presenza di cellule contrattili e di sistemi nervosi per la trasmissione degli impulsi e la coordinazione dei movimenti. La necessità di movimento pone anche un limite alla massa raggiungibile dall’animale, cosicché contrariamente alle piante, che continuano ad accrescersi per tutta la vita, la maggior parte degli animali, raggiunta l’età adulta, arresta la propria crescita. Gli animali moderni sono invece dotati di strutture tubolari, all’interno delle quali sono presenti cavità tubolari.

Gli invertebrati rappresentano il 95% di tutti gli animali esistenti e mostrano un’enorme varietà, passando da forme microscopiche a forme molto grandi. Si dividono in: poriferi o spugne, cnidari, platelminti, nemertini, nematodi, molluschi, anellidi, artropodi, echinodermi.

I vertebrati appartengono al phylum dei cordati e sono costituiti da quattro componenti fondamentali: la notocorda, un cordone cartilagineo che si estende per tutta la lunghezza del corpo; il cordone nervoso dorsale cavo, un tubo pieno di liquido che corre sotto la superficie dorsale dell’animale; la faringe, dotata di fessure branchiali; la coda, posteriore all’ano. Questi animali, la cui evoluzione dai cordati è testimoniata da numerosi reperti fossili, sono caratterizzati sia da un endoscheletro osseo che cresce insieme all’organismo, sia dal possesso di una colonna vertebrale flessibile, che in genere costituisce l’asse del corpo. La colonna, formata da vertebre intercalate con dischi cartilaginei che le conferiscono flessibilità, circonda e protegge il cordone nervoso, mentre il cervello di solito è racchiuso tra piastre ossee. 

Fra i vertebrati si distinguono le classi di: pesci, anfibi, rettili, uccelli, mammiferi.