APPUNTI PER UNA LEZIONE: si parla di alcuni aggiornamenti e precisazioni su qualche processo evolutivo che conduce all’uomo moderno; a cura di Piero Pistoia

Questo post cerca di raccontare qualcosa di nuovo e aggiornato sull’evoluzione della nostra specie.

In via di preparazione e di sviluppo…

DALLA FORESTA ALLA SAVANA-PRATERIA: UNA NUOVA TEORIA

Numerose esplosioni di cicli climatici ‘umido-secco’ accompagnarono gli Ominini nella loro evoluzione

In Africa Orientale a partire da circa 4 milioni di anni fa.

Appunti a cura di Piero Pistoia, in particolare dalla lettura dell’articolo:

Peter B. deMenocal “SHOCK CLIMATICI” da Le Scienze it., novembre 2014, pagg. 50-55

Nel corso dell’evoluzione dell’uomo è probabile che i cambiamenti climatici ad ampio raggio abbiano potuto modificare la disponibilità e le caratteristiche del cibo, creare necessità di ripari opportuni e di altre esigenze per la sopravvivenza.

Probabile anche che l’alternanza fra stagioni umide e stagioni secche avrebbe potuto attivare pressioni selettive sulle popolazioni interessate, innescando tendenze evolutive ora all’adattamento, ora alla nascita di nuove specie o verso l’estinzione.

A questi probabili eventi di lungo termine nel corso della storia evolutiva degli esseri viventi in particolare dell’uomo, si sovrappongono alcuni avvenimenti catastrofici (cinque negli ultimi 0.5 Ga o 500 milioni di anni fa). Interessante, drammatico e miracoloso per noi è l’evento che si verificò a 66 Ma fa, per la caduta di un meteorite sulla penisola dello Yucatan (Messico), che sterminò i dinosauri e il 50-90 per cento di altre specie più in vista. Da piccole creature più in ombra, liberatisi numerosi ecosistemi, esplosero nuove forme, in particolare i mammiferi, a cui appartiene anche l’uomo, differenziatisi velocemente da piccoli insettivori arboricoli (simili all’attuale topo-ragno).

Nel caso dell’Africa Orientale, semplificando troppo, pensavamo che ci fosse stato un cambiamento climatico (forse un’unica grande oscillazione umido-secco) che avrebbe fatto regredire la foresta a favore della savana e della prateria, per cui i nostri antenati, costretti a lasciare la foresta per avventurarsi nelle aree più aperte e secche piene di pericoli, sarebbero stati sottoposti a forti pressioni selettive venendo favoriti nel tempo i geni per la deambulazione bipede, un cervello più grande e la capacità di costruire utensili, mentre gli altri Hominidi regredivano nella foresta.

Da misure recenti di rapporti isotopici del carbonio nel mare, nel territorio, e sui denti degli ominini, oggi possiamo sostenere che quell’ipotesi è falsa! Il passaggio dalla foresta verso condizioni più aride avvenne, non in un unico momento, ma attraverso una rapida successione di cicli umido-secco. Ipotizzando che queste pulsazioni avrebbero potuto probabilmente dipendere dai monsoni periodici dell’Africa e dell’Arabia, tracce di essi potrebbero anche essere state lasciate nei depositi marini del mare Arabico.

Si pensò così di investigare con opportuni carotaggi i sedimenti depositati in questo mare. Fu considerata una carota di 300 m, presa, a salire, a partire dalla zona di divergenza fra la linea delle grandi scimmie e quella degli umani, cioè da almeno 7 Ma fa (7 milioni di anni fa). E’ facile da questi dati calcolare i centimetri di carota corrispondenti ad un millennio. Se in 7 Ma (7*10^3 millenni) si depositarono 300 m (3^4 cm) di fanghi marini allora in 1000 anni… :

7*10^3 millenni : 3*10^4 cm = 1 millennio : X

X = 4.3 cm per ogni millennio; cioè per ottenere quanti centimetri corrispondono ad 1 millennio basta dividere tutti i cm corrispondenti a tutti i millenni, diviso tutti i milenni per il concetto di divisione.

In laboratorio fu notata questa alternanza di strati ciascuno formato da un livello più chiaro (clima umido) e un livello più scuro (clima secco); ogni strato, a due livelli, aveva circa uno spessore di un 1 metro. E’ possibile ora calcolare quanti millenni corrispondono ad un metro ( spessore di uno strato chiaro-scuro). Basta vedere quante volte 4.3 cm, che corrisponde ad un millennio, è contenuto in 100 cm (cioè 1 m spessore di ogni strato):

100/4.3 = 23 millenni → 23000 anni

Ovvero ogni strato corrisponde ad un ciclo di 23000 anni. In astronomia conosciamo, fra i movimenti orbitali della terra intorno al sole, l’esistenza di uno con periodo vicino, che trasforma per ogni ciclo un clima da oceanico a più continentale e viceversa, da estati più umide a estati più secche rispettivamente. Trecento metri per trecento millenni di orbite terrestri! Queste oscillazioni così riflettono la relazione fra i climi monsonici africani ed asiatici e questi cicli astronomici della terra. Vediamo perchè.

Oggi nell’emisfero boreale abbiamo l’estate in afelio ed i punti equinoziali (dove l’asse terrestre forma un angolo di 90° col raggio vettore terra-sole), si trovano a metà strada fra afelio e perielio. Gli equinozi, però, ogni anno anticipano di circa 20 minuti, per cui i punti degli equinozi (asse di rotazione perpendicolare alla congiungente terra-sole) scorrono in senso contrario, e quindi orario, al movimento di rivoluzione della terra, che è antiorario se visto dal nord celeste. Questo movimento è causato da una rotazione a doppio cono dell’asse terrestre per effetto trottola causato dalle attrazioni di altri corpi del sistema solare sul rigonfiamento equatoriale della terra. Ma anche la linea degli absidi si sposta ruotando incontro al movimento dei punti equinoziali a causa di altre attrazioni: i due movimenti insieme hanno un periodo di circa 21000 anni. Cioè gli equinozi impiegano a causa di questi due movimenti circa 2100 anni a percorrere tutta l’orbita. Così l’estate boreale di oggi, evento che cade quando la terra è intorno all’afelio (quando cioè il sole è più lontano e quindi è meno calda e più umida, con inverno meno freddo, clima più oceanico ), scivolerà lungo l’orbita e dopo 10500 anni circa si troverà in perielio (estate vicina al sole e quindi più calda e secca, con inverno più freddo, clima più continentale ).

L’ambiente di cui si parla, a partire da 7 milioni di anni fa e anche prima, fu a più riprese abitato dai nostri lontani antenati. Da prima cominciarono le prime avvisaglie di territori a savana erbosa con arbusti e gruppi di alberi a partire dalla foresta più umida, e nei millenni questi due ambienti furono sottoposti a continue e rapide variazioni in un senso e nell’altro, però mediamente e tendenzialmente rimasero sempre più aperte a climi più caldi e secchi. Infatti fra circa 3 ma e 2.5 ma e fra 1.8 e 1.6 si espansero le grandi praterie (intervalli temporali critici per le esplosioni di specie umane; vedere figura).

Per poter vedere inserito in questi ambienti, in rapida trasformazione per milioni di anni, il cammino evolutivo dei nostri lontani antenati sono intercorsi “ingegnosi lavori di indagine scientifica” (afferma con orgoglio meritato il prof. deMenocal). Bisognava riuscire a collegare rilevanti caratteristiche di questi due ambienti (processo fotosintetico chiamato C4 (1) proprio delle erbe della savana calda e secca, con più isotopo C13 rispetto a C12 nelle loro strutture, e processo fotosintetico C3 (2) per la foresta ed erbe più adatte ad ambienti più umidi, con più C12), con caratteristiche analoghe sui vari fossili degli ominini. Intanto bastava riuscire a misurare il rapporto isotopico C13/C12 per stabilire il rapporto fra piante erbe e legnose in un certo territorio ad una certa epoca, onde costruire la prima parte del diagramma. Come inserire però i fossili dei nostri antenati ominini in un diagramma C13/C12 sulle ascissa e tempo in ma sulle ordinate? Bisognava riuscire a misurare questo rapporto isotopico su parti fossilizzate dei nostri ominini estinti che avesse a che fare con la flora dell’ambiente in cui vivevano. Si doveva collegare insomma la dieta al paesaggio!

Gli scienziati hanno iniziato ad analizzare la composizione isotopica della dentatura degli ominini fossili nella zona in studio. Un americano moderno ha una dentatura come le piante C4, perché ha nella dieta per lo più carne bovina, che proviene dal mais, un’erbacea C4. Per gli antenati, dallo studio nel bacino del lago Turcana (Cerling e colleghi, 2013), appare chiaramente un secondo momento evolutivo della nostra storia a circa 2 milioni di anni, quando un divergenza alimentare separò il ramo dell’Homo da quello dei Parantropi (boisei, …), che mangiavano piante C4 e felci in una nicchia isolata e presto si estinsero. Per Homo i dati erano misti come la loro dieta (C3/C4=65/35); essi costruirono strumenti litici, tramandarono i loro geni alla discendenza e continuarono ad evolvere (Vedere il grafico di questo mirabile articolo sulla rivista).

Per un’analisi più curata e approfondita, per conoscere i limiti e le prospettive di questa ricerca si rimanda all’articolo sulle Scienze, Novembre 2014 nominato all’inizio.

CENNI SU EVOLUZIONE RECENTE PER FATTORI BIOLOGICI E CULTURALI

Appunti dalle letture degli articoli:

j. Hawks “Evoluzione continua”; Le Scienze, novembre 2014

A. Beltramini “Eppure l’evoluzione va avanti”; FOCUS-Dossier, dicembre 2014: “Evoluzione: cosa stiamo diventando”

DOBZANSKY afferma che l’evoluzione tendenzialmente passa da biologica a culturale a partire da circa 40 mila anni fa quando apparve l’uomo moderno (uomo di Cro-Magnon): in che senso?

Una prima risposta può essere che, dopo tale data, la medicina e la tecnologia, in continuo progresso nel corso del tempo, fattori capaci di controllare la Natura e se necessario anche sconfiggerla, avrebbero sempre più sottratto l’uomo alla evoluzione Darwiniana, con l’ostacolare tendenze genetiche o indebolendo la selezione.

Una seconda risposta più mediata riguarda l’azione, sui geni, delle decisioni psichico-sociali e politiche (che decidono, per es., sul numero dei figli in funzione dell’economia, della qualità della vita…); meno figli, meno variazione di geni, meno interazione della selezione naturale. In maniera più mediata queste decisioni e comportamenti potrebbero influenzare anche il periodo fertile delle femmine (diminuzione dell’età dell’inizio della fertilità, come accade anche oggi in certe civiltà più ‘fredde’) o allungamento della loro età fertile. Così una scelta selettiva provocata non dalla richiesta della biologia, ma da impulsi psicologici, educativi o socio-politici, però di grande potenza sulla sfera genetica, viene a previlegiare largamente la volontà individuale consapevole, alle forze naturali specie-specifiche.

Rimane però il fatto che l’evoluzione umana non è finita. Infatti il pool genetico umano ha continuato a modificarsi nel tempo senza l’interferenza delle decisioni umane, anche se con tassi diversi. Questo significa che il DNA resta continuamente sottoposto a mutazioni casuali dei geni. Se mutazioni casuali intervengono sul pool genetico, e per caso trovano un utile riscontro per la sopravvivenza (s.l.) della specie, le proteine associate ad esse mutazioni si diffondono nelle popolazioni e vi permangono più bassa e la numerosità e più è alta l’energia della selezione, creando un vantaggio. Infatti nel corso degli ultimi 30-40 ka, il nostro recente passato, siamo cambiati geneticamente. Prima, per es., di 7500 anni fa solo i neonati riuscivano a digerire il latte per la presenza nell’ organismo dell’enzima lattasi, mentre dopo lo svezzamento il latte non era da considerare un cibo, perché l’enzima spariva. Probabilmente nel corso dei millenni più volte sarà capitata una mutazione che rendeva attivo l’enzima lattasi nel corpo umano anche dopo lo svezzamento (nel complesso se un evento ha possibilità di avvenire, se ho a disposizione molto tempo, esso avviene!), ma non risultò utile, in assenza di latte a disposizione nell’ambiente. Solo alla data di 7500 anni fa tale evento risultò utile perché nel contempo si erano resi disponibili greggi e mandrie di animali da latte. Questo per dire che l’evoluzione non è completamente controllata dalla cultura.

A partire da10000 anni fa avvenne la rivoluzione agricola, col passaggio da caccia-raccolta a agricoltura, allevamento e cottura cibi, che ebbe come conseguenza anche la riduzione delle dimensioni dei denti e dell’apparato mascellare nel flusso delle generazioni. In particolare mise a disposizione i cereali ricchi di amido. Tale rilevante evento fu condizionato dal fatto che tale cibo potesse essere digerito. Probabilmente se al tempo i cereali non potevano essere digeriti, in qualche modo tale rivoluzione sarebbe stata ostacolata. Ciò significa che nel contempo nel gene per l’amilasi (enzima salivare che ‘digerisce’ l’amido) avvenne questa mutazione che, risultando utile, si diffuse velocemente nelle popolazioni. Questo non significa che ‘tentativi di amilasi’ non ci fossero stati anche precedentemente, risultando però inutile (assenza di amido da digerire), spariva attraverso le generazioni. Le mutazioni avvengono a caso e casualmente si incontrano con il relativo cambiamento ambientale che, se le favorisce, le diffonde, in generale in una rapida evoluzione, se sorgono in piccoli gruppi isolati sottoposti a forte selezione; la conservazione della mutazione vantaggiosa dipende dal momento e dalla numerosità della popolazione. Attualmente alcune popolazioni, dopo la rivoluzione agricola, hanno svariate copie di questo gene, mentre i popoli rimasti, ancora oggi, cacciatori-raccoglitori posseggono molte meno copie. In generale, sembra che una nuova mutazione, sotto selezione favorevole, cresca in maniera esponenziale. La pendenza della curva esponenziale da principio aumenta lentamente, per cui ci vogliono molte generazioni perchè questamutazione si manifesti. Una volta apparsa, la crescita è costante(?) e molto rapida. Es., nel caso dell’enzima lattasi, l’uomo di Similaun, mummificatosi circa 5500 anni fa, non aveva la mutazione per la tolleranza al lattosio anche se erano passati 1000 anni dalla sua apparizione, 7500 anni fa.

Da precisare che le mutazioni non solo possono essere utili, ma anche inutili e spesso dannose.

Comunque sembra diventare sempre più rilevante per la sopravvivenza futura l’evoluzione darwiniana. Es., le popolazioni umane oggi non hanno mutazioni che proteggono dal virus dell’Ebola: può accadere che al passare del tempo in una piccola popolazione avvenga il cambiamento opportuno di DNA e, se colpita dal virus sotto alta selezione (l’Ebola è una ‘brutta bestia’), tale mutazione si consoliderà. Così con l’aumento della temperatura del globo, territori sempre più a nord tendono ad acquisire climi più caldi con ‘migrazioni’ di batteri e virus tropicali. Restiamo in attesa di mutazioni casuali opportune! Già alcune popolazioni caucasiche hanno un gene mutato che protegge per l’Hiv anche a basso numero di copie e anche certe popolazioni africane hanno un gene che modifica i globuli rossi a protezione per la malaria (per approfondire i meccanismi leggere l’articolo su Le Scienze). Questa mutazione ha avuto un enorme successo in Africa, presente nel 95% delle persone; mentre è presente solo nel 5% degli Europei e asiatici. Conosciamo mutazioni che sono diffuse nelle popolazioni umane di oggi, ma esistevano già a partire da decine di migliaia di anni fa e non sono ‘sparite’, anche se non sappiamo quale utilità abbiano! almeno per ora. Comunque sembrano, per il tempo di permanenza, non essere dannose. Altra mutazione strana è la perdita di geni da parte del cromosoma Y che controlla i caratteri sessuali nei maschi. Non sappiamo di preciso che vantaggio o svantaggio abbia, né se si tratta di una modifica del DNA per mutazione casuale naturale, o conseguente a comportamenti e scelte umane.

Solo recentemente abbiamo acquisito caratteri fisici oggi molto diffusi come il colore della pelle, dei capelli e degli occhi. Nelle prime fasi della nostra evoluzione i nostri antenati avevano questi attributi genericamente scuri, anche se tendevano a schiarire nelle successive generazioni.

Solo però dal qualche migliaia di anni apparvero le nuove mutazioni. Per es., solo negli ultimi 30ka si e diffusa una mutazione, in Asia e poi in America, per i capelli spessi, lisci e neri. Gli occhi azzurri apparvero oltre 9ka fa. Comunque il colore di pelle, capelli e occhi si sono evoluti con una rapidità incredibile. Ci sarebbe da riportare anche la storia relativa all’anemia falciforme (malattia dove i globuli rossi diventano rigidi e a forma di falce tanto da intasare i vasi sanguigni) con la mutazione del gene che codifica l’emoglobina normale in falciforme, ma che impedisce al parassita della malaria di infettarli, ma rimandiamo all’articolo de Le Scienze.

Da notare che l’evoluzione diventa rapida in piccoli gruppi isolati se la selezione naturale è potente, come nel caso dell’ebola o sotto certi fattori di scelta culturali, perché in definitiva l’uomo è anche un animale culturale!

Da continuare…

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