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Oggetto:
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Biologia e fisiologia evoluzionistica

Oggetto:

Evolutionary Biology and Fisiology

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
SVB0161
Docenti
Sergio Castellano (Titolare)
Renzo Levi (Titolare)
Corso di studio
Laurea Magistrale in Scienze dei Sistemi Naturali (SSN) D.M. 270
Anno
1° anno
Periodo
Secondo semestre
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
12
SSD attività didattica
BIO/05 - zoologia
BIO/09 - fisiologia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

L'insegnamento concorre alla realizzazione dei seguenti obiettivi formativi del corso di laurea in Scienze dei sistemi naturali:

  • acquisizione di conoscenze generali e approfondite relative a: (i) processi che guidano il cambiamento evolutivo degli organismi e dell'ambiente (modulo 1 e 2); (ii) meccanismi adattativi a livello di organismo e di popolazione (modulo 1); (iii) vincoli dovuti alla comune origine evolutiva degli animali e alle comuni esigenze metaboliche e in generale alla chimica e fisica dei viventi e degli ambienti (modulo 2); (iv) legame fra adattamenti sensoriali e motori in ambienti e per animali diversi (modulo (2).

  • acquisizione di competenze specifiche per quantificare e monitorare nel tempo la biodiversità ai livelli di popolazione, di specie e di gruppi di specie (modulo 1).

Teaching contributes to the following training objectives of the master course:

  • The acquisition of general and in-depth knowledge of: (i) the processes that drive evolution of the organisms in their habitats (module 1 and 2); (ii) the adaptive mechanisms at the organismic and population levels (module 1); (iii) limits due to the common evolutionary history of animals and their energetics requirements and in general their common basis on chemistry and physics (module2); (iv) adaptations to extreme environments and their real challenges and the link between sensory and motor systems in different animals and environments (module 2),

  • The acquisition of specific expertise to describe quantitatively and to monitor the biodiversity at the population, species and groups-of-species levels;

  • In-depth knowledge of micro-evolutionary processes and mechanisms and their applicative implications in several aspects of human activity (i.e. conservation, management of natural resources, medicine).

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Risultati dell'apprendimento attesi

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
A completamento dell'insegnamento, lo studente:

  • conoscerà i principali processi, meccanismi e concetti della biologia evoluzionistica;

  • sarà introdotto all'impiego del metodo comparativo e sperimentale per testare ipotesi adattative;

  • saprà inquadrare in una prospettiva evolutiva problematiche ecologico-ambientali di conservazione e gestione della biodiversità;

  • sarà capace di individuare modelli animali adeguati per lo studio degli adattamenti ambientali e outgroups adeguati,

  • saprà effettuare ricerche bibliografiche e di dati in letteratura e sarà capace di comunicazione e sintesi



CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE

Al termine dell'insegnamento, lo studente sarà in grado di:

  • applicare i concetti ed i principi della teoria evoluzionistica per affrontare questioni evolutive sia teoriche che empiriche;

  • analizzare e risolvere, con un elevato grado di indipendenza, problemi riguardanti aspetti evoluzionistici, comportamentali, di conservazione, utilizzando fonti bibliografiche e analizzando dati empirici;

  • formulare domande scientifiche nell'ambito dell'area di insegnamento, proporre soluzioni e analizzare attraverso indagini bibliografiche le risposte avanzate.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO

svilupperà capacità analitiche per la risoluzione di nuovi problemi nell'ambito dell'area di insegnamento;
saprà valutare criticamente potenzialità e limiti dei metodi utilizzati per analizzare i processievolutivi o comportamentali.

ABILITÀ COMUNICATIVE

comunicare, in forma orale e scritta, in contesti professionali e non professionali, i principi, le teorie, i problemi ed i risultati delle ricerche nell'ambito dell'area di insegnamento.

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO
Al termine di questo insegnamento, lo studente avrà acquisito capacità di apprendimento, grazie alle quali sarà in grado di intraprendere studi successivi con un notevole grado di autonomia, conducendo ricerche bibliografiche e su altri materiali scientifici, quali database e visualizzazioni di molecole.

KNOWLEDGE & UNDERSTANDING

At the end of the course, the student will acquire the knowledge and the understanding of:

  • the main processes, mechanisms and concepts of evolutionary biology;

  • the main evolutionary theories and hypotheses and the theoretical and empirical methods to analyze and test them;

  • the comparative and experimental methods to test adaptive hypotheses;

  • how to frame in an evolutionary perspective ecologic-environmental problems of conservation and biodiversity management.

APPLYING KNOWLEDGE &UNDERSTANDING

At the end of teaching, the student will be able to:

  • apply the concepts of evolutionary theory to face both theoretical and empirical evolutionary questions;

  • analyze and solve, with a high degree of self-independency, evolutionary issues, by using and analysing both bibliographic and empirical data;

  • evaluate critically the theoretical and empirical evidence that supports alternative evolutionary hypotheses;

  • address informed scientific questions within the study area, to propose solutions and to collect the bibliographic evidence to support or reject them;

MAKING JUDGEMENTS

At the end of this teaching, the student:

  • will acquire analytical skills to address new questions within the area of study;

  • will be able to assess critically the limits and the potentialities of the methods used to to analyze evolutionary processes and mechanisms.

COMMUNICATION SKILLS

At the end of this teaching, the student will be able to:

  • communicate, both in writing and verbal forms, both in professional and non-professional contexts, the principles, the theories, the problems and the results of the research in this study areas

LEARNING SKILLS.

At the end of this course, the student is expected to have acquired learning skills to undertake further studies with remarkable autonomy. The student will be able to chose a research topic, find and manage references, and find informations across data sources including molecule visualization and analysis.

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Programma

MODULO 1:

  • Introduzione storica alla biologia evoluzionistica: presentazione della teoria generale, della teoria speciale (sintesi moderna) e dei recenti sviluppi della biologia evoluzionistica;

  • Storia, tempi e modi dell'evoluzione: i metodi di ricostruzione filogenetica, il metodo comparativo per testare ipotesi adattazionistiche;
  • Variazione genetica e fenotipica: metodi di descrizione quantitativa della variazione genetica, sia di tratti mendeliani sia di tratti poligenici; inincrocio, metodi per quantificarlo ed effetti evolutivi;
  • I processi stocastici del cambiamento evolutivo: la deriva genetica, la teoria neutrale dell'evoluzione;
  • La teoria genetica della selezione naturale: modelli di evoluzione a un locus con selezione direzionale su geni dominanti, codominanti e recessivi; sovradominanza e vantaggio dell'eterozigote; effetto pleiotropico; selezione frequenza dipendente positiva e negativa;
  • Evoluzione del fenotipo: evoluzione dei tratti poligenici, componenti della varianza fenotipica, effetti additivi ed epistatici e di dominanza dei geni; QTL; plasticità fenotipica ed effetto Baldwin;
  • Evoluzione dei cicli vitali: iteroparità verso semelparità; longevità e senescenza; trade-off fisiologici e microevolutivi; adattamenti dei cicli vitali all'impatto antropico;
  • Cooperazione e conflitto nelle interazioni intra-specifiche: fitness inclusiva e evoluzione del comportamento sociale;
  • riproduzione e selezione sessuale: sistemi riproduttivi e conflitto tra padre e madre, tra genitori e figli, tra fratelli;
  • Casi studio di biologia evoluzionistica applicata.

 

MODULO 2.

  • Introduzione alla fisiologia ambientale degli animali: Hochachka e Somero, la unità biochimica e la diversità organismica. Limiti fisici, chimici, evolutivi e ambientali.
  • Processi sulla scala dell’individuo: acclimatamenti e variazioni all’interno della life-history. Processi sulla scala di popolazione: separazione di popolazioni differenti con variazioni geniche e adattamenti evolutivi. Come si riconosce un adattamento ambientale: il problema del “trascinamento” di adattamenti non sotto pressione selettiva da parte di
    quelli evolutivi diretti
  • I grandi problemi generali: limiti assoluti e relativi della biologia animale. I concetti di relazioni dimensionali e le allometrie.
  • Regolazione e conformità: costi, limiti e vantaggi.
  • Metabolismo aerobico e non, ossigeno e problemi di scala. Disponibilità di ossigeno in aria, acqua e in ambienti ipogei. La risposta ipossica come esempio generale di insieme di meccanismi conservati: adattamenti all’altitudine e alla vita ipogea
  • temperatura: limiti termici, conseguenze dell’endotermia.
  • Motilità e movimento: aria-acqua-terra costi del movimento e risorse ottenibil.
  • Adattamenti nutrizionali, fonti di energia e di molecole non sintetizzabili. Le tossine e la detossificazione degli alimenti. Il riuso delle tossine come armi e altro.
  • Luce, ritmi, visione e fare luce.
  • Tecnica e esercizi di ricerca di materiale bibliografico e altri dati (sequenze, strutture)
  • Sviluppo di temi e modelli specifici da parte degli studenti
  •  



MODULE 1. The teaching will deal with the following arguments:

  • Historical introduction: the general theory (Darwininsm and Neo-darwinism), the special theory (modern synthesis), and the recent developments (the new synthesis);
  • Descent with modification, tempo and mode of evolution: phylogenetic methods, comparative methods for testing adaptive hypotheses;
  • Genetic and phenotypic variation: methods for quantitative description of genetic variation, both in mendelian and quantitative traits, inbreeding and its evolutionary effects;
  • The genetic theory of natural selection: one-locus models of natural selection on dominant, co-dominant and recessive alleles; overdominance and heterozygote advantage; pleiotropic effects, positive and negative frequency-dependent selection;
  • The evolution of phenotypes: polygenic traits; components of phenotypic variation; additive, dominance and epistatic genetic effects; phenotypic plasticity and the Baldwin effect;
  • The evolution of life histories: semelparity versus iteroparity; senescence and longevity; physiological and micro-evolutive trade-offs; human effects on the life-history of animals in the wild;
  • Conflict and cooperation in intraspecific interactions: inclusive fitness and social evolution;
  • Sexual reproduction and sexual selection: mating systems and conficts between parents, between parents and offspring, among sibs;
  • Case studies of applied evolutionary biology.

MODULE 2.

  • Introduction to Animal environmental physiology. Hochachka and Somero and the principles of biochemical unity within organisms.
  • Limits from physics, chemistry. Evolution and environments.
  • Process on the individual scale: acclimatation and variations within lifehistories.
  • Population scale processes: separations of populations with genic variations, adaptations and exaptations. How to recognize environment driven adaptations.
  • The great general problems, principal physiological issues and the internal and external limits.
  • The scale problem and the concept of allometry. Regulation or conformity, limits and advantages of regulation.
  • Aerobic metabolism, oxygen, performance and size. Availability and extraction of oxygen in air and water, and special cases. Oxygen cascade and the hypoxic response as a major example of conserved mechanisms from development to cancer. Adapatations to high altitude and hypogean life.
  • Environmental and body temperature. Limits and special adaptations: endotermy.
  • Water, air and ground life, cost of movement and availability of resources.
    Sensory systems and the environment. Light, rhythms, vision and luminescence.
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Modalità di insegnamento

Questo insegnamento prevede lezioni frontali e seminari.

Per l'AA 22-23, le lezioni saranno svolte in presenza. Modalità didattiche alternative (streaming) potranno essere introdotte a seguito di nuove raccomandazioni di Ateneo in relazione allo stato della pandemia Covid-19.

Il calendario delle lezioni, come anche il materiale di supporto alle lezioni (i.e. presentazioni powerpoint) sono disponibili sulla piattaforma e-learning di moodle di Scienze Naturali.

MODULO 1. Lezioni frontali e seminari, per un totale di 48 ore.

MODULO 2. 38 Ore di Lezioni in Aula, seguite da 6 ore di Inontri in Aula sulla definizione degli approfondimenti seguiti da ricerca bibliografica condivisa e ricerche su databases. Eventuali seminari

 

For the academic year 22-23, lessons will be held in person. Alternative teaching methods (streaming) may be introduced following new University recommendations in relation to the state of the Covid-19 pandemic.

The calendar of teaching activities, as well as the teaching supporting  materials (i.e. slides) can be downloaded from the educational material available on the Moodle e-learning platform.

MODULE 1. Lectures and seminars for a total of 48 hours.

MODULE 2. 38 Hours of class lections, followed by 6 hours of class meetings to discuss specific exam topics, followed by shared search of Bibliographic resources and databases.

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Modalità di verifica dell'apprendimento



Per l'AA 22-23, gli esami si svolgeranno in presenza, con la sola eccezione per gli studenti e le studentesse che autodichiareranno, in relazione al Covid-19, fragilità personale o positività. Modalità alternative (online) potranno essere introdotte a seguito di nuove raccomandazione dell'Ateneo in relazione allo stato della pandemia Covid-19.

MODULO 1. L'esame consiste in una prova scritta e nella stesura di un breve elaborato. Si rimanda alla scheda del  modulo "Biologia e fisiologia evoluzionistica - Modulo 1" per maggiori dettagli.

MODULO 2. L'esame sarà sotto forma di presentazioni individuali da parte degli studenti con domande sulla presentazione e in generale sulla materia del Corso (15+10 min) Valutazione in trentesimi con eventuale lode sulla base dei contenuti e forma della presentazione, la sua esposizione e le risposte alle domande.

For AY 22-23, exams will be held in person, with the only exception of students who self-report, in relation to Covid-19 pandemic, personal fragility or positivity. Alternative (online) methods may be introduced following the new University recommendations in relation to the state of the Covid-19 pandemic.

MODULE 1. The examination consists of a written test (duration = 75 min) and of a written report (1500-2500 words), where the student is asked to illustrate a short review on a pre-assigned issue in evolutionary biology. See module "Biologia e fisiologia evoluzionistica - Modulo 1" for more details.

MODULE 2. Individual presentations by the students with questions on the presentation matter and on the whole Course containt. (15+10min). Evaluation in 30/30 (possible Laudem), based on the presentation structure and containt, its oral discussion and the answers to the questions.

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Attività di supporto


Il materiale didattico è fornito tramite la piattaforma moodle. Su questa piattaforma sono messi anche a disposizione dello studente strumenti e attività di supporto quali quiz di autoverifica, articoli di approfondimento, link a siti web di interesse, link a notebook interattivi che utilizzano la piattaforma "azure" di microsoft e che permettono la simulazione di alcuni dei processi evolutivi analizzati durante l'insegnamento. Lo studio del materiale e lo svolgimento delle attività di supporto sono consigliati, ma facoltativi e non sono oggetto di verifica all'esame.

Incontri di ricerca e analisi di materiale di reference su esempi modello scelti dagli studenti all'interno del corso. Presentazione dei risultati con docenti di altri corsi affini, paleontologia, biochimica degli adattamenti e altri


Teaching materials are provided through the e-learning platform Moodle. Here, students can find, besides the slides of the oral lessons, several supporting learning tools and materials, such as auto-assessment tests, articles for in in-depth analysis of specific issues, links to web sites, links to interactive iPython notebooks, which can be used to carry out simulations of several evolutionary processes. The use and study of the supporting materials is not mandatory, but recommended.

The students will be invited to cooperatively find, share and organize informations on model sets of animals and environments in group work

 

Testi consigliati e bibliografia

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MODULO 1.

Zimmer e Endler, 2015. Evolution, making sense of life, 2nd edition. Roberts and company publisher.

Davies, Krebs and West. 2015. An introduction to behavioral ecology, 4th edition. Wiley-Blackwell.

MODULO 2.

Environmental Physiology of Animals by Pat Willmer, Graham Stone and
Ian Johnston, Wiley-Blackwell
Moyes et al, Principles of Animal Physiology, Pearson
Pough Life of the vertebrates
Hochachka and Somero Biochemical adaptations

Slides delle lezioni
Alcuni articoli di rassegna


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Note

Vedi moduli

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Moduli didattici

Registrazione
  • Chiusa
    Apertura registrazione
    01/03/2020 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/12/2022 alle ore 23:55
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 02/10/2023 08:35
    Non cliccare qui!