Quando l’evoluzione è prevedibile?

CANADA – Come mai esistono così tante specie sulla Terra? Lo studio dei processi evolutivi può darci più di una risposta. Un recente studio, pubblicato il 19 febbraio sulla rivista PLoS Biology, dimostra che la diversificazione dei caratteri fenotipici in funzione dell’adattamento all’ambiente è un fenomeno prevedibile.

La conclusione è stata raggiunta studiando mutazioni genetiche affini o, addirittura identiche, in popolazioni separate di Escherichia Coli. In dettaglio, studiando la metabolizzazione del glucosio o dell’acetato in popolazioni di batteri in coltura si è scoperto che, dopo circa mille generazioni, gli organismi mostrano le stesse mutazioni genetiche.

Matthew Herron, ricercatore dell’Università del Montana e Michael Doebeli dell’Università della Università della British Columbia, sostengono che l’evoluzione in questi casi può essere sorprendentemente prevedibile.

Cellule specializzate. L’esperimento ha coinvolto tre diverse popolazioni di Escherichia coli. Inizialmente nessuna delle tre aveva una particolare specializzazione metabolica; messe l’una accanto all’altra in un terreno di coltura a competere per due diverse fonti energetiche – il glucosio e l’acetato – solitamente preferiscono metabolizzare il glucosio, per passare all’acetato solo quando hanno esaurito il precedente.

I batteri si sono divisi in due popolazioni separate solo dopo 1200 generazioni, ciascuna delle quali è specializzata a nutrirsi solo di glucosio o solo di acetato. Come si è arrivati a questa specializzazione? Si tratta della conseguenza diretta di un’abitudine alimentare: infatti, il passaggio da una fonte energetica all’altra avviene in modo lento per alcune cellule, denominate slow switcher o SS, mentre per altre, le fast switcher o FS, avviene molto più rapidamente.

Il processo di specializzazione, in sé molto lungo, ha permesso di sequenziare per sedici volte i genomi delle popolazioni batteriche e di scoprire somiglianze sorprendenti nella loro evoluzione. “In tutte e tre le popolazioni, a determinare i due fenotipi osservati sembrava più o meno lo stesso insieme di geni”, spiega Herron. “E in alcuni casi si tratta proprio della mutazione dello stesso gene o addirittura dello stesso nucleotide”.

“Nel genoma di Escherichia coli ci sono circa 4,5 miliardi di nucleotidi”, aggiunge il ricercatore. “Aver trovato in quattro casi che si è verificata la stessa trasformazione in differenti popolazioni e in modo indipendente è un fatto di sicuro interesse”.

Specializzazione significa determinismo? La prevedibilità di un fenomeno come questo ci indica forse che la selezione è un fenomeno deterministico? L’ipotesi più probabile è che a determinare la diversificazione sia una particolare forma di selezione naturale, denominata selezione dipendente dalla frequenza.

Secondo questa teoria è l’abbondanza relativa dei diversi fenotipi alternativi presenti nella popolazione interessata a “determinare” il grado di adattamento all’ambiente di un certo fenotipo. Se il fenotipo rappresenta uno svantaggio si parla di selezione negativa; viceversa se è un vantaggio la selezione è detta positiva. Nel caso dell’Escherichia coli si tratterebbe di una selezione del primo tipo. Se esiste una maggiore densità di batteri che si nutrono di glucosio, specializzarsi sull’altro tipo di fonte energetica può quindi conferire un vantaggio, in quanto le disponibilità di glucosio saranno sempre minori nel tempo.

Resta da chiarire che cosa effettivamente dia il via alle mutazioni che sono alla base della formazione della fisiologia alternativa. L’analisi delle frequenze alleliche durante l’evoluzione delle due popolazioni porta a ipotizzare che la dinamica evolutiva sia trainata almeno in parte da un processo co-evolutivo, in cui le mutazioni che determinano un certo tipo di fisiologia cambiano l’ambiente ecologico.

Confermate dalle dinamiche evolutive che emergono dai modelli matematici di diversificazione adattativa, le mutazioni genetiche osservate nello studio sono una prova empirica di come la diversificazione adattativa sia un processo evolutivo e prevedibile. Come dire, il determinismo va a braccetto con l’analisi delle frequenze alleliche.