Perché una classe di animali nel corso della sua evoluzione ha optato per abbandonare la deposizione delle uova passando la parto di animali vivi?
Siamo abbastanza sicuri che i pesci corazzati che abitavano gli oceani mezzo miliardo di anni fa e che sono ancestrali a tutti i vertebrati terrestri deponevano uova, quindi, almeno inizialmente, l’evoluzione scelse la deposizione di uova come metodo riproduttivo, ma il seguito della storia è tutt’altro che semplice.
Nel corso dei milioni di anni di evoluzione, la natura ha escogitato solo due modi per far venire al mondo un nuovo animale. O sua madre lo depone in un uovo, dove può continuare a crescere prima della schiusa, oppure rimane all’interno di sua madre fino a emergere come un neonato quasi pienamente formato.
C’è qualche ragione primordiale per questa rigida dicotomia riproduttiva tra la deposizione delle uova (oviparità) e la nascita diretta di un individuo vivo (viviparità)? Quando e perché si è evoluta la placenta che consente ad una madre di mantenere il feto al suo interno fino a quando non si sia sufficientemente formato? Queste sono solo alcune delle domande che una nuova ricerca – compresi gli studi su una lucertola straordinaria che presenta alcune popolazioni vivipare, e altre popolazioni ovipare con una lunga ritenzione di ovociti, una caratteristica rara in cui la maggior parte dello sviluppo embrionale si verifica all’interno della madre prima dell’oviposizione tardiva- esplora, sottolineando nel contempo l’enorme complessità e variabilità della riproduzione sessuale.
Una scelta strategica
Le prime femmine deponevano le uova, nel senso che rilasciavano i loro ovuli nell’ambiente, spesso migliaia alla volta. Lo sperma rilasciato dai maschi nello stesso ambiente poi fecondava alcune di queste uova in maniera casuale, e gli embrioni risultanti dovevano sopravvivere nel loro guscio fino alla loro schiusa, abbandonate a sé stesse. Molte creature, in particolare quelle piccole e semplici, si riproducono ancora in questo modo.
Ma man mano che gli animali diventavano più complessi, le specie di vertebrati – tra cui molti anfibi, rettili e persino alcuni pesci, come gli squali – adottarono una strategia meno rischiosa: la fecondazione interna. Le femmine hanno potuto quindi garantire che una percentuale più elevata delle loro uova sarebbe stata fecondata e potevano essere più selettive nella scelta dei maschi da cui farle fecondare. In questo modo l’embrione vive la prime fasi del suo sviluppo al sicuro, all’interno di sua madre fino a quando questa alla fine non lo rilascerà in un guscio protettivo.
La nascita dei cuccioli vivi si è evoluta in seguito – e più di una volta. Solo nei rettili, è accaduto almeno 121 volte. E anche se gli scienziati non sanno esattamente quando il primo animale vivo è nato da sua madre, sanno quali forze potrebbero aver guidato la transizione dalla deposizione delle uova e quali passi evolutivi potrebbero averlo preceduto.
Entrambi i metodi di nascita svolgono sostanzialmente lo stesso lavoro, ovviamente, ma presentano vantaggi e difficoltà contrastanti. Fondamentalmente, le madri che depongono uova possono essere fisicamente libere dalla prole prima. Gli uccelli, ad esempio, non hanno mai evoluto la nascita vivipara, forse perché il costo energetico del volo durante la gravidanza non è sostenibile. Gli animali ovipari possono generalmente avere più figli in una singola cucciolata, poiché le dimensioni del corpo della madre non sono un vincolo. Questo vantaggio può parzialmente compensare i rischi di lasciare le uova esposte alla predazione e agli elementi.
Le madri in gravidanza, d’altra parte, ospitano dentro sé gli embrioni e possono proteggerli dai predatori e dai pericoli ambientali più a lungo. Ma lo fanno a loro rischio e pericolo: essere incinta li espone a ulteriori predazioni e le espone ad un rischio considerevole causato dall’embrione stesso. “L’embrione è parzialmente estraneo e i suoi tessuti si riproducono all’interno della madre“, spiega Chris Organ, biologo della Montana State University. Per la durata della sua gestazione, la madre si tiene in equilibrio su una corda tesa, deviando buona parte delle risorse che le sono necessarie per mantenersi in buona salute verso un organismo “estraneo”.
La principale differenza tra oviparità e viviparità si concentra quindi su una decisione evolutiva strategica su quando la madre depositerà i suoi embrioni. Se li deposita in anticipo, li rilascia protetti dal guscio di un uovo uovo e se li deposita in ritardo, questi saranno già in buona parte formati al momento del parto. La maggior parte dei rettili, ad esempio, depositano i loro embrioni quando sono solo ad un terzo del loro sviluppo.
Tra ovipari e mammiferi, i marsupiali hanno trovato una soluzione diversa che gli permette di bilanciare i rischi: le madri danno alla luce praticamente dei feti completamente immaturi, ma poi continuano il loro sviluppo all’interno del marsupio, una sacca comoda, calda e confortevole provvista di mammelle da cui trarre nutrimento. In questo modo, la madre può fornire i vantaggi protettivi di portare i suoi piccoli a lungo termine senza dover accogliere un neonato a grandezza naturale all’interno del suo corpo.
La giusta temperatura
Gli scienziati stanno ancora imparando a conoscere i vincoli e i requisiti di sviluppo di queste strategie di nascita. Consideriamo, ad esempio, lo spessore di un guscio d’uovo. Poiché l’ossigeno deve passare attraverso il flusso sanguigno di una madre e nell’uovo, un guscio sottile è vantaggioso prima di essere deposto. Nel mondo esterno, tuttavia, un guscio più spesso è utile per proteggere dai predatori. Un uovo deposto troppo presto, quindi, potrebbe essere troppo sottile per sopravvivere, e uno depositato troppo tardi potrebbe essere troppo spesso per soddisfare le crescenti richieste di ossigeno dell’embrione in crescita esponenziale. È un equilibrio finemente sintonizzato.
In un articolo pubblicato su Nature nel 2009, Organ e i suoi colleghi hanno dimostrato che ogni specie deve sviluppare la capacità di determinare geneticamente il sesso della sua progenie. Il sesso di molte creature è circostanziale: fattori ambientali, in particolare la temperatura, possono determinare se l’embrione si sviluppa come maschio o femmina. Il team di Organ ha mostrato una forte associazione statistica tra l’uso dei geni per determinare il sesso e il parto dei mammiferi. “È qualcosa che i biologi conoscevano in modo osservazionale, ma non era mai stato rigorosamente testato“, ha detto Organ.
Le tartarughe marine, ad esempio, “riescono a malapena a muoversi sul terreno solido, ma continuano ostinatamente a deporre le uova in spiaggia“. questo succede perché se deponessero le loro uova in acqua avrebbero meno probabilità di ottenere una varietà di maschi e femmine perché il gradiente di temperatura è molto più piccolo di quanto non sia sulla terra.
Ma una volta che una specie marina ha sviluppato la capacità di determinare il sesso attraverso i geni, non ha più bisogno di avventurarsi sulla terra e può adattarsi completamente alla sua vita acquatica. Come Organ e i suoi coautori hanno scritto nel loro articolo: “Liberati dalla necessità di muoversi e nidificare sulla terra, in ogni gruppo si sono evoluti adattamenti fisici estremi a uno stile di vita pelagico, come code fluide, pinne dorsali e arti a forma di ala di ittiosauri [un gruppo di rettili marini preistorici]”.
Al tempo di quella pubblicazione, gli scienziati pensavano che la nascita viva potesse essersi evoluta tra gli antenati rettili degli ittiosauri solo dopo che si erano trasferiti dalla terra al mare. Ma la scoperta di un fossile di 248 milioni di anni ha cambiato questo. In un articolo pubblicato su PLOS ONE nel 2014, i ricercatori descrivono il fossile di un ittiosauro morto durante il parto. Sorprendentemente, il fossile ha catturato il momento preciso in cui il neonato emergeva a capofitto dal bacino della madre. Quella posizione sta dicendo: la maggior parte dei rettili marini vivipari nascono vivi in modo che di poter continuare a prelevare ossigeno dalla madre durante il travaglio. La posizione di nascita indica che l’ittiosauro aveva ereditato la tecnica del parto da un antenato terrestre ancora più antico. I rettili terrestri potrebbero quindi aver dato alla luce cuccioli vivi da almeno 250 milioni di anni, anche se il fossile più antico che documenta la nascita per parto su terra asciutta non risale a molto tempo fa.
Uova, cuccioli o entrambi
La nascita per parto o la deposizione di uova potrebbe sembrare una scelta definitiva per una specie, ma sorprendentemente, non è sempre così. Whittington e il suo team studiano lo skink australiano a tre dita (Saiphos equalis ), una lucertola con la straordinaria di deporre uova o dare alla luce cuccioli già formati indifferentemente. È noto che un paio di altre specie di lucertola fanno entrambe le cose, di solito in contesti diversi, ma nel laboratorio di Whittington, i ricercatori hanno osservato che uno skink a tre dita produce una lettiera composta da tre uova e un cucciolo vivo. “Siamo rimasti assolutamente sbalorditi“, ha commentato Whittington.
Recentemente in Molecular Ecology, Whittington e il suo team descrivono le differenze nell’espressione genica – quali geni sono attivati o disattivati - tra una madre lucertola che depone le uova e una che dà alla luce piccoli. All’interno di una singola specie, ci sono migliaia di tali differenze tra una femmina con un uovo e una senza. Questo perché quando è il momento per l’utero di ospitare un uovo si accendono alcuni geni. Lo stesso vale per un utero che protegge un embrione. Fondamentalmente, i geni specifici che si attivano in questi casi sono molto diversi.
Negli skink a tre dita, molti dei geni che si attivano quando una madre produce un uovo si accendono anche nelle madri con embrioni. La scoperta implica che questa lucertola si trova in uno stato di transizione tra deposizione delle uova ed il parto.
In che modo si sta evolvendo la lucertola è impossibile da dire e può ancora essere indeterminato. “L’evoluzione è un processo casuale piuttosto che essere diretto“, ha detto Whittington. “Con i cambiamenti ambientali, potrebbe cambiare la direzione della selezione e spingerla indietro“.
L’idea che lo skink potrebbe tornare esclusivamente alla deposizione delle uova è uno sviluppo relativamente nuovo nel campo. “Venti anni fa pensavamo che fosse difficile o impossibile far evolvere la deposizione delle uova“, ha detto Whittington. Ma moltev recenti ricerche hanno dimostrato che potrebbe essere un fenomeno abbastanza comune. Recenti analisi delle relazioni genetiche tra le specie hanno rivelato che alcuni ovipari sono vicini di ramo nell’albero evolutivo di alcuni mammiferi.
I cavallucci marini sono gli unici animali conosciuti in cui i maschi rimangono incinti: una femmina trasferisce il suo uovo nella sacca del suo compagno per la fecondazione e lo sviluppo. Il lavoro di Whittington con i cavallucci marini ha rivelato che i maschi attivano gli stessi geni che attivano le femmine di molte specie di mammiferi. “Stiamo parlando di sessi diversi. Stiamo parlando di tessuti completamente diversi. Stiamo parlando del fatto che questo tratto si è evoluto in specie completamente diverse e distanti milioni di anni“, ha detto. “Studiare questi animali è come osservare le repliche degli esperimenti fatti dall’evoluzione nel corso di milioni di anni“.
