Quando Charles Darwin codificò per la prima volta la teoria dell’evoluzione per mezzo della selezione naturale, la considerò un processo graduale. “Non vediamo nulla di questi lenti cambiamenti in corso, finché la lancetta del tempo non ha segnato il lungo scorrere delle età”, scrisse nella sua opera fondamentale, “Sull’origine delle specie”.
Ma Darwin non aveva il quadro completo. “L’evoluzione non prende necessariamente tutti questi piccoli cambiamenti come proposto da Darwin”, ha affermato Scott Hodges, professore presso il Dipartimento di Ecologia, Evoluzione e Biologia Marina della UC Santa Barbara.
Hodges, il dottorando Zachary Cabin ei loro colleghi hanno appena identificato un caso di improvviso cambiamento evolutivo. Sulla rivista Current Biology, gli scienziati descrivono una popolazione di aquilegie che hanno perso i petali, compresi i caratteristici speroni nettare. Un cambiamento drastico causato da una mutazione in un singolo gene. La scoperta aggiunge peso all’idea che l’adattamento può avvenire in grandi salti, piuttosto che semplicemente arrancare su lunghi periodi di tempo.
Da quando è stata avanzata la teoria dell’evoluzione, i biologi hanno discusso se essa avvenga sempre a piccoli passi graduali su lunghi periodi di tempo o talvolta come un equilibrio scandito da bruschi cambiamenti. Spesso, grandi cambiamenti morfologici compaiono entro brevi scale temporali geologiche in cui le forme intermedie potrebbero non essersi fossilizzate.
Rimane quindi la domanda se molti piccoli cambiamenti si siano verificati in un breve periodo di tempo, o forse se la singola mutazione su larga scala possa essere responsabile. Quindi, i ricercatori devono davvero cogliere lo sviluppo in azione se sperano di costruire un caso in cui i cambiamenti improvvisi possono guidare l’evoluzione.
Nell’aquilegia blu del Colorado, in una popolazione, una mutazione ha causato la perdita dei petali di molte piante con gli iconici speroni del nettare. Sebbene non sia un evento raro nelle aquilegie, l’assenza di speroni sembra essersi bloccata in quest’area: circa un quarto delle piante manca della caratteristica distintiva.
Evoluzione di un solo gene
Il team ha analizzato il genoma della pianta per trovare la fonte della morfologia insolita. Hanno considerato un gene, APETALA3-3, noto per influenzare lo sviluppo dello sperone. Hanno scoperto che questo singolo gene controllava l’intero sviluppo degli speroni e dei nettari del fiore.
“Il gene è attivato o disattivato, quindi si tratta di un cambiamento il più semplice possibile”, ha affermato l’autore principale Zachary Cabin. “Ma quella semplice differenza provoca un cambiamento radicale nella morfologia”.
Un singolo gene rotto fa sì che le piante mutanti sviluppino fiori senza petali o speroni di nettare. Se questi fiori fossero conservati nella documentazione sui fossili, lo scienziato potrebbe ordinarli in due generi completamente diversi. E ci sarebbe anche un divario sconcertante: nessuna forma intermedia che documenti un passaggio da una morfologia all’altra.
“Questa scoperta mostra che l’evoluzione può verificarsi in un grande salto se è coinvolto il giusto tipo di gene”, ha detto Hodges. APETALA3-3 dice all’organo in via di sviluppo di diventare un petalo. “Quando si rompe, quelle istruzioni non ci sono più e questo fa sì che si sviluppi in un organo completamente diverso, un sepalo”, ha spiegato.
APETALA3-3 è un tipo di gene omeotico, uno che specifica lo sviluppo di un intero organo. Una mutazione in uno di questi geni può avere un effetto drastico sulla morfologia di un organismo. Ad esempio, una mutazione omeotica fa sì che una mosca sviluppi le gambe dove dovrebbe avere le antenne. “La maggior parte delle mutazioni di questa natura saranno così, semplicemente orribili”, ha continuato Hodges. “L’animale non avrà alcuna possibilità di sopravvivere. Il biologo Richard Goldschmidt li ha definiti mostri senza speranza“.
Ma una volta ogni tanto, uno di questi cambiamenti radicali potrebbe fornire un tratto benefico in un particolare ambiente, creando un “mostro pieno di speranza”. E un mostro pieno di speranza mostrerebbe che l’evoluzione può procedere in singoli, grandi salti, supportando l’ipotesi dell’equilibrio punteggiato.
“Non abbiamo avuto un buon esempio di mostro pieno di speranza a causa di un singolo cambiamento genetico”, ha detto Hodges, “fino ad ora”. I ricercatori devono cogliere questi bruschi cambiamenti mentre accadono, altrimenti scompaiono nel genoma di un organismo.
Ad esempio, altri parenti di aquilegie hanno perso i loro petali e nettari in passato, ma ora è impossibile dire se questi eventi si siano verificati in un colpo solo. Il fatto che stia accadendo attivamente nell’aquilegia blu del Colorado ha permesso alla squadra di confermare il proprio status di mostro pieno di speranza.
“C’è sicuramente un po’ di fortuna nel fatto che siamo in giro al momento giusto per catturare questo”, ha detto Cabin.
Selezione sorprendente
Cogliere il cambiamento in azione offre anche un altro vantaggio: l’opportunità di studiare la genetica e le pressioni selettive sul lavoro.
Il team ha scoperto cinque versioni, o alleli, di APETALA3-3, solo una delle quali codifica per un petalo con uno sperone nettare funzionale. Gli altri quattro erano rotti, come ha detto Hodges. Hanno anche determinato che l’assenza di speroni è un tratto recessivo. Il fiore si svilupperà normalmente fintanto che la pianta ha una copia dell’allele funzionale. Ma due qualsiasi degli alleli mutanti insieme lo impediranno. “Puoi mescolarli e abbinarli”, ha spiegato Cabin.
Circa un quarto delle aquilegie blu del Colorado in quest’area mostra il tratto recessivo della sfacciataggine, più di quanto possa essere attribuito al semplice caso.
In tutte le specie di aquilegia è possibile trovare individui rari che sviluppano fiori senza speroni di nettare. Ma poiché a un quarto della popolazione del Colorado mancava la funzione, Cabin e Hodges sapevano che si trattava di un evento più che casuale. “Ottenere che molti di questo tipo di mutanti suggeriscono davvero che c’è una selezione che lo favorisce in qualche modo”, ha detto Hodges, cosa che trova strano, dal momento che lo sperone produce nettare che attira gli impollinatori della pianta.
Hodges ha una profonda familiarità con le aquilegie e tutte le sue ricerche precedenti suggeriscono che gli speroni di nettare sono importanti per il gruppo. Anche lievi modifiche alla struttura hanno determinato la speciazione e la diversificazione del genere. “Allora, come diavolo puoi perdere i tuoi speroni ed essere comunque favorito?” chiese.
L’attrazione degli impollinatori è solo un fattore che contribuisce al successo riproduttivo. Si è scoperto che le piante mutanti hanno effettivamente prodotto più semi delle loro controparti, con grande sorpresa del team. Cominciarono a spulciare le loro osservazioni, alla ricerca di una spiegazione.
“La prima volta che ci siamo davvero resi conto che lo schema era all’aeroporto sulla strada di casa”, ha ricordato Cabin. Stava leggendo i dati mentre Hodges li immetteva nel computer. “Scott ha potuto vedere lo sviluppo del modello, perché aveva tutti i dati davanti a sé ed era sempre più eccitato”.
Il team aveva registrato erbivori di bruchi, afidi e cervi sui diversi morph. I danni causati da bruchi e afidi possono ostacolare la produzione di semi, ha spiegato Cabin, mentre i cervi possono devastare un’intera pianta. E man mano che i dati crescevano, è emersa una chiara tendenza: cervi e afidi preferivano i fiori con speroni di nettare.
I cambiamenti nella morfologia floreale sono solitamente guidati dagli impollinatori, ma l’assenza di speroni sembra essere guidata dagli erbivori. “La selezione naturale può provenire da fonti molto sorprendenti”, ha detto Hodges. “Non è sempre quello che ti aspetteresti che fosse.”
Ora che hanno identificato il loro mostro pieno di speranza, Cabin e Hodges hanno in programma di indagare sul DNA attorno ad APETALA3-3 per costruire una linea temporale di quando potrebbero essersi verificate le mutazioni. Quando il gene è mutato per la prima volta, solo uno dei cromosomi della pianta è stato colpito. Ciò significa che ogni discendente con quella mutazione avrebbe lo stesso codice genetico attorno ad APETALA3-3 per molte generazioni, ha spiegato Hodges.
Tuttavia, i cromosomi si scambiano occasionalmente gli alleli in un processo chiamato ricombinazione. Tracciando la quantità di ricombinazione che si è accumulata attorno alle diverse versioni di APETALA3-3, gli scienziati possono stimare quanto tempo fa si è verificata ciascuna mutazione. Più variazioni richiedono più tempo per accumularsi. E più questa variazione è vicina alla stessa APETALA3-3, più eventi di ricombinazione si sono verificati da quando è apparsa per la prima volta una mutazione.
I ricercatori vogliono anche monitorare come si sta diffondendo l’imprudenza nella popolazione. I diversi morph si incrociano, ma l’evidenza genetica suggerisce che c’è meno accoppiamento tra i due gruppi. L’aquilegia blu del Colorado potrebbe divergere in specie separate, soprattutto perché i due tipi sembrano fare affidamento su impollinatori diversi. “Quel processo di scissione sarebbe lento”, ha detto Cabin, “ma ci sono prove che potrebbe essere in arrivo”.
