La notte scritta nei geni

L’università di Stanford ha ricostruito gli adattamenti ecologici dei primi mammiferi grazie alle tracce di selezione positiva sui geni; i risultati confermano lo stile di vita notturno ipotizzato dallo studio dei fossili e sono un’importante evidenza dell’azione della selezione naturale nel processo evolutivo degli esseri viventi

I mammiferi sono un gruppo di vertebrati monofiletico, originatosi a partire da un antenato comune circa 220 milioni di anni fa, nel periodo Triassico. La prima parte del loro periodo evolutivo è avvenuta durante il Mesozoico, quando gli ambienti erano dominati dai dinosauri. Si trattava di animali di piccole dimensioni dall’aspetto fisico che ricordava quello degli attuali micromammiferi. Dai caratteri morfologici dei fossili si è ipotizzato che questi mammiferi adottassero uno stile di vita notturno: possedevano grandi orbite, un muso allungato e un apparato uditivo efficiente. Le grandi orbite ospitavano occhi adattati ad ambienti con poca luce, un muso allungato solitamente è correlato alla presenza di strutture specializzate quali i turbinati, strutture scheletriche rivestite di mucosa che ampliano la superficie di contatto con l’aria; in questo modo l’aria viene maggiormente riscaldata, umidificata, depurata e le molecole degli odori stimolano più intensamente le cellule olfattive.

Dal punto di vista evoluzionistico, l’adattamento alla vita notturna dei nostri antenati viene spiegato come risposta alla pressione predatoria esercitata dai rettili e/o alla competizione ecologica con gli stessi. L’endotermia permise di occupare nicchie notturne, mentre i rettili ectotermi avevano occupato praticamente tutte le nicchie ecologiche diurne. La maggior parte degli attuali mammiferi, siano essi placentati, marsupiali o monotremi, sono tuttora adattati ad uno stile di vita notturno, mentre altri taxa, come ad esempio buona parte dei primati, si sono adattati secondariamente ad uno stile di vita diurno.

La comparsa della notturnalità tra i mammiferi è ritenuta quindi molto antica. Analisi filogenetiche collocano la sua comparsa proprio coi primi mammiferi differenziatisi dai terapsidi sinapsidi; non tutti gli scienziati condividono quest’ipotesi e ne stimano la comparsa circa 300 milioni di anni fa nel Tardo Carbonifero, prima della loro separazione dai rettili.

Negli animali che si sono evolutivamente adattati ad ambienti con luce scarsa, l’occhio è uno degli organi che ha subito enormi cambiamenti: nella retina si trovano le cellule specializzate (coni e bastoncelli) che convertono la luce incidente in segnali elettrici da inviare al cervello che li interpreterà come immagini. Tale processo è detto fototrasduzione. In esso lavorano fotopigmenti specifici, come le opsine, deputate alla cattura dei fotoni di luce; si tratta di proteine la cui espressione è regolata da geni specifici, entrambi diversi a seconda del tipo di visione: diurna (fotopica) o notturna (scotopica).

Ricercatori dell’Università di Stanford hanno formulato l’ipotesi che i geni e le proteine coinvolti nella visione notturna siano stati soggetti a selezione positiva nel corso dell’evoluzione dei mammiferi. Per scoprire dove e quando siano avvenute le importanti variazioni poi mantenute sono state analizzate le sequenze codificanti di 34 geni implicati nella visione e nella fototrasduzione dei coni e bastoncelli. L’analisi ha interessato 27 specie rappresentative dei maggiori taxa amnioti: rettili, uccelli, mammiferi.

I geni coinvolti nella fototrasduzione, nella sensibilità visiva e nella capacità di captare i movimenti con poca luce sono risultati soggetti a forte selezione positiva. Non solo: anche alcuni geni che codificano per le opsine sono risultati sotto selezione positiva nei primi mammiferi. Sono state quindi ricostruite le sequenze ancestrali dei geni mutati, la sequenza aminoacidica della proteine codificate, e di una proteina è stata ricostruita anche la sua struttura tridimensionale. Si è così potuto osservare che le mutazioni avvenute in questa importante proteina, una opsina capace di assorbire i fotoni, ne hanno shiftato lo spettro di assorbimento su lunghezze d’onda inferiori alle precedenti. Tale abbassamento potrebbe aver agevolato la visione crepuscolare dei primi mammiferi; in essi la forte selezione positiva per la visione notturna avrebbe favorito il passaggio ad un comportamento notturno.

Per determinare se il carattere notturno dei mammiferi sia derivato o fosse già posseduto dall’antenato comune di rettili e mammiferi, è stato analizzato il ramo ancestrale degli amnioti. In esso sono stati i geni per la visione con luce intensa ad essere soggetti a forte selezione positiva, indicando uno stile di vita diurno.

Anche l’analisi condotta tra i principali taxa di rettili e uccelli, ha evidenziato come nei gruppi basali sia stata dominante una forte selezione positiva per geni deputati alla visione con luce intensa. Dei geni attivi con scarsità di luce nei mammiferi, due non sono stati rinvenuti in alcun rettile, nemmeno negli uccelli, ma risultano presenti nel progenitore amniote. Ciò suggerisce che siano stati persi nei primi rettili forse per una predominante diurnalità. Il risultato conferma l’ipotesi di adattamento ad una vita diurna nei rettili ancestrali, a cui si aggiunge nel corso dell’evoluzione una forte selezione positiva per la visione notturna nelle linee che portano alle attuali tartarughe, ai coccodrilli, agli uccelli, molti dei quali sono adattati a condizioni di poca luce.

Lo studio, pubblicato su Scientific Report, ha anche evidenziato come sia possibile in filogenesi sfruttare la variabilità dei geni fototrasduttori per predire e ricostruire come varia l’attività diurna di taxa viventi ed estinti. Permette altresì di ricostruire i caratteri ancestrali di taxa oggi estinti. Il metodo presenta alcune limitazioni, in quanto può essere applicato solo a taxa con sequenze geniche note; non si conoscono gli effetti dei taxa estinti assenti dall’analisi e quanto influisca la dimensione del campione. Ulteriori studi futuri permetteranno dunque di rendere ancora più efficace la ricerca molecolare applicata alla filogenesi ecologica.


Riferimenti:
Wu, Y. et al. Invasion of Ancestral Mammals into Dim-light Environments Inferred from Adaptive Evolution of the Phototransduction Genes. Sci. Rep. 7, 46542; doi: 10.1038/srep46542 (2017).

Immagine: Wikimedia Commons