Set 6, 2019
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biodiversità – introduzione alla bioinformatica per studenti della scuola media

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Le sequenze di DNA contengono l’informazione per costruire gli organismi

Il DNA è la molecola che contiene l’informazione genetica. Che cosa significa? Significa che tutto l’intero DNA che è presente in ciascuna cellula di un organismo ha tutta l’intera informazione per costruire quell’organismo. A partire da quella informazione presente nella nostra prima cellula, lo zigote, la nostra intera persona è stata costruita e siamo nati.

Il DNA è una molecola molto grande costituita da 4 tipi di mattoncini o monomeri che si mettono in fila uno dietro all’altro a formare una lunghissima molecola o polimero. Se questi quattro monomeri fossero lettere, mettendosi insieme uno dietro all’altro formerebbero delle lunghe parole. E quelle lunghe parole insieme farebbero un testo e il testo sarebbe il foglietto delle istruzioni per costruire un vivente. Questa metafora non è poi molto lontana dalla realtà. I quattro tipi di monomeri sono i nucleotidi A, C, G e T e si mettono in fila a formare polimeri di DNA lunghi migliaia o milioni di nucleotidi. Quei polimeri sono la nostra informazione genetica.

Possiamo quindi rappresentare questa informazione come una sequenza di lettere, o testo. I testi possono essere analizzati in vario modo utilizzando un computer e questo ci consente di capire cosa c’è scritto nel libretto di istruzioni di ciascun vivente e di guardare quali viventi hanno istruzioni più o meno simili.

informazioni importanti per iniziare l’attività:

  • la sequenza del DNA di una cellula è necessaria e sufficiente per determina come funziona e come appare quella cellula.
  • la sequenza del DNA può essere rappresentata come una sequenza di lettere, ovvero un testo, che possiamo studiare e analizzare con l’aiuto dell’informatica.
indovinachi

Facciamo un gioco: indovina chi

che animale è?

Vi fornirò una sequenza di DNA, sarà come avere una carta coperta che rappresenta l’animale, la pianta o il microbo che dovete indovinare. Facendo le giuste domande riuscirete ad indovinare che apparenza ha e come è fatto l’individuo nascosto. Immagino che abbiate già giocato ad indovina chi no? questa sarà la versione “zoo”, scopriamo chi si nasconde dietro la carta!

che animale è?

Eccovi la carta incognita da mettere in testa: sequenzaDNAignota.fasta

Ecco come facciamo passo per passo a indovinare di chi si tratta:

  • apriamo il file con la sequenza e leggiamolo.
    • Contiene una intestazione che dice “>gi|392841175|dbj|AB697520.1| porzione codificante di un gene proveniente da una analisi di laboratorio di Jun Sato:JS191”
    • e poi accapo, in una nuova riga, inizia una lunga parola fatta di una sequenza delle lettere A, T, C, G
  • copiamo tutto (intestazione e sequenza) e usiamo un programma, chiamato “Blast”,  per confrontare la nostra sequenza con quelle conosciute e conservate nella banca dati delle sequenze di DNA note :
    • cliccate su questo link per accedere al programma blast on line
    • incollate la vostra sequenza nella finestra in alto”Enter accession number(s), gi(s), or FASTA sequence(s)”
    • quindi scegliete di cercare nella banca dati che contiene tutte le sequenze di nucloetidi (è l’impostazione standard, non occorre modificare niente)
    • cliccate infondo a sinistra sul bottone “BLAST” e attendete il risultato
  • ora leggiamo insieme il risultato del blast e cerchiamo di rispondere a queste domande:
la pagina col vostro risultato dovrebbe avere questo aspetto e il secondo allineamento (quello selezionato) è proprio la vostra sequenza, al 100% identica

Se leggiamo i risultati, e in particolare il secondo risultato, che è identico al 100% (colonna “Per. ident”), troviamo molte utili informazioni.

Ailurus fulgens è il nome dell’organismo al quale questa sequenza di DNA appartiene.

Tas1r1 è il nome di quel particolare pezzetto di DNA (l’intero DNA di Ailurus fulgens è molto molto più lungo)

la funzione di quel pezzetto di DNA è “taste receptor“, una espressione in inglese che forse sai tradurre o magari sai usare google translate..

scoprirai che significa “recettore del gusto” ovvero la sua funzione è quella di contenere le istruzioni per costruire una struttura in grado di far sentire un particolare gusto.

Ora prova a rispondere alle seguenti domande e scrivi le risposte in un file utilizzando un editor di testo semplice. (Se usi un sistema operativo di tipo windows cerca nel tuo computer il programma “blocco note”)

  • c’è una sequenza identica alla nostra nella banca dati?
  • che funzione ha quel pezzettino di DNA?
  • qual’è il nome scientifico dell’organismo a cui appartiene?
  • qual è il suo nome comune? (se non lo sai, cercalo su una enciclopedia online che sia affidabile)
  • questo organismo ha i baffi? e gli occhiali? è pelato? (se non lo sai prova a cercare online le foto di questo organismo, stai attento a selezionare i risultati, controlla che vengano da siti affidabili e che rappresentino proprio l’organismo che stai cercando)

Se il gioco vi è piaciuto potete ripeterlo con questa nuova carta, sempre utilizzando blast, le procedure sono le stesse e queste saranno le domande:

  • c’è una sequenza identica alla nostra nella banca dati?
  • a quale organismo appartiene questa sequenza?
  • a che famiglia di organismi appartiene il nostro organismo ignoto?
  • da quale regione del mondo proviene?
  • quale caratteristica di questo organismo è particolarmente apprezzata nella nostra società?

La terza ed ultima carta di questo turno di gioco vi farà scoprire degli organismi molto belli e molto diffusi, vediamo se usando blast sarete in grado di identificarli e, leggendo i risultati, sarete poi in grado di rispondere alle domande che seguono:

(piccolo suggerimento per leggere e capire il risultato: Leggendo l’intestazione del file vedrete che si tratta della sequenza di un “organismo marino non in coltura” pertanto ci aspettiamo che il risultato dica, in inglese, “uncultured [nome organismo] clone”. L’informazione che serve a voi è il nome dell’organismo)

  • c’è una sequenza identica alla nostra nella banca dati?
  • a quale grande gruppo di organismi appartiene il nostro organismo ignoto?
  • sapreste trovare qualche immagine degli organismi di questa classe in rete?

I fossili ci raccontano la storia e la distribuzione geografica della vita sulla Terra

Dopo aver utilizzato la banca dati delle sequenze di DNA ora impariamo insieme ad utilizzare una nuova banca dati: quella dei fossili ritrovati e studiati nel mondo.

La Banca dati di reperti fossili è accessibile in vari modi, uno dei quali è la finestra di navigazione che consente di localizzare i siti dei ritrovamenti sulla mappa del globo terrestre e di selezionare anche la tipologia dei ritrovamenti, nonché di visualizzare l’aspetto della superficie terrestre all’epoca in cui pensiamo gli organismi trovati nei reperti fossero in vita. Andiamo per gradi e vediamo insieme, una per volta queste funzioni.

  1. iniziamo a fare pratica con le modalità di visualizzazione:

la schermata iniziale apparirà come l’immagine qui sotto

paleoBioDB_screenshot1

facendo doppio clic su un periodo o un’era geologica la mappa tematica rimane invariata ma la scala dei tempi geologici cambia e viene visualizzato in dettagli il periodo che ho scelto. Ad esempio se io clicco due volte sulla barra “Jurassic”, la schermata apparirà come qui sotto

paleoBioDB_screenshot2

possiamo spostarci liberamente nella scala dei tempi con il doppio click per esplorare il dettaglio di ogni era e il quadro generale di riferimento.

Cliccando invece una sola volta sulla barra che rappresenta un certo intervallo di tempo, sulla mappa tematica del globo verranno visualizzati i ritrovamenti fossili di organismo che pensiamo siano vissuti in quell’intervallo di tempo. Se ad esempio clicco una sola volta sulla barra “Jurassic” la mappa apparirà come l’immagine qui sotto, con i soli ritrovamenti di epoca giurassica. La barra delle ere geologiche sottostante mantiene l’aspetto che aveva prima del mio singolo click. A lato della mappa (in basso a sinistra) appare un box che dice che ho applicato un filtro ai dati, e il filtro in questo caso è “Jurassic”. Impareremo ad utilizzare sempre più filtri e li vedremo elencati in questo box. Da questo box stesso, cliccando sulla x potremo anche eliminarli.

paleoBioDB_screenshot3
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La barra sulla destra mostra la percentuale di organismi appartenenti a ciascun grande gruppo tassonomico fra quelli selezionati (la selezione che avete fatto in questo caso è per periodo). Cliccando sul simbolo di ciascun gruppo è possibile espandere la visualizzazione dei dati vedendo le percentuali di presenza di gruppi più specifici all’interno del grande gruppo selezionato. Clicckare per credere!

barraAS

La barra in alto a sinistra ci consente di modificare le modalità di visualizzazione dei dati che abbiamo selezionato. I simboli + e – ci consentono di ingrandire e rimpicciolire (zoom in e zoom out). Provate ad ingrandire e spostarvi sulla mappa. Provate anche, una volta ingrandito a passare il cursore sopra ai puntini che rappresentano i siti di ritrovamento e clickate sopra uno di questi. Si aprirà un utilissima finestra di dialogo che vi fornisce i dettagli e le referenze di cosa è stato trovato nel sito. L’immagine che segue è un esempio di quello che potreste trovare.

paleoBioDB_screenshot4
bottone1

Ora torniamo alla mappa e facciamo zoom out. La disposizione delle terre emerse che vedete è quella attuale e non necessariamente corrisponde alla disposizione delle placche di crosta terrestre al momento in cui gli organismi ritrovati vivevano. Per avere una idea più chiara di dove si trovassero, cliccate sul simbolo  e la carta del globo mostrerà l’aspetto della superficie relativo all’epoca a cui ci stiamo interessando. Ovviamente, se scegliamo un intervallo di tempo molto grande, nel quale la superficie terrestre avrà cambiato più volte aspetto, questa funzione non restituirà nessun risultato perché non saprebbe quale carta mostrare. Per tornare alla visualizzazione tradizionale basta clicckare di nuovo sul simbolo  per deselezionarlo.

bottone2

Il bottone successivo è la coccinella che vi consente di selezionare su quali organismi volete ritrovare informazioni utilizzando il loro nome tassonomico. Facciamo una prova e cerchiamo i felini (famiglia Felidae) in una qualsiasi era geologica di vostro interesse. Vedrete apparire i soli puntini relativi ai ritrovamenti di felini, se ce ne sono. Spostatevi pure nella scala dei tempi per scoprire quali sono le più antiche testimonianze fossili che abbiamo della presenza dei felini. Magari fate anche zoom in e guardate quali sono i primi felini di cui abbiamo traccia in Italia. (Provate a vedere chi c’era a Verona nel quaternario.. !) Se volete andate anche in un ulteriore dettaglio e cercate la prima testimonianza fossile della presenza di gatti da compagnia (Felis silvestris). Per gli appassionati di cani il nome del genere è “Canis” e il nome della specie è “Canis lupus”.

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L’ultimo bottone della barra  mi consente di salvare i dati che ho selezionato in vario modo, di fatto posso esportare una porzione di banca dati, che posso aprire con un foglio di calcolo come excel di microsoft.

A caccia dei fossili di animali davvero fantastici

Nella Banca dati di reperti fossili ora cercheremo gli organismo del periodo Cambriano. Clickate una sola volta sulla barra del tempo sulla casella “Cambrian” in verde.

Vedrete che sono stati ritrovati molti fossili nelle coste Americane, in Australia, Cina Russia e Europa occidentale.

bottone1

Ora clickate sul simbolo che consente di visualizzare la distribuzione geografica delle terre emerse nel periodo cambiriano. In quale area geografica e fascia climatica vivevano gli organismi del cambriano che abbiamo ritrovato?

Ora clickate sul simbolo a forma di coccinella e cercate “Anomalocaris”. Scegliete “Anomalocaris (genus)” e accertatevi che i filtri ora siano “Cambrian” e “Anomalocaris” come nella figura seguente.

Anomalocaris era uno dei più temuti predatori dei mari del Cambriano di cui abbiamo notizia: era lungo da 1 a 2 metri e doveva apparire enorme alle sue prede, che ci risultano molto molto più piccole! Aveva grandi occhi e due appendici davanti alla bocca per catturare e trattenere le prede, i denti erano così forti e aguzzi che potevano chiudersi come tronchesi e spezzare l’esoscheletro di artropodi o altre prede.

In quali regioni della Terra attuale abbiamo trovato i fossili di questo antico organismo?

C’è qualcosa che ti colpisce nella attuale localizzazione dei suoi resti?

Vi presento un crostaceo davvero curioso, si chiama Waptia. Controllate la localizzazione dei sui fossili, secondo voi, doveva preoccuparsi di scappare dal temibile Anomalocaris?

Se questi organismi vi sono sembrati un po’ strani, il meglio deve ancora arrivare, Opabinia aveva 5 occhi, e una proboscide con una chela in cima, che probabilmente gli consentiva di afferrare i vermi che spuntavano dai fondali.

Dove abbiamo trovato i fossili di quello che a molti, sulle prime, sembro uno scherzo invece che una scoperta?

Cercando questi organismi, dovreste aver individuato due aree in cui tutti e tre sono presenti: una in Canada, vicina al confine con gli Stati Uniti e una in Cina. Il sito canadese si chiama “Burgess shale” e quella che vi mostro è una verosimile foto di gruppo degli organismi che si trovavano lì circa 500 milioni di anni fa.

Ricostruzione disponibile con spiegazioni al seguente link: https://naturalhistory2.si.edu/paleobiology/burgess/cambrianWorld.html

Sappiamo che in quel periodo la vita sulla Terra era fitta e multiforme, almeno in alcune zone. Le forme di vita dell’epoca ci appaiono molto curiose perché gli organismi di oggi sono gli eredi solo di una piccola parte di loro, sono i figli di quelli che ce l’hanno fatta a passare le proprie istruzioni, il proprio DNA, alle generazioni successive.

Con chi avevano a che fare i miei antenati?

Sappiamo che nel quaternario (che è il periodo geologico più recente, quello che arriva fino ad oggi) l’uomo è stato ed è presente in Italia. Io sono cresciuta ad Orvieto e ho deciso di guardare la cartina dei fossili ritrovati vicino a casa mia in epoche in cui l’uomo era certamente presente (come ho fatto ad esserne certa? prima ho cercato sulla carta usando come filtri Homo sapiens e quaternario e poi ho eliminato il filtro Homo sapiens per visualizzare tutte le presenze di quel periodo).

Cliccando sui siti fossiliferi vicini a Todi e a Marsciano, ho scoperto che gli antichi abitanti di questa regione potrebbero aver incontrato, fra gli altri, rinoceronti ed elefanti!! Quello che ho trovato è mostrato nei due screenshot che seguono.

Dove abitate voi, quali interessanti organismi occupavano quell’area prima che arrivasse l’uomo o quando i vostri antenati si sono insediati?

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Ragazzi · Tutto

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