L’evoluzione degli spermatozoi nei tetrapodi
L’evoluzione della lunghezza degli spermatozoi nei tetrapodi negli ultimi 350 milioni di anni è stata influenzata dagli stessi fattori in gruppi di animali molto diversi. I risultati in una ricerca dell’Università di Padova che analizzato la dimensione degli spermatozoi in 1.400 specie
Nei tetrapodi – vertebrati con quattro arti come anfibi, rettili, uccelli e mammiferi – ci sono enormi differenze di dimensioni corporee, che vanno da frazioni di grammo a molte tonnellate. Tuttavia, le dimensioni delle cellule che compongono questi animali variano molto meno. Una notevole eccezione è rappresentata dagli spermatozoi, le cellule riproduttive maschili che trasportano il DNA paterno alla cellula uovo. Questi possono variare da pochi micron (millesimi di millimetro) a oltre 3 millimetri. Negli ultimi venti anni, gli scienziati hanno mostrato un crescente interesse per queste differenze, ma solo recentemente nuove metodologie e una grande quantità di dati hanno permesso di studiare il fenomeno su larga scala.
Utilizzando un approccio innovativo chiamato multi-ottimizzazione di Pareto – una tecnica che permette di considerare più fattori contemporaneamente per trovare la soluzione ottimale – un gruppo di ricercatori del dipartimento di Fisica dell’Università di Padova, diretto da Amos Maritan e composto da Flavio Seno e Loren Koçillari, insieme a biologi evoluzionisti del dipartimento di Biologia, tra cui Maria Berica Rasotto, Silvia Cattelan e Andrea Pilastro, ha esplorato come si è evoluta la dimensione degli spermatozoi in relazione alla massa corporea nei tetrapodi. Lo studio ha coinvolto quasi 1.400 specie, tra cui rane, piccoli uccelli come il luì, piccoli mammiferi come il toporagno, alcuni pipistrelli, il capodoglio, l’elefante, la giraffa, l’orso e l’essere umano.
a) I sistemi biologici svolgono diversi compiti per sopravvivere. Spesso questi compiti sono in conflitto, quindi una specie non può eccellere in tutti i compiti contemporaneamente. La competizione tra i compiti influenza quali caratteristiche vengono selezionate, portando gli organismi a trovare un equilibrio per massimizzare la loro sopravvivenza.
b) Il metodo di Pareto prevede che i compiti in conflitto portino a distribuzioni semplici di caratteristiche, chiamate fronti di Pareto, nello spazio dei tratti. I vertici di questi fronti contengono fenotipi specializzati, o specialisti, che sono molto bravi in un compito specifico. L’interno del fronte contiene generalisti, che sono bravi in tutti i compiti ma non eccellono in nessuno.
c) Nello spazio bidimensionale dei tratti, i fenotipi ottimali formano poligoni convessi. Per due compiti in conflitto, i fenotipi formano linee; per tre compiti, formano triangoli; per quattro compiti, formano poliedri, e così via.
d) Un esempio di un fronte di Pareto triangolare nello spazio dei tratti della massa corporea e del rapporto di aspetto delle ali in diverse specie di pipistrelli. I tre vertici corrispondono a specie specializzate in diverse strategie di predazione. Immagine: dalla pubblicazione
Lo studio, pubblicato sulla rivista «Nature Communications», dimostra che l’evoluzione della lunghezza degli spermatozoi nei tetrapodi negli ultimi 350 milioni di anni è stata influenzata dagli stessi fattori in gruppi di animali molto diversi per fisiologia (omeotermi, animali a sangue caldo come uccelli e mammiferi, ed eterotermi, animali a sangue freddo come rettili e anfibi), biologia riproduttiva (fecondazione interna o esterna) e relazioni evolutive. Questo suggerisce che le stesse limitazioni evolutive valgano per tutti.
I ricercatori hanno inoltre scoperto che l’evoluzione di spermatozoi “giganti” nei tetrapodi è legata a strategie riproduttive specifiche, come il grado di competizione spermatica (quando una femmina si accoppia con molti maschi e gli spermatozoi rivali competono per fecondare le uova) e il numero di uova da fecondare. Sorprendentemente, anche le dimensioni del genoma – l’insieme di tutto il DNA di un organismo – si sono rivelate cruciali. Inizialmente si pensava che ci fosse una relazione diretta tra la dimensione del genoma e quella degli spermatozoi, ma lo studio ha dimostrato esattamente il contrario: le specie con spermatozoi lunghi hanno genomi più piccoli rispetto alle specie con spermatozoi corti.
«I tratti riproduttivi sono spesso difficili da studiare poiché influenzati da molti fattori diversi», spiega Silvia Cattelan, corresponding author dello studio e, al tempo della ricerca, postdoc al dipartimento di Biologia dell’Università di Padova. «Il concetto di ottimalità di Pareto e il metodo statistico che abbiamo utilizzato ci hanno aiutato a chiarire questa complessità, dimostrando come la lunghezza degli spermatozoi sia associata in modo complesso e non lineare alla massa corporea delle specie e identificando i principali fattori evolutivi che hanno influenzato questa caratteristica nei tetrapodi. Speriamo che questo risultato stimoli ulteriori ricerche, ad esempio per indagare se l’evoluzione di un genoma grande possa essere stata limitata in specie con alta competizione spermatica».
«Questo studio apre nuove prospettive nella comprensione di uno dei fenomeni più affascinanti ed enigmatici della biodiversità animale: l’enorme variabilità delle dimensioni degli spermatozoi tra le diverse specie di vertebrati», concludono Maria Berica Rasotto e Andrea Pilastro, biologi evoluzionisti dell’Università di Padova e membri, insieme al collega Amos Maritan, del National Biodiversity Future Center.
Riferimenti:
Koçillari, L., Cattelan, S., Rasotto, M. B., Seno, F., Maritan, A., & Pilastro, A. (2024). Tetrapod sperm length evolution in relation to body mass is shaped by multiple trade-offs. Nature Communications, 15(6160), 1–12. doi: 10.1038/s41467-024-50391-0
Fonte: comunicato stampa Università di Padova
