Uccelli non volatori: simili fuori e dentro?

L’analisi del genoma di più di una dozzina di uccelli atteri ha evidenziato come, a dispetto delle differenze nelle regioni codificanti dei loro genomi, essi mostrino la tendenza a sviluppare gli stessi meccanismi regolatori nell’evoluzione della perdita del volo. Il processo sarebbe legato al ridimensionamento del corpo e in particolare ai cambiamenti morfologici legati agli arti


Fin dall’epoca di Darwin, gli scienziati hanno avanzato ipotesi riguardo alle relazioni esistenti tra le varie specie di uccelli paleognati, come emu, struzzi, kiwi e casuari. Si tratta di uccelli che presentano caratteristiche fenotipiche simili, come la ridotta dimensione degli arti anteriori (le ali) e la mancanza di un “aggancio” allo sterno per i muscoli coinvolti nel volo. Per decenni la teoria più accreditata ha considerato queste specie come discendenti di un unico antenato comune che avrebbe abbandonato i cieli per una vita maggiormente legata al suolo. Ciò fino all’inizio degli anni Duemila, quando grazie a nuove ricerche che hanno visto l’applicazione dell’analisi genetica si è giunti alla conclusione che l’abilità al volo si sia perduta varie volte nel corso della storia evolutiva.

Non era però chiaro se la convergenza fenotipica fosse stata guidata da convergenza nei cambiamenti a livello molecolare – vale a dire nelle proteine – o all’interno delle zone che regolano l’espressione genica. Un team di ricercatori dell’Università di Harvard ha trovato parte della risposta a questa domanda ed ha pubblicato su Science uno studio in proposito.

Gli scienziati hanno analizzato i genomi di diversi paleognati, incluso un moa estinto, scoprendo che il maggiore impulso verso la perdita del volo – in maniera indipendente per ciascuna specie – sarebbe derivato dall’evoluzione convergente delle regioni regolatrici dei geni molto più che dai geni stessi. Per identificare tali regioni hanno confrontato i genomi di tre dozzine di specie di uccelli – sia abili al volo sia atteri – e ne hanno individuato le porzioni che mostrano relativamente poche differenze nella sequenza: si tratta delle parti del genoma che si sono conservate ma che non codificano per nessuna proteina e che verosimilmente possiedono “solo” una funzione regolatrice.

Mentre i geni codificanti sembrano essere responsabili degli adattamenti legati alla dieta e all’ambiente ed alla funzione delle piume, le regioni regolatrici svolgerebbero un ruolo chiave nel ridimensionamento del corpo che accompagna la perdita del volo. Un particolare elemento di interesse riguarda i cambiamenti morfologici degli arti anteriori e posteriori: questi ultimi devono essere conservati, mentre i primi devono essere ridotti. Esistono svariati modi per bloccare la formazione di un arto, ma un processo che permetta di ridurre gli anteriori senza modificare i posteriori è decisamente più complesso: insomma, è più facile non produrli piuttosto che accorciarli. Non è possibile far crescere gli arti in modo disorganizzato facendo loro raggiungere dimensioni diverse, perciò la necessità di mantenere la funzionalità delle zampe posteriori rappresenta un limite per il sistema e rappresenta con ogni probabilità “l’impulso fenotipico” che ha spinto verso il modello convergente ipotizzato dagli scienziati.

Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno marcato specifiche regioni regolatrici nei genomi degli uccelli mediante un gene capace di produrre la proteina fluorescente verde (Green Fluorescent Protein o GFP), una proteina espressa nella medusa Aequorea victoria che, se colpita ed eccitata da una radiazione ad una specifica lunghezza d’onda, è in grado di riemettere luce di colore verde acceso. È stato così possibile rilevare che nelle specie attere, in cui si credeva che tali regioni avessero subito cambiamenti funzionali, il gene marker era effettivamente “spento”.

Il processo di crescita di un arto è guidato a livello genetico da svariati passaggi. Se, per esempio, l’espressione di alcune proteine non avviene o è rallentata, il processo di crescita può essere ritardato. Si pensa che negli uccelli non volatori le regioni regolatrici abbiano perso alcuni importanti siti di legame che hanno impedito loro di funzionare da enhancer, cioè come sequenze di DNA che possono associarsi a proteine attivatrici aumentando la probabilità che la trascrizione di un particolare gene si verifichi.

Ciò che è emerso grazie a questo studio è dunque che gli uccelli hanno a disposizione una limitata quantità di vie che conducono al ridimensionamento del corpo ed alla perdita del volo e che svariate specie abbiano seguito la stessa, quella basata sulla precoce regolazione dello sviluppo degli arti.


Riferimenti:
Timothy B. Sackton et al. Convergent regulatory evolution and loss of flight in paleognathous birds. Science, 2019; 364 (6435): 74. DOI: 10.1126/science.aat7244

Credit immagine: Dezidor [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons