Biologia per il liceo/La classificazione dei viventi

La scienza che studia la classificazione dei viventi è la tassonomia e la sistematica. I due termini talvolta vengono usati come sinonimi. In un'altra accezione la tassonomia sarebbe una branca della sistematica volta a individuare le varie categorie di viventi.

La sistematica classica si occupa della creazione di una classificazione sistematica (suddivisione in categorie), della denominazione ( nomenclatura ) e dell'identificazione ( determinazione ) degli esseri viventi. Il sistema moderno degli esseri viventi (Stuessy 1990)  si basa sulla ricostruzione della filogenesi degli esseri viventi (ovverosia sullo studio della storia evolutiva di essi) e sullo studio dei processi che portano alla diversità degli organismi ( biologia evolutiva ) ed è quindi indicato anche come sistematica naturale.

La tassonomia, in senso stretto, si occuperebbe di individuare i gruppi (taxa, singolare: taxon) ai quali viene assegnato un rango tassonomico; gruppi di un dato rango possono essere aggregati per formare un gruppo più inclusivo di rango superiore, creando così una gerarchia tassonomica. Le categorie principali nell'uso moderno sono: dominio , regno , phylum (la divisione è talvolta usata in botanica al posto di phylum), classe, ordine, famiglia, genere e specie. Il botanico svedese Carlo Linneo è considerato il fondatore dell'attuale sistema di tassonomia, poiché sviluppò un sistema classificato noto come tassonomia linneana per la categorizzazione degli organismi e la nomenclatura binomiale per la denominazione degli organismi.

Le categorie individuate dalla tassonomia sono tutte arbitrarie, ovverosia dipendono dai criteri che lo scienziato individua per crearle. Vi è però una categoria che più di altre possiede dei criteri chiari e definiti, si tratta della specie.

Il concetto di specie

In biologia, la specie è alla base della classificazione degli organismi viventi, essendo il livello tassonomico obbligatorio gerarchicamente più basso. La scelta di un criterio univoco e universale per identificare le specie è però difficile, soprattutto in quanto esse sono entità non statiche, ma che si modificano nel tempo e nello spazio e, pertanto, ciò che osserviamo è un momento di un processo evolutivo che è in realtà continuo; da qui la difficoltà a creare confini certi e di conseguenza l'incertezza nella definizione.

Tutti gli animali o le piante che sono dello stesso "tipo" appartengono alla stessa specie. I lupi ( Canis lupus ) sono una specie. Gli esseri umani ( Homo sapiens ) sono un'altra specie. In generale, l'idea è che, ad esempio, i gatti si riproducano con i gatti e producano altri gatti. Questa è la base per decidere di avere una specie chiamata Felis catus . Tuttavia, dare una definizione semplice di "specie" è difficile.

La specie biologica

Secondo questo concetto, una specie è un gruppo naturale (o popolazione ) di individui che possono incrociarsi tra loro, ma che sono riproduttivamente isolati da altri gruppi imparentati. Questo è il concetto più ampiamente accettato e il maggior consenso tra gli zoologi . Assumere una specie come biologica implica supporre evolutivamente che si tratti di una popolazione riproduttivamente isolata, motivo per cui costituisce un lignaggio evolutivo separato, rinforzato da una serie di barriere che possono essere di natura geografica o biologica. La specie biologica è libera di seguire il proprio corso in risposta ai processi genetici e alle influenze ambientali che causano cambiamenti evolutivi. La connotazione del concetto lo rende inapplicabile agli organismi fossili , anche se il meglio che si può fare in questo caso è determinare se le lacune morfologiche tra gli esemplari sono altrettanto grandi, o più grandi, di quelle tra specie viventi isolate dal punto di vista riproduttivo. Questo concetto ha delle limitazioni rispetto agli organismi che si riproducono asessualmente (per apomissia, tipo di partenogenesi ), alcune specie di rotiferi (organismi microscopici), molluschi , artropodi , vertebrati (alcuni pesci e lucertole dei generi Cnemidophorus e Aspidoscelis , Reeder, 2002) e alcune piante vascolari. Esistono anche molti casi di ibridazione in cui viene prodotta una prole fertile che rimane come unità genetiche ed evolutive indipendenti. Questo caso si verifica principalmente nelle piante vascolari in cui l'ibridazione è comune. Per avere un’idea di cosa accadrebbe se a questi casi si applicasse il concetto di specie biologica, bisogna indicare che ogni individuo dovrebbe essere considerato una specie biologica a sé stante.

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  Popolazione di elefanti della stessa specie, interfertili tra loro
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  Popolazione di pinguini
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  I salici si ibridizzano facilmente
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  Aspidoscelis uniparens, una lucertola che si riproduce solo per partenogenesi
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  L'apomissi (la produzione di semi senza che ci sia fecondazione o meiosi) è una modalità di riproduzione molto comune tra le angiosperme, come nel tarassaco.

Specie morfologica

La specie "morfologica" è quella basata su caratteri morfologici. Viene generalmente usata per le specie attuali e per quelle fossili. Quando si hanno a disposizione molti esemplari (minimo 50) i caratteri rappresentabili da numeri possono essere indagati con metodi statistici. In passato strettamente connessa al concetto di specie tipologica oggi è sempre più rimpiazzata, perlomeno nelle specie viventi, da studi di ordine molecolare e genetico. È infatti ovvia la difficoltà di applicazione di tale definizione a criptospecie (sono specie che pur essendo completamente isolate dal punto di vista riproduttivo, sono estremamente simili dal punto di vista morfologico e per tale motivo non è possibile la discriminazione, appunto, in base a caratteristiche morfologiche e sono necessari analisi di tipo, genetico, biochimico, etologico, ecologico, ecc.) e a specie con una variabilità morfologica molto marcata. Il dimorfismo sessuale unito a variabilità morfologica, ad esempio, possono apparentemente accomunare esteriormente organismi appartenenti a specie totalmente differenti.

Tipico è ad esempio il caso di maschi di dimensioni ridotte di alcuni coleotteri che tendono a rassomigliare a femmine di specie differenti. Portando alle estreme conseguenze l'applicazione del concetto di specie morfologica, si rischia di cadere in situazioni paradossali. Ad esempio, due individui possono essere molto diversi pur appartenendo alla stessa popolazione o addirittura alla stessa nidiata: è questo il caso delle specie polimorfiche. Dal lato opposto, due individui possono essere morfologicamente quasi identici pur appartenendo a due popolazioni diverse e geneticamente incompatibili: è questo il caso delle specie sorelle (criptospecie o sibling species).

Per questi motivi il criterio morfologico viene applicato in biologia solo quando non ci sono alternative (nei fossili) e in quanto riflesso (e indicatore) dei rapporti filogenetici tra i gruppi presi in considerazione, non diversamente da come il grado di parentela in un albero genealogico viene ricostruito sulla base dei trascorsi storici della linea familiare piuttosto che sulla similarità di aspetto (per quanto mediamente possa essere maggiore tra individui strettamente imparentati che tra non imparentati).

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  Fossili del paleozoico
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  Fossili vari
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  Fossili vari
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  Dorcus sp., a destra la femmina
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  Lucanus sp. in alto a destra due femmine

Specie tipologica

La "specie tipologica" è quella fondata su un tipo, definito olotipo, cioè su un esemplare che la rappresenta e che dovrebbe essere in un museo pubblico a disposizione degli studiosi. L'esemplare quindi può servire per i confronti; ma non è sempre così, perché ad es. può perdersi. In questo caso può essere rimpiazzato da un neotipo. Quindi, per definizione, il concetto di specie tipologica non implica necessariamente il fissismo di Linneo, perché al tipo se ne possono aggiungere altri, paratipi, che danno l'idea della variabilità. Questo concetto, sebbene oggi comunemente utilizzato in tassonomia, è formalmente incompleto e di utilizzo più pratico che teorico, in quanto criticato aspramente da Lamarck in poi, che con la teoria nominalistica mette in discussione l'idea stessa di archetipo.

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  Olotipo della farfalla Agrias phalcidon
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  Olotipo del Marocaster coronatus

Specie cronologica

La specie "cronologica" è basata sul concetto "tempo" ed è il classico campo di studi sulla paleontologia sistematica e biostratigrafia. Si possono indicare vari esempi da sezioni stratigrafiche affidabili. Uno di questi, molto significativo è il concetto di cronospecie per l'ammonite del genere Hildoceras (che si può considerare una specie il cui ambito morfologico è quello della specie tipo Hildoceras bifrons).

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  Rocce stratificate
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  Diverse specie di ammoniti

Specie "genetica"

Un altro criterio è la somiglianza genetica (o molecolare, più in generale). In microbiologia , i geni possono muoversi liberamente anche tra batteri lontanamente correlati, estendendosi eventualmente all'intero dominio batterico. Come regola generale, i microbiologi hanno assunto che i membri di Bacteria o Archaea con sequenze geniche di RNA ribosomiale 16S più simili del 97% tra loro debbano essere controllati tramite ibridazione DNA-DNA per decidere se appartengono alla stessa specie. Questo concetto è stato ristretto nel 2006 a una somiglianza del 98,7%.

Il metodo dell'identità nucleotidica media (ANI) quantifica la distanza genetica tra interi genomi , utilizzando regioni di circa 10.000 coppie di basi . Con dati sufficienti dai genomi di un genere, gli algoritmi possono essere utilizzati per categorizzare le specie, come per Pseudomonas avellanae nel 2013, e per tutti i batteri e gli archaea sequenziati dal 2020. I valori ANI osservati tra le sequenze sembrano avere un "gap ANI" all'85-95%, suggerendo che è presente un confine genetico adatto per definire un concetto di specie.

Il codice a barre del DNA è stato proposto come un modo per distinguere le specie adatte anche all'uso da parte di non specialisti. Uno dei codici a barre è una regione del DNA mitocondriale all'interno del gene per la citocromo c ossidasi . Un database, Barcode of Life Data System , contiene sequenze di codici a barre del DNA di oltre 190.000 specie. Tuttavia, scienziati come Rob DeSalle hanno espresso preoccupazione per il fatto che la tassonomia classica e il codice a barre del DNA, che considerano un termine improprio, debbano essere conciliati, poiché delimitano le specie in modo diverso.

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  La classificazione dei batteri è basata sull'analisi dell'rRNA
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  Albero filogenetico dei batteri e archea, basato sull'analisi di alcune proteine
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  Albero filogenetico basato sull'analisi della miosina

Concetto di specie filogenetica o evolutiva

Secondo questo concetto, una specie è definita come una comunità (monofiletica) discendente da una a più popolazioni. Una specie inizia e finisce dopo la divisione della specie (vedi speciazione , cladogenesi ), ovverosia la specie termina quando tutti gli individui di questa specie muoiono senza lasciare prole o quando due nuove specie nascono da questa specie attraverso la scissione delle specie.

L'anagenesi filogenetica è il cambiamento di una specie nel periodo compreso tra due divisioni di specie, cioè durante la sua esistenza. Finché non avviene alcuna scissione, tutti gli individui appartengono alla stessa specie, anche se possono essere morfologicamente distinguibili.

Il concetto di specie filogenetica si basa sulla sistematica filogenetica o “ cladistica ” e ha significato solo in questo contesto. Nel quadro del concetto, le specie sono entità biologiche oggettive, realmente esistenti. Tutte le unità sistematiche superiori sono chiamate "cladi" secondo il sistema e (come comunità monofiletiche di organismi) sono fondamentalmente diverse dalle specie. A causa della divisione biforcuta (dicotomica), tutte le unità gerarchiche al di sopra della specie (genere, famiglia, ecc.) non hanno significato, ma sono solo strumenti convenzionali per designare comunità di discendenza di un certo livello.

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  Albero filogenetico della vita come diagramma di corallo, zoomabile (inglese)
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  Albero filogenetico dei lepidotteri
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  Albero filogenetico delle volpi
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  Albero filogenetico dei cani

Specie ecologica

Specie ecologiche (de Van Valen, 1976). Secondo questo concetto, una specie è un lignaggio (gruppo di organismi strettamente imparentati) che occupa una zona adattativa minimamente diversa nella sua distribuzione da quelle appartenenti ad altri lignaggi, e che, inoltre, si sviluppa indipendentemente da tutti i lignaggi stabiliti al di fuori di la sua area biogeografica di distribuzione. In questo concetto, la concezione di nicchia e di esclusione competitiva sono importanti per spiegare come le popolazioni possano essere indirizzate verso determinati ambienti e provocare divergenze genetiche e geografiche basate su fattori eminentemente ecologici. A questo proposito, è stato ampiamente dimostrato che le differenze tra le specie (sia nella forma che nel comportamento) sono spesso legate a differenze nelle risorse ecologiche che la specie sfrutta. L'insieme delle risorse e degli habitat sfruttati dai membri di una specie costituisce la sua nicchia ecologica, quindi, vista in un altro modo, una specie ecologica è un insieme di individui che sfruttano un'unica nicchia. I gradi di differenza, in questo senso, dipenderanno dal grado di differenza della nicchia o dalla discontinuità dell'ambiente. Ad esempio, i parassiti che sono imparentati tra loro e la cui nicchia è all'interno dell'ospite (endoparassiti) differiranno l'uno dall'altro, a seconda di quanto diversi sono gli ospiti nella loro morfologia, abitudini, risorse, ecc.

Le categorie tassonomiche

La tassonomia (dal greco: τάξις, tàxis, ordinamento e νόμος, nòmos, norma o regola) è la disciplina che si occupa della classificazione gerarchica di elementi viventi. Essa individua i criteri con cui si classificano gli organismi in una gerarchia di taxa annidati con cui si può per esempio risalire alla loro evoluzione.

Ogni organismo ha un nome scientifico. Questo nome fa parte della classificazione biologica di quella specie . Il nome è lo stesso in tutto il mondo, quindi gli scienziati di luoghi diversi possono capirsi a vicenda. Inoltre, una specie ha una posizione nell'albero della vita . Quindi il corvo è Corvus corone , un membro della famiglia Corvidae , e sono uccelli passeriformi . Ciò è ampiamente concordato, ma la classificazione di alcuni gruppi non è concordata al momento e spesso vengono discusse diverse classificazioni.

Gli esseri viventi sono classificati in tre domini : batteri , archaea ed eucarioti . Il grado più alto in un dominio è il regno . Ogni regno ha molti gruppi più piccoli al suo interno, chiamati phyla . Ogni phylum ha più gruppi più piccoli al suo interno, chiamati classi . Questo schema sembra come i rami di un albero con rami più piccoli che crescono da quelli più grandi. Alla fine dello schema troviamo il genere e la specie.

Questi sono i principali gruppi ( ranghi ) utilizzati nella tassonomia: Dominio --> Regno --> Phylum --> Classe --> Ordine --> Famiglia --> Genere --> Specie

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  Le diverse categorie sistematiche
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  I tre domini in cui sono divisi i viventi

Nomenclatura binomiale

Quando qualcuno scrive di un essere vivente e del suo nome scientifico formale, scrive il nome del genere e della specie. Questa è nota come nomenclatura binomiale, perché usa due nomi per ogni organismo . Il primo è il nome del genere e il secondo è la specie in quel genere . Il nome scientifico del gatto domestico è Felis catus . A volte è sufficiente scrivere F. catus.

La persona che rese popolare questo sistema per l'uso fu il botanico e medico svedese Carlo Linneo (1707–1778). Esso diede un nome in due parti a ogni specie che conosceva. Questo tipo di denominazione era stato utilizzato prima di Linneo da alcuni naturalisti, ma dopo Linneo, fu accettato come un buon metodo.

Il valore della nomenclatura binomiale deriva da diversi fattori. Risparmia parole perché sostituisce lunghe descrizioni, è usata ovunque e i nomi sono unici e stabili. Il sistema ha posto fine all'uso di nomi comuni locali, che erano fonte di molta confusione. Quando la scienza era svolta solo da pochi paesi europei, i loro nomi comuni per le specie erano ben noti. Ma, come è successo, i nomi comuni in tutti i paesi erano piuttosto diversi. Lo stesso nome poteva essere usato per più di una specie e diverse specie potevano avere lo stesso nome. Nel sistema di Linneo, tutti usano lo stesso nome per la stessa specie. Linneo scelse nomi latini: primo, perché evitava il nazionalismo competitivo; secondo, perché la maggior parte delle persone istruite ai suoi tempi imparava il latino.

Il sistema ha avuto un grande successo, ma presenta alcuni problemi. Non è sempre chiaro cosa sia una specie e cosa non lo sia. Sebbene molte specie siano piuttosto chiare, alcune vengono inserite in una specie da alcuni biologi e in più specie da altri. Lo stesso Linneo notò che le specie non erano sempre distinte.

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  Frontespizio dell'opera di Linneo Species plantarum (1753), dove si instaurò l'uso della nomenclatura binomiale
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  Carlo Linneo