Due farfalle (quasi) identiche rivelano la flessibilità dell’evoluzione
Il rosso, un colore intenso e vibrante, è stato scelto dalle farfalle appartenenti alle specie Heliconius melpomene ed Heliconius erato per allertare i predatori. La colorazione nelle due specie è quasi identica, un esempio di evoluzione convergente. Ma a livello genetico la storia è molto diversa
Il rosso è un colore vivace e brillante, spesso usato per indicare il pericolo. Le farfalle Heliconius melpomene ed Heliconius erato, che vivono a Panama, mostrando livree scarlatte, usano proprio questo stratagemma per allertare e tenere lontani i predatori. Sebbene si tratti di due specie distinte, sono arrivate ad adottare la stessa soluzione: le loro ali, pressoché identiche con la caratteristica banda rosso brillante, rendono le due specie praticamente indistinguibili a occhi poco esperti. Questo è un esempio di evoluzione convergente, un fenomeno per cui specie diverse, sottoposte a pressioni ambientali simili, sviluppano caratteristiche comuni.
Sul caso Heliconius melpomene ed Heliconius erato si sono concentrate le ricerche degli studiosi guidati da Riccardo Papa, docente del Dipartimento di Biologia della University of Puerto Rico e Visiting Professor all’Università di Parma. La ricerca, pubblicata su Science, si pone come obiettivo quello di indagare come sia possibile a livello genetico che due specie, separatesi circa 11,1 milioni di anni fa, abbiano intrapreso la stessa strada.
L’evoluzione convergente tra due o più specie spesso dipende dal fatto che condividono tra loro una simile architettura genetica che governa un certo carattere. Pertanto, mutazioni simili o uguali vengono fissate dalla selezione naturale. Ma non è sempre così, ed è proprio il caso di queste farfalle. Le due specie condividono tra loro gli stessi geni per “disegnare” l’ala, ma cambia moltissimo il modo in cui questi geni vengono regolati. La regolazione genica è il processo che controlla quando, dove e quanto un certo gene contenuto nel DNA deve essere espresso per dare origine al suo prodotto. Uno dei primi livelli di regolazione è nelle regioni aperte della cromatina (l’associazione di DNA e proteine che compone i cromosomi), che sono accessibili agli elementi regolatori. È risultato che nelle due specie le regioni aperte non sono uguali, ma caratteristiche di ogni specie. Questo ha suggerito ai ricercatori che la regolazione doveva essere diversa. Proseguendo lo studio hanno confermato che ci sono notevoli differenze di espressione, regolazione e organizzazione dei geni per H. erato e H. melpomene, che suggeriscono una bassa conservazione della regolazione nelle due specie. Le uniche somiglianze sono state ritrovate a livello del gene Ubx, importante per lo sviluppo dell’ala posteriore. Concentrandosi sul pattern caratteristico delle ali, ovvero la distribuzione dei pigmenti rossi, neri e gialli, i ricercatori hanno osservato l’esistenza di un’architettura regolatoria distinta del nero prossimale dell’ala anteriore nelle due farfalle. I dati dimostrano anche che un elemento regolatore vicino a optix, gene del pattern di colore rosso, è necessario per indurre un fenotipo a bande cremisi per le farfalle della specie H. erato. Questa sequenza regolatoria è peò completamente assente in H. melpomene e nelle specie di farfalle più lontanamente imparentate con il genere Heliconius, suggerendo così la sua comparsa all’origine del clade H. erato.
Lo studio ha evidenziato una differenza nelle sequenze regolatorie delle due specie
Confronto tra diverse sottospecie di di H. erato (colonna sinistra) e H. melpomene (colonna destra).Immagine: yakovlev.alexey from Moscow, Russia, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons
L’evoluzione convergente tra due o più specie spesso dipende dal fatto che condividono tra loro una simile architettura genetica che governa un certo carattere. Pertanto, mutazioni simili o uguali vengono fissate dalla selezione naturale. Ma non è sempre così, ed è proprio il caso di queste farfalle. Le due specie condividono tra loro gli stessi geni per “disegnare” l’ala, ma cambia moltissimo il modo in cui questi geni vengono regolati. La regolazione genica è il processo che controlla quando, dove e quanto un certo gene contenuto nel DNA deve essere espresso per dare origine al suo prodotto. Uno dei primi livelli di regolazione è nelle regioni aperte della cromatina (l’associazione di DNA e proteine che compone i cromosomi), che sono accessibili agli elementi regolatori. È risultato che nelle due specie le regioni aperte non sono uguali, ma caratteristiche di ogni specie. Questo ha suggerito ai ricercatori che la regolazione doveva essere diversa. Proseguendo lo studio hanno confermato che ci sono notevoli differenze di espressione, regolazione e organizzazione dei geni per H. erato e H. melpomene, che suggeriscono una bassa conservazione della regolazione nelle due specie. Le uniche somiglianze sono state ritrovate a livello del gene Ubx, importante per lo sviluppo dell’ala posteriore. Concentrandosi sul pattern caratteristico delle ali, ovvero la distribuzione dei pigmenti rossi, neri e gialli, i ricercatori hanno osservato l’esistenza di un’architettura regolatoria distinta del nero prossimale dell’ala anteriore nelle due farfalle. I dati dimostrano anche che un elemento regolatore vicino a optix, gene del pattern di colore rosso, è necessario per indurre un fenotipo a bande cremisi per le farfalle della specie H. erato. Questa sequenza regolatoria è peò completamente assente in H. melpomene e nelle specie di farfalle più lontanamente imparentate con il genere Heliconius, suggerendo così la sua comparsa all’origine del clade H. erato.
Le due specie si sono evolute in maniera indipendente
Volendo fare un paragone culinario, è come sue due ricette con gli stessi ingredienti (i geni) possano produrre un risultato molto simile attraverso preparazioni e cottura molto diverse. Nonostante l’importanza dei cambiamenti nell’evoluzione di forma e funzione negli animali, l’entità dell’evoluzione di queste sequenze, il contesto e i tempi evolutivi necessari per la divergenza delle funzioni o per l’evoluzione di nuove sequenze regolatorie non sono ben compresi. Nei circa 11,1 milioni di anni trascorsi da quando la linea di H. erato e H. melpomene si sono divisi, hanno conservato una serie condivisa di geni coinvolti nel patterning alare. Tuttavia, sebbene i modelli alari siano molto simili, non sono identici, con differenze minori negli elementi del modello. Queste differenze fenotipiche possono essere il risultato diretto di alterazioni indipendenti dello sviluppo nei due lignaggi di farfalle. Pertanto, dalla loro divisione, H. erato e H. melpomene sembrano aver accumulato in maniera indipendente variazioni genetiche distinte che hanno modificato un sistema di sviluppo inizialmente condiviso. Questo studio, scrivono gli autori, evidenzia un’elevata flessibilità delle traiettorie evolutive che potrebbe essere una proprietà diffusa di qualsiasi sistema biologico.Riferimenti:
Steven M. Van Belleghem, Riccardo Papa et al. “High level of novelty under the hood of convergent evolution” Proceedings of SCIENCE, 9 Mar 2023, Vol 379, Issue 6636, pp. 1043-1049, doi: 10.1126/science.ade0004 Immagine: Bernard Dupont, CC-BY-SA-2.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/deed.en, via Wikimedia Commons
Sono laureata in Scienze biologiche presso l’Università degli Studi dell’Insubria. Ho iniziato raccontando la natura ai ragazzi in un parco vicino casa e ho frequentato il Master Fauna e HD, per specializzarmi nella comunicazione ambientale.
