Gli occhi dei molluschi rivelano come l'evoluzione futura dipenda dal passato | Rivista Quanti

I biologi si sono spesso chiesti cosa accadrebbe se potessero riavvolgere il nastro della storia della vita e lasciare che l’evoluzione si ripetesse da capo. I lignaggi degli organismi si evolverebbero in modi radicalmente diversi se ne avessero l’opportunità? Oppure tenderebbero ad evolvere gli stessi tipi di occhi, ali e altri tratti adattativi perché le loro precedenti storie evolutive li avevano già inviati lungo determinati percorsi di sviluppo?

A nuovo articolo pubblicato oggi in Scienze descrive un caso di prova raro e importante per quella domanda, che è fondamentale per comprendere come interagiscono evoluzione e sviluppo. Un team di ricercatori dell'Università della California, a Santa Barbara, si è imbattuto in questo fenomeno mentre studiava l'evoluzione della vista in un oscuro gruppo di molluschi chiamati chitoni. In quel gruppo di animali, i ricercatori hanno scoperto che due tipi di occhi – le macchie oculari e gli occhi a conchiglia – si sono evoluti ciascuno due volte in modo indipendente. Un dato lignaggio potrebbe evolvere un tipo di occhio o l'altro, ma mai entrambi.

Curiosamente, il tipo di occhio che aveva un lignaggio era determinato da una caratteristica più antica apparentemente non correlata: il numero di fessure nell'armatura del chitone. Ciò rappresenta un esempio reale di “evoluzione dipendente dal percorso”, in cui la storia di un lignaggio modella irrevocabilmente la sua futura traiettoria evolutiva. I momenti critici in un lignaggio agiscono come porte a senso unico, aprendo alcune possibilità e chiudendo definitivamente altre opzioni.

"Questo è uno dei primi casi [dove] siamo stati effettivamente in grado di vedere l'evoluzione dipendente dal percorso", ha detto Rebecca Varney, borsista post dottorato in Il laboratorio di Todd Oakley presso l'UCSB e l'autore principale del nuovo articolo. Anche se in alcuni batteri cresciuti in laboratorio è stata osservata un’evoluzione dipendente dal percorso, “dimostrarla in un sistema naturale è stata una cosa davvero entusiasmante da poter fare”.

"C'è sempre un impatto della storia sul futuro di un tratto particolare", ha detto Lauren Sumner-Rooney, che studia i sistemi visivi degli invertebrati presso l'Istituto Leibniz per le scienze dell'evoluzione e della biodiversità e non è stato coinvolto nel nuovo studio. "Ciò che è particolarmente interessante ed entusiasmante in questo esempio è che gli autori sembrano aver individuato il momento in cui si verifica quella divisione."

Per questo motivo, i chitoni “probabilmente entreranno nei futuri libri di testo sull’evoluzione” come esempio di evoluzione dipendente dal percorso, ha affermato Dan-Eric Nilsson, un ecologo visivo dell'Università di Lund in Svezia che non è stato coinvolto nella ricerca.

I chitoni, piccoli molluschi che vivono sulle rocce intercotidali e nelle profondità marine, sono come piccoli serbatoi protetti da otto piastre di conchiglia, una struttura corporea rimasta relativamente stabile per circa 300 milioni di anni. Lungi dall'essere un'armatura inerte, queste piastre di guscio sono pesantemente decorate con organi sensoriali che consentono ai chitoni di rilevare possibili minacce.

Gli organi di senso sono di tre tipi. Tutti i chitoni sono dotati di esteti, un recettore tutto in uno estremamente sinestetico che consente loro di percepire la luce e segnali chimici e meccanici nell'ambiente. Alcuni chitoni hanno anche sistemi visivi adeguati: migliaia di ocelli sensibili alla luce o centinaia di occhi a conchiglia più complessi, che hanno una lente e una retina per catturare immagini approssimative. Gli animali con gli occhi a conchiglia possono individuare i predatori incombenti, in risposta ai quali si aggrappano saldamente alla roccia.

Per capire come si è evoluta questa varietà di occhi di chitone, un team di ricercatori guidati da Varney ha esaminato il modo in cui centinaia di specie di chitone sono imparentate. Hanno usato una tecnica chiamata cattura dell'esoma per sequenziare sezioni strategiche di DNA da vecchi campioni nella raccolta di Doug Eernisse, specialista in chitone presso la California State University, Fullerton. Nel complesso, hanno sequenziato il DNA di più di 100 specie accuratamente selezionate per rappresentare l'intera gamma della diversità dei chitoni, assemblando la filogenesi (o albero delle relazioni evolutive) più completa fino ad oggi per i chitoni.

Quindi i ricercatori hanno mappato i diversi tipi di occhi sulla filogenesi. Il primo passo prima dell’evoluzione degli occhi o delle macchie oculari, hanno osservato i ricercatori, è stato un aumento della densità degli esteti sulla conchiglia. Solo allora potrebbero apparire occhi più complessi. Le macchie oculari e gli occhi a conchiglia si sono evoluti ciascuno due volte separate attraverso la filogenesi, rappresentando due casi separati di evoluzione convergente.

"Indipendentemente, i chitoni hanno evoluto gli occhi - e, attraverso di loro, quello che pensiamo sia probabilmente qualcosa di simile alla visione spaziale - quattro volte, il che è davvero impressionante", ha detto Varney. "Si sono anche evoluti così incredibilmente rapidamente." I ricercatori hanno stimato che nel genere neotropicale Chitone, ad esempio, le macchie oculari si sono evolute in soli 7 milioni di anni: un batter d'occhio nel tempo dell'evoluzione.

I risultati hanno sorpreso i ricercatori. "Pensavo che si trattasse di un'evoluzione graduale della complessità, passando dagli esteti al sistema a oculare fino agli occhi a conchiglia: una progressione molto soddisfacente", ha affermato Dan Speiser, ecologista visivo presso l'Università della Carolina del Sud e coautore dell'articolo. “Invece, ci sono molteplici percorsi verso la visione.”

Ma perché alcuni lignaggi hanno sviluppato gli occhi a conchiglia anziché le macchie oculari? Durante un viaggio di sei ore da una conferenza a Phoenix a Santa Barbara, Varney e Oakley iniziarono a sviluppare l'ipotesi che il numero di fessure nel guscio di un chitone potesse essere la chiave per l'evoluzione della visione del chitone.

Tutte le strutture fotosensibili sul guscio del chitone, ha spiegato Varney, sono attaccate ai nervi, che passano attraverso le fessure del guscio per connettersi ai nervi principali del corpo. Le fessure funzionano come organizzatori di cavi, raggruppando insieme i neuroni sensoriali. Più fessure significano più aperture attraverso le quali possono scorrere i nervi.

Accade così che il numero di fenditure sia un'informazione standard che viene registrata ogni volta che qualcuno descrive una nuova specie di chitone. "Le informazioni erano là fuori, ma senza il contesto di una filogenesi su cui mapparle, non avevano alcun significato", ha detto Varney. "Così sono andato a guardarlo e ho iniziato a vedere questo schema."

Varney vide che due volte, indipendentemente, lignaggi con 14 o più fessure nella placca della testa sviluppavano punti oculari. E due volte, indipendentemente, lignaggi con 10 o meno fessure hanno sviluppato occhi a conchiglia. Si rese conto che, in base al numero di fessure bloccate, quale tipo di occhio poteva evolversi: un chitone con migliaia di ocelli ha bisogno di più fessure, mentre un chitone con centinaia di occhi a conchiglia ne ha bisogno di meno. In breve, il numero delle fessure della conchiglia ha determinato l'evoluzione dei sistemi visivi delle creature.

I risultati portano a una nuova serie di domande. Un aspetto su cui i ricercatori stanno indagando attivamente è il motivo per cui il numero di fessure limita il tipo di occhio che può evolversi. Rispondere a questa domanda richiederà lavoro per chiarire i circuiti dei nervi ottici e il modo in cui elaborano i segnali provenienti da centinaia o migliaia di occhi.

In alternativa, la relazione tra il tipo di occhio e il numero di fessure potrebbe essere guidata non dalle esigenze della vista ma dal modo in cui le placche si sviluppano e crescono in diversi lignaggi, ha suggerito Sumner-Rooney. Le placche del guscio crescono dal centro verso l'esterno per accrescimento e gli occhi vengono aggiunti durante tutta la vita del chitone man mano che il bordo cresce. "Gli occhi più antichi sono quelli al centro dell'animale, mentre i più recenti sono stati aggiunti ai bordi", ha detto Sumner-Rooney. Come chitone, "potresti iniziare la vita con 10 occhi e finire la tua vita con 200 occhi".

Di conseguenza, il bordo in crescita della piastra del guscio deve lasciare dei fori per i nuovi occhi: molti piccoli fori per gli ocelli o meno fori più grandi per gli occhi del guscio. Troppi buchi o troppo grandi potrebbero indebolire un guscio fino al punto di rottura, quindi fattori strutturali potrebbero limitare la possibilità di occhi.

Resta ancora molto da scoprire su come i chitoni vedono il mondo, ma nel frattempo i loro occhi sono pronti a diventare il nuovo esempio preferito dai biologi di evoluzione dipendente dal percorso, ha detto Nilsson. "Gli esempi di dipendenza dal percorso che possono essere davvero ben dimostrati, come questo caso, sono rari, anche se il fenomeno non solo è comune, ma è il modo standard in cui le cose accadono."