Tipologie ed organizzazione
della biodiversità
Salvatore Cozzolino
Dipartimento di Biologia
Strutturale e Funzionale
Università di Napoli
Federico II
Come definiamo la ‘biodiversità?
• La somma di tutte le variazione biotiche dal livello dei
geni a quello di ecosistema.
• Il numero, la varietà e la variabilità degli organismi
viventi in una determinata area (in una goccia d’acqua,
in un isola, nel pianeta)
• La biodiversità è il risultato di più di tre miliardi di anni
di evoluzione e include i milioni di differenti specie, la
diversità dei geni, della fisiologia, del comportamento,
la moltitudine delle interazioni ecologiche, la varietà
degli ecosistemi che essi costituiscono.
La biologia della vita ha una struttura
regni
gerarchica
ecosistemi
phyla
BIODIVERSITA’
comunità
generi
specie
popolazioni
organisno
organi
tessuti
cellule
Macromolecole (es. DNA,proteine)
Molecole di base
atomi
…di conseguenza anche la biodiversità
può avere una serie di livelli gerarchici
• Diversità tassonomica
•
•
•
•
•
•
•
regni
phyla
Famiglie
Generi
Specie
Subspecie
Populazioni
•
Diversità Ecologica
•
•
•
•
•
Biomi
Ecosistemi
Habitat
specie
Popolazioni
•Diversità genetica
»
•Populazioni
•Individui
•Geni
•Nucleotidi
Livelli principali di organizzazione della
diversità: la diversità genetica
I Chihuahua, i bracchi ed i rottweiler sono tutti cani —ma
sono differenti perchè i loro geni (alleli) sono differenti.
Chihuahua
bracco
Rottweiler
Diversità genetica all’interno delle specie:
perchè è importante
•La variazione genetica è il materiale di partenza per la biodiversità ed è
fondamentale per l’evoluzione. La variazione tra individui rappresenta
infatti l’oggetto dell’azione della selezione naturale e dell’adattamento.
• La variabilità genetica influenza la probabilità di sopravvivenza a lungo
termine delle specie, poiché la capacità di una popolazione di evolversi
nel tempo e adattarsi ai cambiamenti ambientali dipende dall’ampiezza
del pool genico della popolazione.
• Le specie rare e a rischio di estinzione corrono il pericolo di perdere
variabilità genetica e quindi la capacità di adattarsi a mutate condizioni
ambientali. Il mantenimento di adeguate dimensioni della popolazione e
la riduzione dell’inincrocio sono pratiche gestionali adeguate per il
mantenimento della diversità genetica.
Diversità genetica
La variabilità della struttura genetica delle popolazioni viene
solitamente misurata analizzando i polimorfismi della sequenza di
DNA e individuando i diversi genotipi. La genetica di
popolazione studia la composizione dei geni all’interno di un
gruppo di individui cioè le frequenze alleliche e i diversi
genotipi, le variazioni che interessano questi geni nel tempo e
le differenze esistenti tra vari gruppi o popolazioni
eterozigosi-polimorfismo
• L’eterozigosi, H, esprime la frequenza di individui eterozigoti
e viene calcolata per gene per popolazione.
• Il valore medio dell’eterozigosi per N geni esprime il grado di
eterozigosi di una particolare popolazione per il gruppo di
geni analizzati.
• Si distingue in Ho (eterozigosi osservata) e Ha (eterozigosi
attesa) all’equilibrio di HW.
• La capacità di una popolazione di adattarsi ai cambiamenti
ambientali è direttamente dipendente dall’ammontare della
diversità genetica che possiede.
• Più bassa sarà la variabilità genetica di una specie meno
questa sarà in grado di reagire alle variazioni selettive e
maggiore sarà il suo rischio di estinzione.
Legge di Hardy-Weinberg
In popolazioni infinitamente grande, con accoppiamento casuale,
in assenza di mutazione, migrazione e selezione naturale, ogni
genotipo si accoppia in modo proporzionale alla sua frequenza: le
frequenze genotipiche non variano nel corso delle
generazioni e dipendono dalle frequenze alleliche secondo
l’equazione p2 + 2pq + q2 = 1
Nelle grandi popolazioni Ho(eterozigosi
osservata) corrisponde ad Ha (eterozigosi
attesa)
Allele
Freq.
•
•
•
•
Fattori che alterano le frequenze alleliche
Mutazione
Selezione
Migrazione
Eventi casuali che si verificano nelle
piccole popolazioni (deriva genetica)
La deriva genetica causa:
• La perdita di variabilità genetica all’interno delle popolazioni
• la divergenza tra popolazioni diverse
• la fluttuazione delle frequenze alleliche di una popolazione
nel tempo
L’effetto della deriva genica
dipende dalle dimensioni delle
popolazioni (di solito non
produce effetti nelle grandi
popolazioni)
Simulazione di Deriva genetica
La Deriva genetica si osserva nelle popolazioni di piccole
dimensioni e produce effetti casuali (fissazione differenziale
degli alleli)
Caso estremo: Effetto “collo di
bottiglia”
Livelli principali di organizzazione
della diversità: la diversità delle specie
scimmie, libellule e rose sono tutte specie
differenti
Metodi per stimare la biodiversità
specifica
• Ricchezza di specie: il numero totale di specie in una
determinata area
• Rappresentazione delle specie: il grado con cui il
numero di individui risulta essere diviso tra le
differenti specie della comunità
• Dissimilarità delle specie: stima delle differenze
fenotipiche/genetiche tra le specie risultanti dai
livelli di relazioni filetica tra loro
• Rarità delle specie: la rarità di organismi in una
determinata area.
Biodiversità: ricchezza delle specie
• E’ la stima più semplice che dipende dalla
presenza/assenza di specie (è quindi semplicemente il
numero di specie).
Vantaggi:
- Semplice e “facilmente” misurabile,
- Tutte le specie hanno la stessa importanza
- Le stime dei differenti operatori sono abbastanza
confrontabili (stesso numero di specie per le stesse aree)
• Esiste già abbastanza informazione sul numero di specie
esistenti in una località (liste, flore, faune) e nella letteratura
scientifica e nei cataloghi dei musei, orti botanici etc.
• Può fungere da buon surrogato per la stima di molti altri tipi
di variazione della biodiversità
• Ha un ampia applicazione: la specie, come unità, è
comunemente utilizzata nelle pratiche legislative, di
gestione, nella prassi comune.
Biodiversità: ricchezza di specie
Svantaggi:
- Difficolta nella conta delle specie
- Difficoltà nella definizione di specie
- Tutte le specie hanno la stessa importanza o ci
sono delle specie più importanti di altre ( in
termini ecologici, economici, sociali, specie
ombrello)?
- E le specie che sono più uniche rispetto ad altre
(cioè che sono prive di specie affini nello stesso
ambiente)?
Ricchezza di specie: il numero totale di specie in una
determinata area
N=3
N=2
Biodiversità: il numero di specie
• Quantà biodiversità c’è sul pianeta?
 1.7—2.0 milioni di specie già descritte
 Specie stimate: 10-100 milioni
Biodiversità: il numero di specie
Gli insetti, ed i coleotteri in particolare, costituiscono il
maggior numero di specie sul totale!
God has “an inordinate fondness for beetles” (JBC Haldane)
Curva della ricchezza di specie: relazione tra in numero di
individui campionati ed il numero di specie trovate. Ad un
certo punto si raggiunge un plateau per cui si può ottenere
una stima approssimata delle specie presenti nell’area
campionata
I più comuni metodi tassonomici utilizzati per
quantificare la biodiversità in termini di numero
di specie sono:
 Concetto morfologico di specie
 Concetto filogenetico di specie
 Concetto biologico di specie
…………..ciascuno ha i suoi pregi e difetti!!
Concetto morfologico di specie:
• Il più piccolo gruppo di organismi
permanentemente separato dagli altri per
una distintà discontinuità nei caratteri
ereditari (morfologia, biochimica, etc.)
Problemi con il concetto
morfologico di specie:
Variazione nella
specie
Specie criptiche
Concetto filogenetico di specie
• Il più piccolo gruppo di organismi diagnosticamente
distinto da altri gruppi (su base fenotipica o genetica)
ed all’interno del quale esiste un pattern di ancestralità
e discendenza
Specie C
Specie B
Specie A
Problemi con il concetto
filogenetico di specie
• Non abbiamo questo livello di
informazione filogenetica per tutte le
specie
• Rischia di aumentare la stima del numero
di specie (ogni ramo terminale viene
considerato una diversa specie)
Concetto biologico di specie
• Gruppo di organismi che possono
liberamente incrociarsi tra loro in
condizioni naturali e che sono
riproduttivamente isolati dagli altri gruppi
Comparazione tra il concetto biologico di specie
ed il concetto filogenetico di specie
- Isolamento riproduttivo
Problemi con il concetto
biologico di specie:
• Non tiene conto dell’ibridazione
• Non funziona non le specie che fanno solo
riproduzione asessuale (es. batteri)
• Non funziona con i fossili
• Concetto funzionale ma difficile da
applicare nella pratica
• Compromesso:
• l’auspicio è di poter applicare il concetto
filogenetico combinato con quello
biologico per tutte le specie ma nella
pratica applichiamo principalmente il
concetto morfologico di specie
•Rappresentazione del specie: il grado con cui il
numero di individui risulta essere diviso tra le differenti
specie della comunità
Esempio: calcolo dell’indice di Shannon-Weaver
Supponiamo di analizzare un quadrante di 100 m2 in una foresta
e contiamo 6 quercie, 3 pini, 1 acero, 8 faggi. Calcoliamo quindi
l’indice Hi per questo quadrante:
specie
i
Ni
pi
ln(pi)
pi*ln(pi)
1
6
0.333
-1.100
-0.366
2
3
0.167
-1.790
-0.298
3
1
0.056
-2.882
-0.161
4
8
0.444
-0.812
-0.361
SUM
18
1.000
-1.186
Ci sono 4 specie quindi la ricchezza di specie è = 4.
Ci sono 18 individui quindi H' = -SUM{ pi*ln(pi)} = -(-1.186) = 1.186
Dissimilarità delle specie: stima delle differenze
fenotipiche tra le specie risultanti dai livelli di relazioni
filetica tra loro
Fringuelli delle Galapagos
Dissimilarità delle specie:
• Organismi che che in un
ambiente sono rappresentati da
specie uniche (senza specie
affini, filogeneticamente
correlate) possono, sotto certi
aspetti, avere una priorità (ed un
peso) maggiore rispetto a quelli
che invece sono rappresentate da
gruppi di specie affini
• Questo perchè le specie uniche
rappresentano una risorsa non
sostituibile (nemmeno
parzialmente) di materiale
genetico che può avere un alto
valore intrinseco
Es. Primula palinuri
Rarità delle specie:la rarità di organismi in una determinata
area.
Si possono usare delle curve di
specie-area per comparare
differenti regioni
Distribuzione della Biodiversità:
Il numero di specie è inversamente
correlato alla dimensione degli organismi
Distribuzione della Biodiversità:
la concentrazione del numero di specie aumenta dai poli
verso l’equatore
Es. Numero di specie di uccelli nel continente nord-americano
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Distribuzione della Biodiversità:
gli “HOTSPOTS”
• Sono aree che hanno un elevato numero di specie ed un elevato
numero di endemismi
• Gli HOTSPOT occupano circa l’ 8% del mondo ma contengono circa il
46% del numero totale di specie esistenti.
• Includono le maggiori foreste tropicali ma anche aree con clima
mediterraneo
Distribuzione della Biodiversità: le isole
• McArthur & Wilson: il
numero di specie su un
isola è in funzione degli
eventi di colonizzazione,
dei livelli di estinzione,
delle dimensioni dell’isola,
della distanza dalla
terraferma.
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Distribuzione della Biodiversità: le isole
• Effetto della dimensione • Effetto della distanza
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Distribuzione della Biodiversità: le isole
• La dimensione delle isole, a parità di distanza dalle
aree circostanti, può far predirre il numero di specie
Distribuzione della Biodiversità:
le aree frammentate
• La frammentazione
dell’habitat
corrisponde alla
crezione di isole. Le
aree più piccole
contengono il minor
numero di specie e
sono più soggette ai
fenomeni di
estinzione locale
Distribuzione della Biodiversità nel tempo
24 March 2009
Biodiversity.ppt
Livelli principali di organizzazione della
diversità: la diversità degli ecosistemi
Praterie, paludi, foreste pluviali sono tutti ecosistemi,
ciascuno è differente dagli altri con il proprio insieme di
specie (comunità) che vivono in esso.
Il terzo livello della biodiversità è quello delle comunità biologiche
e degli ecosistemi.
Comunità biologica = insieme delle specie che occupano una
parte di territorio ed interagiscono fra loro
Ecosistema = insieme della comunità biologica associata ai
fattori fisici dell’ambiente (sistema funzionale che include gli
organismi di una comunità naturale ed il loro ambiente).
Il livello ecosistemico rappresenta la massima complessità, in
quanto:
1. riassume quella dei livelli precedenti (genetico e di specie)
2. comprende i fattori abiotici
3. include le reciproche influenze della componente biotica e
di quella abiotica
Biodiversità delle comunità e degli ecosistemi
La diversità ecosistemica si riferisce alla diversità di
una località a livello di ecosistema. Ci sono tre
prospettive:
Alpha Diversità: la diversità all’interno della comunità:
La diversità degli organismi che vivono all’interno della
stessa comunità/habitat (diversità locale)
Beta Diversity: Diversità tra le comunità: diversità degli
organismi tra le comunità di due habitat (la variazione
nella rappresentazione delle specie da un sito all’altro)
Gamma Diversity : La diversità dei differenti habitat di
un paesaggio o di un area geografica (diversità regionale)
Il livelli di biodiversità (genetico, specie,
ecosistema) sono interdipendenti tra loro?
• Studi recenti hanno dimostato che il livello di
diversità genetica in una specie vegetale in un
ecosistema ha un effetto positivo sul numero delle
altre specie e sulla produttività dell’ ecosistema.
• il numero di specie di
artropodi della comunità
aumenta in presenza di
alta diversità genetica
della specie vegetale
ospite.
• Ciò implica che la
perdita di diversità
genetica in una specie
ha ripercussioni sul
numero di specie
presenti nel suo
ecosistema
Rete ‘network’ della biodiversità
Diversità delle specie:
differenti tipi di organismi,
densità, frequenza delle specie
Diversità ecologica:
differenti habitat, nicchie, interazioni
tra specie e tra specie e ambiente
Diversità genetica:
differenti geni, combinazioni di geni,
frequenze geniche