Un team di ricercatori dell’Università della California, a Santa Barbara, studiando i chitoni, un tipo di mollusco marino, e in particolare il loro sistema visivo, nel dettaglio le macchie oculari e gli occhi a conchiglia, si sono evoluti ciascuno due volte in modo indipendente.
I chitoni e il loro ruolo nello studio dell’evoluzione
L’evoluzione indipendente del particolare sistema visivo dei chitoni, ha posto diversi interrogativi, poiché 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 dei chitoni.
Questo 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 in cui siamo stati effettivamente in grado di osservare un’evoluzione dipendente dal percorso“, ha affermato Rebecca Varney, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Todd Oakley presso l‘UCSB e autrice principale del nuovo studio.
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 il Leibniz Institute for Evolution and Biodiversity Science e non ha partecipato alla ricerca: “Quello 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 ecologista visivo dell’Università di Lund in Svezia, anch’esso non coinvolto nella ricerca.
I chitoni: una struttura corporea rimasta stabile per circa 300 milioni di anni
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 estremamente sinestetico che consente loro di percepire la luce e i segnali chimici e meccanici nell’ambiente.
Alcuni esemplari 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.
I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata cattura dell’esoma per sequenziare sezioni strategiche di DNA da vecchi campioni nella collezione di Doug Eernisse, uno specialista di chitoni 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.
Successivamente 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 Chiton, ad esempio, le macchie oculari si sono evolute in soli 7 milioni di anni: un battito di ciglia nel tempo evolutivo.
I risultati hanno sorpreso i ricercatori: “Pensavo che si trattasse di un’evoluzione graduale della complessità, passando dagli esteti a un sistema a forma di 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 della ricerca.
Perché alcuni lignaggi hanno sviluppato gli occhi a conchiglia anziché le macchie oculari? Varney e Oakley hanno sviluppato l’ipotesi che il numero di fessure nel guscio dei chitoni potesse essere la chiave per l’evoluzione della loro visione.
Tutte le strutture fotosensibili sul guscio del chitone 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 fessure 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 risalire, non avevano alcun significato“, ha detto Varney,: “Così sono andata a guardarlo e ho iniziato a capite questo schema“.
Varney ha osservato 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 è resa conto che, in base al numero di fessure bloccate, quale tipo di occhio poteva evolversi: i chitoni con migliaia di ocelli ha bisogno di più fessure, mentre gli esemplari 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 della specie.
I risultati sullo studio dei chitoni portano a nuovi interrogativi
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. 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.
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 avere più 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”.
