50 milioni di anni fa. C’è appena stato un forte temporale e la pioggia è durata per diverse ore. Improvvisamente si rasserena e, tra le nuvole temporalesche che si trovano nella parte opposta al sole, sbucano sette colori che, ad arco, dipingono il cielo: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. I nostri lontani antenati del tempo si sarebbero potuti godere nitidamente questo spettacolo? Non ancora, molto probabilmente.

Infatti, è proprio fra i 45 e i 30 milioni di anni fa che nella linea evolutiva che ha portato fino all’uomo si è sviluppata l’abilità di vedere i colori blu e verde, oltre alle già acquisite capacità di percepire la lunghezza d’onda del rosso. A dircelo è un team internazionale di scienziati che, dopo vent’anni di lavoro, sono riusciti a ricostruire il lungo percorso evolutivo, dal punto di vista molecolare, che ha portato i nostri antenati a passare da una visione notturna e biloculare alla capacità di gustarsi tutti i colori dell’arcobaleno. Lo studio porta come primo nome quello del biologo Shozo Yokoyama, della Emory University of Atlanta ed è stato pubblicato di recente sulla rivista PLOS Genetics.

I nostri occhi sono gli organi capaci di percepire la luce, che consiste in un’onda che si propaga nello spazio ad altissima velocità. Proprio perché è un’onda, è formata da creste e avvallamenti e, la distanza fra due creste successive e chiamata “lunghezza d’onda” mentre l’ampiezza è la massima variazione dell’oscillazione e il suo valore di equilibrio. Per quel che riguarda la visione dei colori, l’ampiezza dell’onda influisce sull’intensità luminosa dello stimolo elaborato dal cervello mentre la lunghezza d’onda determina la tonalità del colore percepito. All’interno dell’intero spettro elettromagnetico che esiste in natura, solo una piccolissima porzione appartiene al cosiddetto “spettro visibile”, cioè all’insieme delle lunghezze d’onda percepibili dall’occhio umano, che è tra i 380 e i 780 nanometri. Una lunghezza d’onda minore corrisponde alla gamma cromatica dell’ultravioletto, mentre con una maggiore si entra nell’infrarosso. Le radiazioni dello spettro visibile producono, sulla retina dell’occhio umano, le immagini che i recettori locali trasferiscono al cervello come insieme di segnali.

Lo straordinario viaggio del mondo dei colori che vediamo nasce dall’occhio, in particolare da tutto il suo sistema recettoriale retinico che va a rivestire la sua parte interna. Nella retina sono presenti quattro tipi di fotorecettori: i bastoncelli e tre tipi di coni. I bastoncelli sono sensibili alle lunghezze d’onda elevate e consentono di distinguere i toni chiari o scuri quando c’è una scarsa illuminazione, come accade nella visione di ambienti naturali al crepuscolo o all’alba. I coni, invece, sono specializzati nella visione diurna e nella discriminazione dei colori. I coni contengono (a seconda della specie in questione) tre tipi di pigmenti, chiamati opsine, che assorbono in modo diverso le varie radiazioni dello spettro. In particolare, i coni detti L (long) o rossi hanno un picco di assorbimento massimo per lunghezze d’onda attorno ai 565 nm, i coni M (medium) o verdi a 530 nm e quelli S (short) o blu a 420 nm. Il “colore” dei coni corrisponde alla zona dello spettro che sono in grado di assorbire (i bastoncelli hanno un massimo di assorbimento per lunghezze d’onda pari a 499 nm). La nostra specie e le altre antropomorfe possiedono tutti e tre questi pigmenti, avendo quella che viene definita visione tricromatica.

Yokoyama e il suo gruppo di ricerca sono riusciti a tracciare tutto il percorso evolutivo che ha portato la nostra linea evolutiva al raggiungimento di una tale nitida visione a colori. Una storia che inizia 90 milioni di anni fa, quando i nostri antenati erano creature notturne, con le sole sensibilità all’ultravioletto e al rosso. Avevano, quindi, una visione definita “bicromatica”. Se l’acquisizione della capacità dell’occhio di percepire il verde, avvenuta circa 30 milioni di anni fa in seguito alla duplicazione e ad una singola successiva mutazione dell’opsina adibita alla percezione del rosso, era facile da spiegare dal punto di vista evolutivo, la vera sfida è stata perdere la visione dell’ultravioletto in favore della luce blu.

E qui, entra in campo la nuova scoperta di Yokoyama e colleghi. Grazie al confronto tra i geni che codificano per le opsine di diverse attuali specie animali, i ricercatori hanno ricostruito in laboratorio le proteine “estinte” delle specie intermedie, determinando così che questo passaggio fu possibile solo in seguito all’insorgenza di sette mutazioni in sequenza, l’ultima delle quali avvenne tra 45 e 30 milioni di anni fa. Ci sono voluti 5.040 percorsi evolutivi possibili e, poi, il team è riuscito a isolare la giusta sequenza di queste sette consecutive mutazioni genetiche degli aminoacidi che ha portato alla visione tricromatica. Cambiando l’ordine specifico della comparsa delle singole mutazioni, il percorso evolutivo non avrebbe portato allo stesso risultato. Si tratta di mutazioni che gestiscono l’interazione fra i diversi geni che controllano l’espressione dei tre pigmenti visivi. Esistono cinque classi di geni codificati per le opsine, le proteine presenti nei fotorecettori dell’occhio, soprattutto nei bastoncelli e, proprio grazie alle mutazioni di questi geni, si è passati, seguendo un percorso lento e graduale, da una visione ultravioletta a quella della luce blu.

I cambiamenti ambientali, molecolari e il passare dei milioni di anni, dai 45 ai 30, sono stati quindi i responsabili di un netto miglioramento della percezione cromatica.

Non ci resta, quindi, che goderci l’arcobaleno dopo la pioggia…


Riferimenti: 
Yokoyama S, Xing J, Liu Y, Faggionato D, Altun A, et al. (2014) Epistatic Adaptive Evolution of Human Color Vision. PLoS Genet 10(12): e1004884. doi:10.1371/journal.pgen.1004884