Evoluzione in atto: dal cambiamento genetico a nuove specie Understand article

Tradotto da: Francesca Nuzzo. Come nascono specie o organismi del tutto nuovi? Tempo e separazione sono i fattori chiave.

Quando si parla di evoluzione, la maggior parte della gente pensa alla teoria della selezione naturale di Charles Darwin, secondo cui un organismo si evolve in un altro totalmente diverso – pesci in animali terrestri, o primati in umani – in un arco di tempo molto lungo. Per gli scienziati, invece, il termine evoluzione assume un significato più sottile: è il cambiamento delle frequenze delle varianti genetiche (sequenze di DNA che variano tra individui) in una popolazione. Inoltre – sempre in contrasto con la comune idea di evoluzione – questi cambiamenti sono influenzati da diversi fattori, e non solo dalla selezione naturale: mutazioni, migrazioni e caso sono tutti meccanismi alla base di cambiamenti evolutivi.

Quali sono i processi evolutivi che portano alla nascita di nuove specie, ed esistono differenze tra quelli che avvengono all’interno di una specie o di una popolazione? Attualmente, questo è un aspetto molto dibattuto, a cui cercheremo di dare una risposta, nel presente aricolo, usando le informazioni fornite sia dalla genetica sia dai fossili.

 

Scheletro fossile di una specie estinta, il dinosauro Triceratops. Gli scienziati usano sia i fossili sia il DNA per ricostruire l’evoluzione delle specie estinte.
Barks/Shutterstock.com

Perché nascono nuove specie?

Disegno originale di quattro
specie di fringuello trovate
nelle Galapagos, scoperte da
Charles Darwin. La forma del
becco si è evoluta per
adattarsi al diverso tipo di
cibo presente nelle isole.

John Gould/Wikimedia
Commons
 

Affinchè una nuova specie possa nascere, è necessaria almeno una condizione: un certo grado di separazione tra popolazioni (gruppi di individui) di una specie esistente. Può essere una separazione fisica – una barriera geografica come una catena montuosa o un isolamento su di un’ isola – o ecologica, come diete differenti o diverse modalità di accoppiamento. Nel tempo, i cambiamenti del DNA in varie popolazioni renderanno difficile, se non impossibile, gli incroci ibridi in popolazioni separate: si formeranno dunque nuove specie.

Esistono molteplici esempi di questo fenomeno. Ad esempio, quando gruppi di moscerini della frutta sono inseriti in diversi recinti in laboratorio, i moscerini dei diversi gruppi alla fine non saranno in grado di accoppiarsi e  produrre prole. L’ultimo esempio di speciazione Darwiniana (da una specie preesistene se ne formano delle nuove) è il fringuello delle Galapagos, descritto da Darwin nel suo “The Voyage of the Beagle”. In quel caso, la separazione, sia per la dieta sia per la diversa localizzazione sulle isole, portò alla nascita di specie diverse con differenti forme di becco a seconda delle diverse abitudini alimentari. È chiaro che il cambiamento anatomico si riflette in modifiche a livello genetico nei geni responsabili della morfologia del becco. Ma quali sono i cambiamenti genetici che portano a speciazione di una specie, come accaduto per i fringuelli di Darwin? Recenti ricerche in questo campo stanno fornendo risposte a tali interrogativi, permettendo agli scienziati di seguire i cambiamenti genetici.

La zona ibrida

Durante l’ultima era glaciale, molte popolazioni animali in Europa furono geograficamente separate in seguito alla migrazione verso regioni più calde (come Spagna e penisola balcanica). Quando i ghiacciai si sciolsero, circa 10.000 anni fa, le popolazioni delle specie che furono separate per un lungo periodo vennero nuovamente in contatto, poiché furono in gado di lasciare i loro rifugi e ripopolare il continente. Tuttavia, vivere miglialia di anni separate, portò ciascuna popolazione ad acquisire delle varianti genetiche peculiari, che resero difficile l’ accoppiamento una volta riunitesi insieme.

Ad esempio, quando la popolazione del corvo europeo (Corvus corone) si separò durante l’era glaciale, si evolse in due tipi visibilmente differenti: le cornacchie nere (Corvus corone corone) ad ovest, e la cornacchia grigio-nera Corvus corone cornix)  ad est. Oggi, nella “zona ibrida” – un piccolo lembo di terra tra la Scandinavia e l’Italia, in cui vivono entrambi i tipi di corvo – le due specie possono accoppiarsi e produrre prole, anche se con meno successo rispetto agli incroci all’interno delle rispettive popolazioni. Dall’analisi del genoma dei corvi della zona ibrida e dal loro confronto con il genoma dei corvi rimasti nelle proprie regioni, gli scienziati hanno identificato delle sequenze di DNA che non viaggiano facilmente attraverso la zona ibrida. Questi frammenti di genoma, specifici di una sola popolazione (cornacchia nera o grigio-nera) e raramente trovati in altre popolazioni, sono la chiave della nascita di nuove specie. In questo caso, i geni responsabili dei diversi tipi di piumaggio passaseranno dfficilmente la zona ibrida. Ciò suggerisce che la cornacchia preferisce accoppiarsi con la cornacchia nera piuttosto che con la nera-grigio e viceversa. Se il fenomeno continua, è molto probabile che i due gruppi daranno origine a due specie diverse.

La cornacchia nera, Corvus corone corone
Erni/Shutterstock.com

 

La cornacchia grigia-nera, Corvus corone cornix
Stefan Berndtsson/Flickr

I fenomeni molecolari e demografici riguardanti i corvi (o i fringuelli di Darwin), che gli scienziati osservano e studiano da decenni, evidenziano la natura universale del processo evolutivo. Fondamentalmente, questi processi non sono diversi da quelli che avvengono nei microrganismi – come il caso del virus Ebola mutato in un ceppo più infettivo (consultare Bryk, 2017). Il principale fattore che differenzia questi due esempi è il tempo: il cambiamento genetico, avvenuto all’Ebola in circa due anni, ha richiesto migliaia di anni negli uccelli, in linea con tempi di generazione più lunghi. Ad ogni modo, quando un organismo si adatta ad ambienti nuovi o subisce cambiamenti genetici casuali, il risultato è che popolazioni differenti diventano via via più diverse. Nell’esempio del corvo o dei fringuelli, ciò ha portato al totale isolamento riproduttivo – e quindi a nuove specie.

Dai dinosauri agli uccelli – e viceversa

E che dire della nascita di nuovi tipi di organismi – come l’evoluzione delle balene dai loro antenati terrestri, o degli uccelli dagli antichi dinosauri? Come si possono ricontruire e capire questi cambiamenti della vita sulla Terra, cambiamenti molto più importanti della nascita di singole specie?

La principale sfida nel rintracciare questo percorso evolutivo dipende dal fatto che é avvenuto in un arco di tempo estremamente lungo, quindi la maggior parte di questi antenati sono estinti. Comunque, i fossili durano per centinaia di milioni di anni e forniscono informazioni dettagliate sui cambiamenti anatomici lungo questi ampi lassi di tempo. Negli ultimi decenni, migliaia di reperti fossili ben conservati sono stati scoperti nel nord-est della Cina ed hanno delucidato importanti dettagli sull’evoluzione degli uccelli dai dinosauri. Ad esempio, ora sappiamo che i dinosauri avevano penne già molto tempo prima della comparsa di uccelli in grado di volare, suggerendo che inizialmente le penne non erano usate per il volo. Isolamento, mimetizzazione o visibilità sono tutti usi alternativi e vantaggiosi che le penne conferivano a questi primi rettili piumati (Foth et al., 2014; Zhou, 2014).

Illustrazione che mostra il dinosauro Aurornis, piumato ma senza ali, vissuto circa 160 milioni di anni fa. Scoperto nel 2013 in Cina, Aurornis è considerato il più antico esemplare di dinousauro simile ad un uccello.
Jaime Chirinos/Science Photo Library
 

Allo stesso modo, gli uccelli in grado di volare non nacquero improvvisamente e completamente sviluppati. Lo studio dei diversi aspetti anatomici necessari al volo – piccola taglia, ali, penne, coda affusolata, forcula ed altri, ha dimostrato che il corpo completo di un uccello si è gradualmente formato in circa 100 milioni di anni. Una volta che questo corpo fu completo, gli uccelli subirono un’ intensa e rapida  divergenza in un’ ampia gamma di forme diverse, portando poi alle 10000 specie attualmente note (Brusatte, 2015).

L’evoluzione degli uccelli dai dinosauri è stata dunque un processo continuo, senza cambi improvvisi. Si dice che, se un paleontologo potesse tonare indietro nel tempo e guardare l’evoluzione degli ucelli per 100 milioni di anni, non noterebbe un momento o evento particolare a cui attribuire con esattezza la fine dei dinosauri e l’inizio degli uccelli. Grazie ai resti fossili scoperti in Cina, gli ultimi due decenni hanno rappresentato una svolta nella comprensione dell’evoluzione degli uccelli, portando a collocarli tra i dinosauri e facendo si che il pollo sia un lontano cugino del Tyrannosaurus rex. Non solo, ma T. rex ora è considerato molto più imparentato con i polli che con altre specie di dinosauri – ad esempio Triceratops.

 

Specie moderne di uccelli, con le loro strepitose varietà. In alto a sinistra: pulcinella di mare (Fratercula arctica); in alto a destra: Martin pescatore (Alcedo atthis); in basso a sinistra: cicogna bianca (Ciconia ciconia); in basso a sinistra: gracchio alpino (Pyrrhocorax graculus)
Ronnie Robertson/Flickr (CC BY-SA 2.0), Shahin Olakara/Flickr, Barry Badcock/Flickr, Ed Dunens/Flickr

Semplicemente evoluzione

Tali cambiamenti al di sopra del livello “specie” sono a volte chiamati “macroevoluzione”, in opposizione ai cambiamenti genetici che si osservano in una specie (a volte chiamati “microevoluzione”). Sfortunatamente, la dicotomia suggerisce che esistono due tipi di evoluzione o che essa sia guidata da meccanismi diversi nei livelli “micro” e “macro”. La distinzione è spesso sfruttata da chi non accetta l’evoluzione e da chi riconosce solo la “microevoluzione”. Tuttavia la dicotomia è falsa, perché non esistono altri meccanismi, se non quelli citati, che cambiano le proporzioni delle varianti alleliche in una popolazione. C’è solo un evoluzione, spinta da mutazioni, migrazione, selezione e cambiamento.

Dedica dell’autore

Questo è l’ultimo di una serie di tre articoli che vorrei dedicare a Dr. Dean Madden (1960-2017), che, nel lontano 2016, mi spinse a scrivere sull’evoluzione per Science in School. Dean era un amico, mentore, collega, insegnante, disegnatore, tipografo, apicoltore, produttore di sidro, coltivatore di peperoncino, amante del reggae, grammar nazi, utente di Apple, Whovian, geniale scienziato pazzo e compagno di birichinate. Addio, e grazie per tutto il pesce.

Note dell’editore: Il Dr Dean Madden é stato sin dall’inizio un sostenitore di Science in School e membro della commissione editoriale dal 2005 fino alla sua morte nel 2017.

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References

Resources

Author(s)

Dr Jarek Bryk è un professore di biologia molecolare presso l’University of Huddersfield nell’Inghilterra del Nord, UK. Insegna genomica ed evoluzione e studia come le frequenze alleliche cambiano nelle popolazioni del topo selvatico e donnola. Seguitelo online su http://bryklab.net o suTwitter @jarekbryk.


Review

L’articolo è interessante e spiega l’evoluzione con parole semplici, senza dettagli difficili o confusi. Ogni fenomeno o quesito menzionato include esempi chiari, stimolando il lettore a documentarsi ulteriormente sul processo dinamico dell’evoluzione. Mediante questo articolo, gli studenti sono indotti a pensare all’evoluzione come ad un importante principio nel mondo della biologia e a capire che l’evoluzione è il risultato di meccanismi specifici, che agiscono su lassi di tempo lunghi o corti, a seconda del ciclo di vita dei diversi organismi.

Alcune domande che potrebbe essere sottoposte agli studenti sono:

  • Come nascono nuove specie?
  • Come l’evoluzione dei dinosauri è collegata all’evoluzione degli uccelli?
  • L’evoluzione, nel tempo,  è un processo lento?
  • Cosa è una zona ibrida?
  • L’evoluzione è connessa alla dieta?
  • Cosa vuol dire adattamento ambientale?

Alina Giantsiou-Kyriakou, insegnante di biologia presso la Lyvadia High School, Cipro




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