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BIOLOGIA DELLE POPOLAZIONI ED EVOLUZIONISTICA

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POPULATION AND EVOLUTIONARY BIOLOGY

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Anno accademico 2024/2025

Codice attività didattica
SVB0026
Docenti
Cristina Tuni
Tiziano Bo
Corso di studio
Scienze Biologiche D.M. 270
Anno
2° anno
Periodo
II semestre
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
5
SSD attività didattica
BIO/05 - zoologia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Lezioni facoltative e esercitazioni obbligatorie
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti

Possedere conoscenze di base fornite dai corsi di Zoologia Generale e di Biologia Molecolare e Genetica
Basic knowledge in Zoology - Molecular Biology and Genetics are required

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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Questo insegnamento concorre agli obiettivi formativi dell'area Ecologico-Ambientale del corso di Laurea in Scienze Biologiche, fornendo agli studenti conoscenze e capacità applicative sulla genetica e genomica delle popolazioni, evidenziando le interazioni tra i processi evolutivi basilari (mutazione, selezione naturale, deriva genetica, ricombinazione, flusso genico) nel modellare le traiettorie evolutive delle popolazioni naturali.

In particolare l’insegnamento si propone di fornire agli studenti una introduzione al linguaggio ed alla metodologia scientifica riguardante i diversi aspetti della biologia evoluzionistica ed una conoscenza approfondita dei principali meccanismi evolutivi allo scopo di acquisire le basi necessarie per comprendere i fenomeni biologici.

Attraverso la lettura e la discussione di letteratura scientifica aggiornata ed esercitazioni pratiche gli studenti svilupperanno capacità di analisi, sintesi ed esposizione dei testi, di raccolta autonoma di dati, interpretazione e discussione dei risultati ottenuti.

 

This course contributes to achieving the educational objectives of the Ecological-Environmental area of the Degree in Biological Sciences, providing students with knowledge and applied skills on population genetics and genomics, highlighting the interactions between basic evolutionary processes (mutation, natural selection, genetic drift, recombination, gene flow) in modeling  evolutionary trajectories of natural populations.

In particular, the course aims to provide students with an introduction to the language and scientific methodology regarding the different aspects of evolutionary biology and an in-depth knowledge of the main evolutionary mechanisms in order to acquire the necessary theoretical foundations to understand biological phenomena.

Through reading and discussion of most updated scientific literature and practicals, students will develop skills in analysis, synthesis and communication, autonomous data collection, interpretation and discussion of results obtained.

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Risultati dell'apprendimento attesi

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE - Acquisizione di fondamenti teorici e metodologici della biologia e genetica delle popolazioni. L'approfondimento delle differenti ipotesi e teorie elaborate per interpretare e spiegare i processi evoluzionistici aiuterà gli studenti a considerare criticamente gli argomenti affrontati.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE - Acquisizione della capacità di integrare le conoscenze di questo insegnamento con quelle derivate da altri insegnamenti (in particolare Zoologia Generale, Ecologia, Biologia Molecolare e Genetica). Dimestichezza con alcune metodiche biomolecolari e/o con i principali strumenti e apparecchiature utilizzati in un laboratorio biomolecolare e con l’elaborazione dei dati sperimentali.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO -Acquisizione della capacità di discutere criticamente le varie ipotesi e metodologie di indagine, e di applicarle correttamente ai diversi problemi di carattere genetico-popolazionistico, tassonomico ed evolutivo.

ABILITÀ COMUNICATIVE - Sviluppo delle abilità comunicative attraverso il confronto su alcuni opportuni argomenti approfonditi in seminari, la lettura e la presentazione dei contenuti di articoli scientifici. Ulteriore incentivo verrà dallo svolgimento delle attività di laboratorio in piccoli gruppi (max. 5-6 persone).

KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING - Acquiring theoretical and methodological foundations of population biology and genetics. The in-depth study of the different hypotheses and theories developed to interpret and explain evolutionary processes will help students to critically consider the topics addressed.

APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING - Acquiring the ability to integrate knowledge from this teaching with that derived from other teachings (in particular General Zoology, Ecology, Molecular Biology and Genetics). Familiarity with some biomolecular methods and/or with the main instruments and equipment used in a biomolecular laboratory and with the processing of experimental data.

MAKING JUDGMENTS - Acquiring the ability to critically discuss the various hypotheses and investigation methodologies, and to correctly apply them to different genetic-populationistic, taxonomic and evolutionary problems.

COMMUNICATION SKILLS - Development of communication skills through discussion of the topics addressed in depth during seminars, reading and presentation of the contents of scientific articles. A further incentive will come from carrying out the laboratory activities in small groups (max. 5-6 people).

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Programma

Lezioni frontali

Introduzione al pensiero evoluzionistico: evoluzione, fissismo e creazionismo. Le teorie di Lamarck e di Darwin. Le leggi di Mendel. Noedarwinismo e Sintesi Moderna. Neo-Lamarckismo. Teorie dell’Ortogenesi, Mutazionista e degli Equilibri Punteggiati.

Origine della variabilità genetica. Crossing-over diseguale e Conversione Genica. Origine di nuovi geni: Exon Shuffling, Duplicazione Genica, Generazione “de novo”. Formazione delle famiglie geniche.

Mutazioni come fonte di variabilità genetica. mutazioni silenti, neutrali, missense, nonsense, frameshift. Mutazioni a livello del promotore e delle sequenze di splicing. Mutazioni indotte da elementi trasponibili. Mutazioni cromosomiche e genomiche.

Dinamiche geniche nelle popolazioni. La legge Hardy-Weinberg. Calcolo delle frequenze alleliche. Tassi di mutazione e retromutazione. Evoluzione Molecolare. La teoria neutrale e quasi neutrale dell’evoluzione. Polimorfismo e divergenza. La teoria dell'orologio molecolare.

La selezione Naturale. Selezione direzionale, stabilizzante e divergente. Selezione frequenza-dipendente. Coefficienti di selezione e fitness. Selezione naturale e modelli di interazione allelica in regimi di dominanza-recessività, eterosi e sotto-dominanza. Bilanciamento tra selezione naturale e mutazione.

La deriva genetica: "founder effect" e "bottleneck effect". Effetti dell'accoppiamento non casuale. Misura della variabilità genetica: eterozigosità attesa e osservata. Diversità Allelica.Inincrocio ed "effective population size". Relazione tra inbreeding, perdita di eterozigosità ed estinzione. Bilanciamento Mutazione-Selezione ed Inbreeding.

Gene flow: Conseguenze genetiche della frammentazione dell’habitat. Struttura della popolazione e flusso genico: la statistica F (FIS, FST, FIT). Suddivisione della popolazione e l’effetto Wahlund”.

Genetica evoluzionistica dei caratteri quantitativi. Componenti della variazione fenotipica. La varianza genetica additiva. Epistasi sinergica e antagonista. Interazione genotipo-ambiente. Evoluzione neutrale dei caratteri quantitativi.

Genetica della Conservazione: scopi e concetto di “dimensione minima vitale”. Risoluzione delle incertezze tassonomiche: il barcoding. Gestione delle popolazioni selvatiche considerate a rischio e di quelle frammentate. Problemi relativi alla gestione delle riserve e delle popolazioni in cattività.

Evoluzione umana. Studi di biomolecole antiche: Paleogenomica e paleoproteomica applicati all' evoluzione umana (Homo sapiens, Neandertal, Denisova) e animale. Adattamento genetico umano all'ambiente.

Marcatori genetici e genomici. Cladistica: un approccio teorico e pratico. Analisi degli alberi filogenetici.

ESERCITAZIONI

  • STRUTTURA DI POPOLAZIONE
  • BARCODING
  • BIOMOLECOLE ANTICHE
  • FILOGENESI

  • Lecture Schedule

Introduction to evolutionism: evolution, fixism and creationism. The theories of Lamarck and Darwin. Mendel's laws. Noedarwinism and Modern Synthesis. Neo-Lamarckism. Orthogenesis, mutational and punctuated equilibrium theories.

Origin of genetic variability. Unequal Crossing-over and Gene Conversion. Origin of new genes: Exon Shuffling, Gene Duplication, "de novo" generation. Formation of gene families.

Mutations as a source of genetic variability. silent, neutral, missense, nonsense, frameshift mutations. Promoter and splicing sequence mutations. Mutations induced by transposable elements. Chromosomal and genomic mutations.

Dynamics of genes in populations. The Hardy-Weinberg law. Allele frequencies calculation. Mutation and reverse mutation rates. Molecular evolution. The neutral and almost neutral theory of evolution. Polymorphism and divergence. The molecular clock theory. The Natural selection. Directional, stabilizing and disruptive selection. Frequency-dependent selection. Selection coefficient and fitness. Natural selection and allelic interaction models. Balance between natural selection and mutation.

 Genetic drift: "founder effect" and "bottleneck effect". Effects of non-random mating.Measurement of genetic variability: expected and observed heterozygosity. Inbreeding and "effective population size". Relationship between inbreeding, loss of heterozygosity and extinction. Mutation-Selection and Inbreeding Balancing. Genetic consequences of habitat fragmentation. Population structure and gene flow: the F statistic (FIS, FST, FIT). Fragmented population and the Wahlund effect.

Evolutionary genetics of quantitative traits. Components of phenotypic variation. The additive genetic variance. Synergistic and antagonistic epistasis. Genotype-environment interaction. Neutral evolution of quantitative traits.

Conservation genetics: aims and concept of "minimum vital size". Solving taxonomic uncertainties: barcoding. Management of wild populations considered at risk and of fragmented ones. Problems relating to the management of reserves and captive populations.

Human evolution. Ancient molecules: paleogenomics and paleoproteomics applied to the  study of animal and human evolution (Homo sapiens, Neandertal, Denisova). Human genetic adaptation.

Genetic and genomic markers. Cladistics: a theoretical and practical approach. Analysis of phylogenetic trees.

 

PRACTICAL ACTIVITIES

  • POPULATION STRUCTURE
  • BARCODING
  • ANCIENT BIOMOLECOLES
  • PHYLOGENETICS
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Modalità di insegnamento

L'insegnamento si tiene in presenza.

L'insegnamento si articola in 32 ore di lezioni frontali con frequenza non obbligatoria (sebbene fortemente raccomandata) e 16 ore di esercitazioni pratiche riguardanti i principali approcci metodologici della biologia evoluzionistica con frequenza obbligatoria. Il corso sarà tenuto in italiano con diapositive e materiale didattico principalmente in inglese.

La comunicazione con gli studenti avviene mediante e-mail e richiede la registrazione alla pagina Moodle dell’insegnamento.

Tutto il materiale didattico sarà pubblicato e/o disponibile sulla piattaforma Moodle (diapositive delle lezioni, materiale di approfondimento e per le esercitazioni).

Teaching is held in presence.

The teaching is divided into 32 hours of lectures with non-compulsory attendance (although strongly recommended) and 16 hours of practical exercises regarding the main methodological approaches of evolutionary biology with compulsory attendance. The course will be held in Italian with slides and teaching material mainly in English.

Communication with students occurs via email and requires registration on the course's Moodle page.

All teaching material will be published and/or available on the Moodle (lecture slides, in-depth and exercise material).

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento avverrà mediante un esame scritto ed orale (entrambi obbligatori) che si svolgerà in presenza.

La prova scritta avverrà mediante un test al computer di 40 minuti, redatto su piattaforma Moodle e composto da 31 domande chiuse con 4 alternative di riposta, di cui una sola corretta. Lo studente che raggiunge il punteggio di 18/31 può considerare superato il test e può accedere all'esame orale.

La prova orale consisterà nella discussione degli argomenti teorici trattati al fine di valutare la comprensione dei principi fondamentali della biologia evoluzionistica e la capacità dello studente di applicare tali principi a diversi fenomeni biologici. L'esame si considererà superato se lo studente avrà ottenuto un voto di almeno 18/30.

In caso di esito positivo della prova scritta lo studente può sostenere la prova orale nello stesso appello, oppure può decidere di posticipare la prova orale ad uno degli appelli successivi.

Per le iscrizioni agli appelli gli studenti sono tenuti a seguire le procedure di Ateneo.

Learning will be verified through a written and oral exam (both mandatory) which will take place in presence.

The written test will take place via a 40-minute computer test, written on the Moodle platform and consisting of 31 questions with 4 alternative answers, of which only one is correct. The student who reaches a score of 18/31 passed the test and can access the oral exam.

The oral test will consist of a discussion of the theoretical topics covered in order to evaluate the understanding of the fundamental principles of evolutionary biology and the student's ability to apply these principles to different biological phenomena. The exam will be considered passed if the student has obtained a grade of at least 18/30.

In case of a positive outcome of the written test, the student can take the oral test in the same session, or can decide to postpone the oral test to one of the subsequent sessions.

To register for exams, students are required to follow the University procedures.

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Attività di supporto

Il docente è disponibile su appuntamento fissato via email a discutere e chiarire i concetti spiegati nelle lezioni.

Durante l’ultima settimana dell'insegnamento saranno svolte attività di revisione in aula di alcuni argomenti in vista alla preparazione all’esame.

The lecturer is available by email appointment to discuss and clarify the concepts explained in the lessons.

During the last week of teaching, classroom revision activities will be carried out on some topics in preparation for the exam.

 

Testi consigliati e bibliografia

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Il materiale utilizzato per il corso è tratto per la massima parte da articoli pubblicati su riviste scientifiche, che verranno resi disponibili agli studenti. Agli studenti verranno anche forniti testi, in italiano e/o inglese, e diapositive delle lezioni in formato digitale.

Tutto il materiale didattico sarà pubblicato e/o disponibile sulla piattaforma Moodle (diapositive lezioni, materiale di approfondimento, indicazioni per le esercitazioni).

 

Libro consigliato: 

Douglas J. Futuyma and Mark Kirkpatrick - Evolution


The material used for the course is mostly taken from articles published in scientific journals, which will be made available to students. Students will also be provided with texts, in Italian and/or English, and lecture slides in digital format.

All teaching material will be published and/or available on the Moodle platform (lecture slides, in-depth material, instructions for exercises).

 

Adviced book:

Douglas J. Futuyma and Mark Kirkpatrick - Evolution



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Note

Curriculum Ecologico Ambientale

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Orario lezioniV

Nota: Consultare la tabella degli orari pubblicata sull'apposita pagina.

Registrazione
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    Ultimo aggiornamento: 12/06/2024 16:01
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