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Il gioco delle parti: confermata in molte specie l’evoluzione a mosaico

con “evoluzione a mosaico” si intende un quadro evolutivo in cui le caratteristiche fenotipiche delle specie non si sviluppano tutte alla stessa velocità; alcune restano in una condizione ancestrale, altre sono il motore per l’emergenza di nuovi caratteri individuali

Scritto da Annalisa Arci il 16.12.2012

CHICAGO – Le correnti neodarwiniste hanno superato il gradualismo filetico del darwinismo ortodosso e confermano, in modi diversi e a volte inconciliabili, che la storia dell’evoluzione non è la storia di un cambiamento lento, continuo, privo di “salti”, ma la storia di una sequenza di equilibri omeostatici che, con una frequenza non trascurabile (data la vastità del tempo a disposizione), sono stati interrotti da fenomeni di speciazione tanto episodici quanto rapidi.

Serpente fossile

Eupodophis descouensi, un serpente fossile del Cretaceo (95 milioni di ani fa) in Libano. Crediti: A. Houssaye

Le variazioni fenotipiche – causate dall’interazione tra le variazioni genetiche ereditarie e l’ambiente – sono un prerequisito di base per l’evoluzione e la selezione naturale. Nelle specie viventi il cambiamento fenotipico non avviene sempre in modo uniforme: spesso alcuni tratti individuali o alcune parti del corpo rappresentano il cambiamento (evolutivo) a livello dell’intera specie.

Di recente, gli scienziati del Dipartimento di Geologia del Field Museum of Natural History di Chicago, in collaborazione con il Museum für Naturkunde di Berlino, si sono posti un quesito apparentemente banale: i tratti individuali sono una rappresentazione adeguata del mutamento al livello della specie? Dal momento che questi tratti individuali si manifestano in modo intermittente, la risposta dei due gruppi di ricerca riposa sulla soluzione ad un altro quesito, in certo senso basilare: quanto spesso questi singoli tratti sono sintomatici di patterns conflittuali nella stessa sequenza (di caratteri)? Cosa si intende per evoluzione a mosaico?

L’evoluzione può produrre cambiamenti a livello di singoli individui, di popolazioni o di strutture (che a posteriori vediamo essere omologhe). Per quanto il concetto di specie sia controverso, secondo la teoria che stiamo esaminando una specie è una sorta di mosaico di differenti molecole e strutture che si sono trasformate ed evolute con “tassi” diversi. Alcune molecole o strutture, ad esempio, si sono conservate nel corso dell’evoluzione, mentre altre si sono modificate più velocemente dando luogo a nuove strutture. Consideriamo un uccello (a questo livello di analisi optare per un tipo piuttosto che per un altro è indifferente). Il suo piano strutturale di base lo rende facilmente distinguibile dalle altre specie; è dotato di strutture altamente conservate quali piume, becco. Ciò nonostante, particolari parti del corpo di un uccello possono essere meno conservative e presentare ritmi di cambiamento più veloci. Le ali (come gli arti) si sono modificate per consentire lo svolgimento di alcune funzioni: volare, nuotare, etc.. Le ali e gli arti sono parti strutturali.

Ciascuna struttura o gruppo strutturale si evolve con grande rapidità mentre tutto il resto è soggetto a cambiamenti molto più lenti o a stasi. Adottando questo modello esplicativo, dobbiamo accettare che le parti del corpo non siano soggette a continui ed armoniosi cambiamenti nel corso della storia evolutiva della specie, ma che l’organismo si costruisca come un “mosaico”. Ogni vivente è un mosaico di caratteri primitivi ed avanzati, di determinazioni comuni alla specie intera e di determinazioni peculiari al singolo individuo. Di conseguenza, con “evoluzione a mosaico” si intende un quadro evolutivo in cui le caratteristiche fenotipiche delle specie non si sviluppano tutte alla stessa velocità; alcune restano in una condizione ancestrale, altre sono il motore per l’emergenza di nuovi caratteri individuali.

Nel dominio del genotipo abbiamo, dunque, velocità di sviluppo differenti in cui alcuni parti degli organismi evolvono in modi e in tempi divergenti rispetto ad altre parti. Per mutuare un’espressione dalla fisica, potremmo dire che l’evoluzione consente alle parti strutturali di esibire diversi gradi di libertà. L’individuo come specchio di un individuo superiore: la specie. Ritorniamo al quesito di base che pone lo studio di prossima pubblicazione nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences: quanto spesso questi singoli tratti sono sintomatici di patterns conflittuali nella stessa sequenza (di caratteri)?

Per rispondere alla domanda, il team di ricercatori ha fatto leva proprio su alcuni risultati in campo paleontologico: lo studio dei fossili dimostra che nella maggior parte dei lignaggi (le linee di discendenza in una specie) la frequenza delle variazioni di caratteri è correlativa alla variazione della modalità evolutiva (il pattern evolutivo in opposizione al suo ritmo o frequenza), e le probabilità che questi patterns o trame evolutive confliggano all’intero di un lignaggio aumenta man mano che aumenta il numero dei tratti presi in esame. Anche in presenza di una linea di sviluppo dominante resta comunque uno spazio in cui i singoli tratti possono evolvere in modi divergenti.

In questo ambito, la teoria degli equilibri punteggiati, sviluppata a partire dal 1972 da Niles Elredge e Stephen Jay Gould, è stata fondamentale. Alcune sequenze paleontologiche mostrano che l’evoluzione non segue un solo modello: esistono parti, proprietà diagnostiche o caratteri che subiscono cambiamenti graduali nel tempo, mentre altre restano stabili e costanti per un tempo lunghissimo, per subire poi cambiamenti repentini.

Abbiamo dunque una prova che l’evoluzione a mosaico era abbastanza diffusa nella storia dello sviluppo di molte specie? Melanie J. Hopkins, ricercatore Post-Doc al Museum für Naturkunde e Scott Lidgard, curatore del Field Museum of Natural History hanno individuato una serie di sfide per lo svolgimento delle loro ricerche. Ad oggi è impossibile conoscere tutti i cambiamenti subiti da una specie durante tutta la sua life history. Vincoli di tempo e di calcolo rendono molto difficile vagliare l’ipotesi che uno o più caratteri possano essere una rappresentazione adeguata del cambiamento nella specie. Non si tratta solo di catalogare i dati in una forma che possa essere costantemente analizzata, ma che si deve soprattutto decidere se il dominio di dati o i metodi usati possono essere generalizzabili.

Melanie J. Hopkins conferma che, allo stato attuale delle ricerche, troppo spesso le variazioni che interessano le parti o i caratteri degli individui sono stati studiati come eventi singoli, e non come elementi di una trama concettuale più ampia. Per questo motivo spesso la comprensione del loro ruolo nei meccanismi evolutivi è stata inficiata dalla mancanza di un metodo univoco e condiviso. Il team di Melanie J. Hopkins ha in parte ovviato a queste carenze metodologico-concettuali. L’analisi comparativa e differenziale dei risultati sulla documentazione fossile è stata infatti condotta seguendo il metodo, sviluppato nel 2006 e nel 2007 da Gene Hunt allo Smithsonian, un modello di selezione tecnica molto potente, in grado di comparare numerosi studi in modo coerente e rigoroso. Cosa si è ottenuto? Nella maggioranza dei lignaggi le probabilità di conflitto aumentano con il numero dei caratteri analizzati. “Alcuni tratti mostrano cambi di direzione – per esempio, un aumento della dimensione dei denti nel corso del tempo – mentre altri tratti si modificano in modo casuale, mostrando pochi cambiamenti o una completa stasi”, spiega Melanie J. Hopkins.

“Tuttavia, i tratti non sempre mostrano gli stessi modelli del cambiamento: spessi si hanno cambiamenti non coordinati anche all’interno della stessa linea. Pertanto, più la misura concerne tratti da un unico ceppo più è probabile l’osservazione di un conflitto nei modelli di cambiamento. Un altro importante risultato è questo: i singoli caratteri possono mostrare variazioni nella modalità evolutiva, anche in situazioni in cui l’evoluzione morfologica complessiva di un singolo lignaggio sembra dominata in un senso dato”. Quest’ultimo dato non deve stupire: accade spesso che una specie possa avere la stessa forma e le stesse dimensioni nel corso del tempo, mentre in un’altra la frequenza di evoluzione dismorfica tra le parti dei singoli organismi è molto alta. Lo studio dimostra che i modelli morfologici a mosaico sono abbastanza diffusi tra le specie. E soprattutto che sono onnicomprensivi. Il campione di reperti fossili analizzati copre, infatti, un arco temporale di cinquecento anni e comprende varie specie, tra cui mammiferi, pesci, molluschi unicellulari, plancton marino, etc..La raccolta di ulteriori dati e il loro studio costituisce solo una tra le prossime sfide.

Riferimenti bibliografici: Evolutionary mode routinely varies among morphological traits within fossil species lineages, in “Proceedings of the National Academy of Sciences”, 26, 2012, doi:10.1073/pnas.1209901109. PAGE PAGE 3

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