Dipartimento di Biologia/Zoologia

Laboratorio di Zoologia

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Zoology and evolutionary biology

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Attività Scientifica

Microevoluzione in popolazioni di animali cavernicoli

Sistematica, zoogeografia e filogenesi molecolare delle farfalle

Genetica di popolazioni naturali e allevate di pesci

Biologia, ecologia, struttura genetica di specie di Anfibi

Genetica della conservazione e DNA antico

Filogenesi molecolare delle zanzare del genere Anopheles

Osservatorio sulla Biodiversità delle Aree Protette del Lazio

Studi sull’Etologia e l’Ecologia degli Odonati

Studi sulla comunità macrobentonica delle acque interne

Studi faunistici e biogeografici sulla fauna antartica

Sistematica ed evoluzione dei micrommiferi paleartici

Storia ed epistemologia della Biologia

Microevoluzione in popolazioni di animali cavernicoli
(V.Sbordoni, G.Allegrucci, D.Cesaroni, G.Caccone, G.Gentile, M.Lucarelli)

Gli animali adattati alla vita nelle grotte sono di particolare interesse per lo studio di processi evolutivi. I loro peculiari adattamenti, che si esprimono a livello morfo-fisiologico, vengono replicati con modalità simili in organismi diversi e in luoghi diversi. Per questo motivo le grotte sono ritenute una sorta di laboratorio naturale, dove l’isolamento spaziale, la peculiarità dell’habitat, la relativa semplicità dell’ecosistema e la ridotta numerosità delle popolazioni facilitano la ricerca sperimentale e la modellizzazione dei processi microevolutivi.
Il nostro gruppo di ricerca è attivo da molti anni in questo settore e si occupa dello studio della struttura delle popolazioni cavernicole cercando di definire in dettaglio le conseguenze genetiche della frammentazione dell’habitat e dell’isolamento, attraverso la stima di parametri evolutivi come il grado di variabilità genetica di una popolazione, l'entità dello scambio di geni tra popolazioni (flusso genico), la forza e l'effetto della selezione, nonché la stima dei tassi di divergenza evolutiva tra due organismi a partire da un antenato comune. Le popolazioni cavernicole offrono un terreno sperimentale particolarmente favorevole alla analisi e alla validazione del comportamento di tali parametri.
La struttura genetica viene indagata attraverso vari marcatori a livello del DNA, utilizzando sequenze codificanti del genoma nucleare e mitocondriale, sequenze ripetute, non codificanti, proprie di alcuni tipi di DNA satellite e microsatellite, nonché attraverso lo studio elettroforetico dei polimorfismi enzimatici. L'analisi dei dati viene condotta utilizzando varie tecniche statistiche di ordinamento e classificazione multidimensionale, tecniche geostatistiche per la rappresentazione geografica, nonché strumenti dedicati alla genetica di popolazione e alla inferenza filogenetica.
I grilli cavernicoli del genere Dolichopoda sono il modello animale più studiato. Ne vengono indagati, con gli strumenti della filogenesi e filogeografia molecolare, le modalità e i tempi della cladogenesi, l’entità e i meccanismi dell’isolamento riproduttivo tra le specie (tramite allevamenti sperimentali nella grotta laboratorio), nonché eventi naturali e sperimentali di colonizzazione, tramite stime di dimensione della popolazione e analisi della variabilità genetica evidenziata attraverso microsatelliti nucleari, ricercati e individuati all’uopo. Le Dolichopoda vengono anche indagate attraverso modelli demografici e altre applicazioni sperimentali su popolazioni di organismi virtuali, attraverso algoritmi genetici e reti neuronali in simulazioni di vita artificiale, in collaborazione con l’Istituto di Psicologia del CNR, di Roma.
Altri organismi cavernicoli, come i crostacei isopodi del genere Androniscus, hanno fornito dati di rilievo sulla struttura di popolazione, testimoniando livelli estremi di isolamento anche tra demi all’interno di una stessa grotta. Altri ancora come i coleotteri batiscini e le salamandre del genere Euproctus hanno invece rappresentato un materiale d’elezione per la calibrazione di orologi molecolari in alcuni geni mitocondriali, dato che la distribuzione attuale di specie vicarianti in questi due gruppi, limitata alla Sardegna, Corsica e Pirenei, è chiaramente il risultato di una antica separazione di placche continentali, ancora unite fino a circa 29 milioni di anni fa. In tal modo il dato paleogeografico ha consentito di datare la divergenza evolutiva tra sister taxa. Tali ricerche vengono condotte in collaborazione con il Laboratoire Souterrain du CNRS, Moulis, Francia e con il EEB Dept. e YIBS-Molecular Systematics and Conservation Genetics Lab., Yale University.
Recentemente, infine, è stata avviata una linea di ricerca su lla ecologia ed evoluzione di comunità di ambienti sotterranei a base energetica chemioautotrofica in collaborazione con l’Università di Cincinnati (Ohio, USA) e l’Università di Ancona per lo studio multidisciplinare dell’ecosistema cavernicolo a base chemioautotrofica nella Grotta del Fiume (Complesso di Frasassi).

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Sistematica, zoogeografia e filogenesi molecolare delle farfalle
(D.Cesaroni, P. Gratton, M. Lucarelli, A. Tassini, S. Forestiero, V.Sbordoni)

Le tecniche di caratterizzazione genetica tramite sequenze di DNA vengono impiegate nel nostro laboratorio per studiare la filogeografia di alcuni gruppi di farfalle. In particolare un nostro progetto di ricerca si propone di esaminare, a differenti scale geografiche, le relazioni tra le discontinuità spaziali dell’habitat e la variabilità genetica in una specie di lepidottero caratterizzato da una distribuzione altamente frammentata (specie inclusa nella direttiva 92/43/CEE “Habitat”, allegato IV). Nell’ambito di questo progetto sono stati isolati e messi a punto nuovi marcatori genetici di DNA microsatellite, impiegato nello studio della struttura delle popolazioni a scala locale nell’area dei monti Simbruini. Lo studio delle relazioni tra i gruppi di popolazioni che occupano le diverse regioni dell’areale (filogeografia) si è concentrato sul sequenziamento di tratti di DNA mitocondriale (geni ND5 e COI) in campioni freschi e di collezione. I primi risultati mostrano due gruppi di aplotipi fortemente differenziati (la cui divergenza risale all’inizio del pleistocene): uno presente nell’Italia peninsulare, Sicilia compresa e nelle alpi occidentali e uno distribuito nella porzione euro-sibirica dell’areale, fino alle Alpi orientali. La regione Alpina Centro-orientale appare essere la sede della fascia di contatto tra i due gruppi di popolazioni portatrici dei diversi aplotipi del DNA mitocondriale. È proprio sulle popolazioni di questa area che si stanno concentrando gli sforzi attuali, che impiegheranno anche i marcatori nucleari microsatellite per verificare l’ipotesi di un completo isolamento riproduttivo. L’indagine contribuirà in modo sostanziale alla nostra conoscenza della complessità del panorama biogeografico europeo, dall’altra pone le basi per la definizione di unità di conservazione che possano essere considerate unità evolutivamente significative.
Altri studi sono tesi a svelare le modalità del popolamento insulare in gruppi di specie circum-mediterranei nonché a verificare la possibiltà di introgressione genica tra popolazioni e specie venute in contatto secondario. Oggetto di indagine sono state le popolazioni di Hipparchia del gruppo azorina delle isole Azzorre, ove lo studio dei polimorfismi enzimatici associato al sequenziamento del gene mitocondriale COI ha fornito risultati di notevole interesse rispetto alla scala spaziale e storica dei processi di migrazione e flusso genico, in relazione ai rapporti continente-arcipelago e tra le varie isole dell’arcipelago. E’ stato così possibile chiarire lo status tassonomico delle popolazioni delle varie isole, ricostruire le più probabili relazioni filogenetiche tra le specie di Hipparchia identificando il taxon continentale che ha dato origine alle popolazioni insulari.
Nella farfalla Zygaena ephialtes, specie ben nota per la particolare distribuzione geografica del suo polimorfismo cromatico associato a fenomeni di mimetismo mülleriano, viene indagata la variazione espressa dai polimorfismi allozimici e da marcatori DNA microsatellite in popolazioni campionate attraverso tutto l’areale della specie, e in particolare in una presunta zona ibrida localizzata in Boemia e Moravia, al fine di individuare la natura delle forze evolutive (flusso genico vs. selezione) che hanno modellato il polimorfismo nella fascia di transizione.

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Genetica di popolazioni naturali e allevate di pesci
(G.Allegrucci, S. Giorgi, D.Cesaroni, A.Caccone, S.Cataudella, V.Sbordoni)

L’ esempio maggiormente studiato nei nostri laboratori è rappresentato dalla spigola o branzino (Dicentrarchus labrax), specie ittica di interesse commerciale ed oggetto di acquacoltura. L'analisi della struttura genetica di campioni di popolazioni del Mar Mediterraneo, raccolti sia in mare aperto sia in lagune costiere, è stata effettuata tramite diversi marcatori molecolari: allozimi, RAPD e polimorfismi del DNA mitocondriale. I risultati hanno messo in luce l'esistenza di sostanziali differenze genetiche tra campioni marini e lagunari, differenze che riguardavano soprattutto polimorfismi enzimatici sottoposti a selezione.
Inoltre nel ben noto “Zebra fish”, Danio rerio, specie di grande rilevanza per gli studi di genomica, ma poco nota nella sua storia naturale, viene indagata la diversità genetica espressa dalle popolazioni naturali. Lo studio viene svolto su un campione di popolazioni indiane attraverso polimorfismi enzimatici e loci DNA microsatellite utilizzati come marcatori della variazione intra ed inter-popolazionale.

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Biologia, ecologia, struttura genetica di specie di Anfibi
(M. Mattoccia, A. Romano, V. Sbordoni)

Il declino di molte specie di anfibi in numerose aree del pianeta ha assunto proporzioni tali da destare viva preoccupazione. Si tratta di specie che, legate ad habitat di limitata estensione ed ecologicamente fragili, sono minacciate da numerosi fattori primo fra tutti l’isolamento delle singole popolazioni. L’incremento delle conoscenze sulla loro distribuzione, biologia, ecologia, dinamica di popolazione e struttura genetica è necessario per individuare le cause principali della vulnerabilità di queste specie e, di conseguenza, progettare adeguati interventi per garantirne la conservazione. Le attività di ricerca comprendono sia studi faunistici, per definire la presenza e la consistenza numerica delle diverse specie in alcune aree protette del Lazio, sia indagini su alcuni aspetti della biologia, ecologia e genetica di popolazione di Bombina pachypus e Salamandrina terdigitata, due specie endemiche italiane di interesse comunitario. In particolare, per quanto riguarda Bombina pachypus è stato avviato uno studio a lungo termine dei nuclei riproduttivi della specie presenti sui Monti Lepini, mentre per Salamandrina sono in corso ricerche sulla sua struttura genetica. La prima fase dello studio relativo a Salamandrina, ha riguardato l’analisi delle sequenze di tre geni mitocondriali di campioni rappresentativi dell’intero areale della specie, ed ha rivelato l’esistenza di due linee geneticamente distinte e geograficamente separate.

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Genetica della conservazione e DNA antico
(G.Gentile, A.Caccone, V.Sbordoni)

La Genetica della Conservazione costituisce oggi uno dei settori più attivi e vitali nell’ambito della biologia di popolazioni animali. Attraverso tecniche di caratterizzazione genetica su base molecolare è infatti possibile stimare parametri rilevanti ai fini della conservazione, identificando razze autoctone meritevoli di protezione e determinando livelli di variabilità e dimensione effettiva della popolazione (Ne) compatibili con la sopravvivenza e la pianificazione di opportune misure di protezione. Nel Dipartimento di Biologia sono attive varie linee di ricerca, che riguardante il capriolo, le testuggini, le iguane ed altri organismi. Le indagini si avvalgono dell’uso del DNA antico che, estratto da campioni museali, viene analizzato attraverso alcuni marcatori mitocondriali per lo studio delle variazioni spazio-temporali della struttura genetica delle popolazioni. Le ricerche sul Capriolo (Capreolus capreolus), svolte con il supporto finanziario del PF Beni culturali e di un contributo della Regione Lazio, hanno consentito di caratterizzare geneticamente, per la prima volta, la popolazione autoctona (C. capreolous italicus) dei Monti di Orsomarso, in Calabria, confrontandola con un vastissimo campione di popolazioni italiane ed europee.
Riguardo alle testuggini viene indagata, in collaborazione con l' EEB Dept. e YIBS-Molecular Systematics and Conservation Genetics Lab., Yale University, la caratterizzazione genotipica individuale delle celebri tartarughe giganti delle isole Galapagos (Geochelone nigra) attraverso lo studio di DNA mitocondriale e nucleare, con l’obiettivo di chiarirne origine, filogenesi molecolare e pianificare adeguate misure di conservazione. In collaborazione con l’Università di Ferrara, è in corso un o studio sulla fitogeografia delle tartarughe del genere Testudo.
Le iguane terrestri sono fra la specie più spettacolari e più rappresentative delle isole Galápagos, un arcipelago vulcanico circa 1000 chilometri ad ovest dell'Ecuador. Due specie differenti di iguana terrestre delle Galápagos sono state finora riconosciute, entrambe gli endemiche dell’arcipelago: Conolophus pallidus (che si trova in una sola isola) e C. subcristatus. Una terza entità tassonomica potrebbe forse essere meritevole di riconoscimento. Le iguane terrestri che popolavano un tempo molte regioni dell'arcipelago, hanno subito l’impatto di vari fattori di disturbo che hanno causato la drastica riduzione o l'estinzione di molte popolazioni. Le popolazioni sopravvissute di C. subcristatus sono minacciate fortemente da maiali, asini, cani, gatti, ratti e capre introdotti dall'uomo. Queste specie esotiche hanno un effetto tremendo sulle popolazioni di iguana terrestre perché competono direttamente per il cibo, o predano adulti, giovani e uova. Essi possono anche introdurre malattie e forme di resistenza agli antibiotici. Trenta anni fa, per conservare le iguane terrestri delle Galápagos, il parco nazionale delle Galápagos (GNPS) ha iniziato un programma in collaborazione con la stazione di ricerca C. Darwin (CDRS che mira (1) all’ eradicazione delle specie esotiche, (2) al rinsanguamento delle popolazioni minacciate di iguana terrestre e (3) alla rintroduzione delle iguane terrestri nelle zone dove si sono estinte. Purtroppo, il progetto originale ha prestato poca attenzione verso strategie d'ottimizzazione volte al mantenimento della variazione genetica. Questo problema è stato affrontato due anni fa ed ha condotto ad una collaborazione fra il GNPS, la CDRS e l’Università Tor Vergata. Attraverso la caratterizzazione genetica di tutte le popolazioni sopravvissute, questo progetto mira a fornire dati necessari per un programma efficiente di rinsanguamento e reintroduzione dell’ iguana terrestre nelle isole Galápagos. L'obiettivo principale è di valutare la dimensione effettiva di popolazione avvantaggiandosi degli sviluppi recenti nella teoria della genetica di popolazione. Inoltre, nucDNA e mtDNA sono utilizzati per chiarire il ruolo dell’ibridazione fra iguane marine e terrestri marina nell’evoluzione di questi organismi. Lo studio del DNA nucleare e mitocondriale sarà utile anche per per risolvere alcuni problemi tassonomici ed identificare le unità di managment per conservazione. Inoltre, campioni raccolti più di un secolo fa, conservati nelle collezioni della California Academy of Science (San Francisco), sono stati studiati, per aprire una finestra diacronica nella variazione genetica della popolazione studiate. I dati genetici sono integrati con le informazioni di analisi parassitologiche, biochimiche, ormonali, microbiologiche, veterinarie, per valutare la condizione di salute delle popolazioni di iguana terrestre.

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Filogenesi molecolare delle zanzare del genere Anopheles
(A.Caccone, G.Gentile)

Processi di speciazione in A. gambiae s.s., vettore responsabile della trasmissione della malaria nell’Africa sub-sahariana. Individuazione di metodi molecolari per l’identificazione delle forme cromosomiche/molecolari di A. gambiae s.s.. Introgressione della resistenza ai piretroidi (kdr gene) in A. gambiae s.s. nell’Africa Centro-Occidentale, in collaborazione con il Dipartimento di Scienze di Sanità Pubblica, Sezione di Parassitologia, Università La Sapienza, Roma.

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Osservatorio sulla Biodiversità delle Aree Protette del Lazio
(V.Sbordoni, S. de Felici, F.Baldari, D.Cesaroni, S. Forestiero, M.Lucarelli, M.Mattoccia, G. Pandolfi, M. Di Rao, P. Gratton, A. Romano)

La conservazione della diversità biologica alle varie scale a cui essa si manifesta (geni, specie, ecosistemi) è ritenuta oggi prioritaria in tutte le politiche mondiali sull’ambiente. L’Osservatorio sulla Biodiversità delle Aree Protette (AAPP) del Lazio è un progetto coordinato, attraverso una apposita convenzione, dall’Agenzia Regionale per i Parchi e dall’Università di Roma "Tor Vergata". Scopi dell’osservatorio sono: l’identificazione e la valutazione dei differenti valori della biodiversità nelle Aree Protette, con particolare attenzione al loro significato ecologico, storico e biogeografico; il monitoraggio della biodiversità delle AAPP con riferimento alle diverse scale; la valorizzazione delle risorse biologiche e ambientali delle AAPP ai fini della loro gestione e conservazione, e identificazione di linee guida per la promozione di un turismo ecosostenibile; la realizzazione di programmi di educazione e di sensibilizzazione sui temi dell’Osservatorio.
Le attività in corso comprendono: la costituzione di una banca dati georeferenziata sulle specie animali e vegetali delle AAPP della Regione Lazio; la promozione di ricerche sulla biodiversità nelle AAPP attraverso l’erogazione di borse e premi di studio per laureati e studenti delle Università del Lazio; la costituzione di un sito web dedicato all’Osservatorio sulla Biodiversità; l’attivazione di programmi di sensibilizzazione e di educazione rivolti alle scuole. Dal 2002 al 2004 è stato allestito un database che contiene attualmente oltre 70.000 record contenente informazioni georeferenziate storiche e attuali su numerosi gruppi zoologici: Uccelli, Anfibi e Rettili, Insetti Lepidotteri e Coleotteri, Pseudoscorpioni, benthos delle acque interne, popolamenti delle grotte del Lazio. Per flora e vegetazione la banca dati raccoglie oltre 1.000 segnalazioni, anch’esse georeferenziate, di piante rare e protette della flora laziale nonché la raccolta completa delle cartografie di vegetazione attualmente disponibili per la Regione. Nel corso degli ultimi due anni il dipartimento ha partecipata attivamente alla redazione dei piani di gestione di numerose aree di Rete Natura 2000 presenti nel Lazio, specificamente: ZPS-SIC Tevere-Farfa, ZPS Monti Ernici e Simbruini e SIC inclusi, ZPS Monti Aurunci e SIC inclusi, ZPS Monti Lucretili e SIC inclusi SIC Grotta di Bellegra.

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Studi sull’Etologia e l’Ecologia degli Odonati
(G. Carchini,M. Di Domenico, A. G. Solimini)

E’ proseguito lo studio delle relazioni, in maschi di Coenagrionidae, fra il successo riproduttivo, valutato tramite il Lifetime Mating Success, l’asimmetria fluttuante e altre caratteristiche individuali, come la taglia. Sono stati esaminati i rapporti fra le presenze delle specie di Odonati e le caratteristiche ambientali in insiemi di stagni sia di bassa quota che montani, mostrando che la ricchezza in specie di Odonati è negativamente correlata con l’eutrofizzazione e positivamente con l’abbondanza di macrofite acquatiche. E stata anche valutata la stabilità temporale e spaziale dei popolamenti, che è risultata minore a scala locale che a meso scala e, in quest’ultimo caso, discretamente stabile anche in un ventennio.

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Studi sulla comunità macrobentonica delle acque interne
(G. Carchini, A. Solimini, A. Ruggiero)

Sono stati indagati sia ambienti reici, segnatamente corsi d’acqua di basso ordine, che ambienti di acque ferme di piccole dimensioni. Per gli ambienti reici è continuata l’analisi, dai dati raccolti in precedenza delle caratteristiche del popolamento macrobentonico, sia dal punto di vista della distribuzione in classi di taglia che da quello qualitativo. Inoltre, tramite la partecipazione al programma STREAMES finanziato dalla UE, è stata stimata la capacià di ritenzione dei nutrienti di un torrente, a monte e a valle dell’immissione di uno scarico civile. I dati sono stati comparati su scala europea. Per gli ambienti lotici sono state studiate le relazioni fra diversità del benthos e impatto antropico dovuto al pascolo in laghi-stagno in aree montane (>1000 m slm) in aree protette. Inoltre sono state studiate le caratteristiche idrochimiche di diversi di questi laghi-stagno, trovando conferme, ma anche eccezioni, alla teoria degli equilibri alternativi in “shallow lakes”. In particolare, i casi studiati hanno mostrato l’importanza della abbondanza di macrofite acquatiche nella conservazione di uno stato limpido delle acque anche a concentrazioni di nutrienti di gran lunga maggiori di quanto sinora noto in letteratura. Inoltre è stata dimostrata la possibilità di rapidi cambiamenti fra i due stati limpido e torbido, previsti dalla teoria, sia nel corso di un anno che in anni successivi.

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Studi faunistici e biogeografici sulla fauna antartica
(G. Carchini, V. Sbordoni, G. Allegrucci)

Nel quadro della partecipazione al Programma Nazionale di Ricerche in Antartide, è continuato lo studio, in collaborazione con il British Antarctic Survey, degli eventi paleozoogeografici che hanno probabilmente avuto nell’Antartide il loro fulcro, prima degli eventi di frammentazione del supercontinente di Gondwana. I taxa indagati sono gli Ortotteri Rhaphidophoridae e i Ditteri Chironomidae, tramite analisi delle sequenze selezionate del DNA mitocodriale. La finalità delle ricerche è di chiarire le relazioni sistematiche tra specie affini e valutare quale processo (vicarianza o dispersione) sia responsabile della loro attuale distribuzione. Risultati preliminari sui Chironomidi propriamente antartici hanno mostrato che gli eventi cladogenetici sono antichi, dell’ordine delle diecine di milioni di anni, e in buon accordo con gli eventi paleogeografici generati dalla deriva dell’Antartide rispetto al Sud America.

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Sistematica ed evoluzione dei micrommiferi paleartici
(M.G. Filippucci)

Insettivori e Roditori hanno utilizzato durante la loro storia evolutiva differenti strategie di speciazione e sono caratterizzati da diversa ecologia. La loro variazione morfologica e genetica nei vari distretti dell'areale è stata studiata mediante analisi biometrica dei caratteri somatici, analisi elettroforetica dei sistemi gene-enzima, analisi del cariotipo. Un approccio multidisciplinare e necessario per individuare le numerose specie gemelle e ovviare all'inadeguatezza degli usuali metodi morfologici. Queste ricerche hanno consentito di comprendere l'origine e l'attuale struttura della mammalofauna europea e dell'intera sottoregione paleartica occidentale. Tali risultati sono stati utilizzati per lo studio dei processi microevolutivi implicati nella speciazione. Gli obiettivi sono: a) definizione della posizione tassonomica di numerose specie appartenenti di Roditori e di Insettivori dell'area mediterranea; b) variabilità genetica e speciazione in mammiferi fossori; e) analisi comparativa della variabilità genetica in micromammiferi.

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Storia ed epistemologia della Biologia
(S.Forestiero)

Viene condotta l’indagine storico-critica di alcune nozioni chiave della biologia evolutiva e dell’ecologia quali Adattamento e Ambiente, e lo studio dei caratteri specifici della complessità biologica.

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