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Il riciclaggio delle eredità ci mette in corsia di sorpasso
4 ottobre 2023 |
Buona parte della biodiversità mondiale si è evoluta attraverso la radiazione adattativa. Ciò significa che quando un nuovo habitat viene colonizzato, da una specie madre si formano molte nuove specie strettamente imparentate nel giro di poche centinaia di migliaia o addirittura diecimila anni, che occupano nicchie ecologiche diverse. Ne sono un esempio i fringuelli di Darwin alle Galapagos o i salmerini in Groenlandia, gli anfipodi nei corsi d'acqua sotterranei europei o i coregoni nei laghi profondi ai margini delle Alpi:
Ma perché alcune famiglie tendono a specializzarsi rapidamente e altre no? Due team guidati da Ole Seehausen dell'Istituto svizzero di ricerca acquatica Eawag e dell'Università di Berna hanno indagato su questa domanda utilizzando la radiazione più veloce e più grande che si conosca: i ciclidi del lago Vittoria. Hanno trovato le risposte nel materiale genetico dei pesci e nei fossili dei sedimenti del lago e hanno appena pubblicato i loro risultati sulle riviste "Science" e "Nature".
I sopravvissuti a una catastrofe come punto di partenza
La storia dell'attuale abbondanza di ciclidi nel lago Vittoria inizia con una catastrofe. Verso la fine dell'ultima era glaciale, circa 20.000 anni fa, il lago Vittoria si prosciugò. I resti della sua fauna ittica, che in precedenza era probabilmente ricca, sopravvissero alla fase di siccità durata quasi 4.000 anni nelle paludi isolate che rimanevano del lago più grande dell'Africa.
Quando il bacino del lago si è riempito di nuovo d'acqua, sono tornati anche i sopravvissuti: Nare Ngoepe, autore principale dello studio su "Nature", è riuscito ad assegnare oltre 7.000 denti di pesce provenienti dai sedimenti degli ultimi 17.000 anni a cinque diverse famiglie di pesci simili a carpe, pesci gatto e ciclidi.
Solo una di queste famiglie, tuttavia, quella dei ciclidi, si è poi rapidamente suddivisa in diverse specie, per giunta 500! Come ha ricostruito lo studio di Science confrontando i genomi delle specie attuali, queste 500 specie discendono da una popolazione ibrida che si è formata contemporaneamente al nuovo lago. Gli ibridi si formano quando due animali di specie diverse si accoppiano. Nel lago Vittoria, che è tornato a crescere dopo la siccità, tre diverse stirpi di ciclidi, a loro volta frutto di ibridazioni risalenti a più di 300.000 anni prima, si sono incontrate, mescolate e hanno così unito il loro materiale genetico.
Rapida specializzazione
Man mano che la popolazione ibrida si diffondeva, alcune sue parti iniziarono a specializzarsi. Queste sottopopolazioni si riprodussero sempre più isolatamente l'una dall'altra, grazie a modelli comportamentali diversi. La differenziazione ecologica e la relativa selezione di materiale genetico diverso in nicchie ecologiche diverse ha portato rapidamente alla formazione di specie diverse che potevano avanzare successivamente in nicchie ecologiche sempre nuove e ancora più estreme.
"Le nuove specie di ciclidi hanno attinto all'intera rete alimentare", spiega Joana Meier, autrice principale dello studio su "Science". "Questo ha portato alla nascita di diversi generi specializzati in alghe o insetti molto specifici, lettiere o parti di piante, mentre altri hanno rintracciato le uova di pesce, filtrato il plancton dall'acqua o sviluppato speciali tecniche di cattura per i piccoli, i giovani e i ciclidi adulti".
A causa della stretta relazione, sono state possibili anche nuove ibridazioni, che hanno reso ancora più stretta la rete alimentare con nuove combinazioni genetiche. Nei siti comuni di deposizione delle uova dei grandi cacciatori e dei piccoli filtratori di plancton, ad esempio, si sono sviluppate diverse specie di cacciatori nani: l'ecotipo, che esiste solo nel lago Vittoria, combina le caratteristiche anatomiche della testa dei grandi cacciatori con le dimensioni e la forma del corpo dei filtratori di plancton, che hanno permesso di attingere a nuove risorse.
Condizioni di partenza uguali per tutti
"Il successo dei ciclidi non è dovuto al fatto che essi si trovassero nel nuovo lago Vittoria prima degli altri pesci e monopolizzassero le risorse per sé", ha osservato Nare Ngoepe dai fossili dei pesci. "Al contrario, i pesci simili alle carpe hanno dominato per i primi mille anni circa dopo la ricolonizzazione".
Ma quando l'acqua si è alzata e si è sviluppato un lago profondo, le specie specializzate in acque poco profonde e piccoli corsi d'acqua sono rimaste legate alle aree vicine alla riva e alle paludi. "I fossili di ciclidi, invece, sono comuni anche nei sedimenti di questi nuovi habitat", spiega Ngoepe. Ovviamente, i ciclidi si sono immediatamente precipitati nelle acque aperte o nelle profondità del lago.
La storia del lago e la sua colonizzazione
Il patrimonio genetico dei ciclidi racconta la storia di una grande famiglia. Tuttavia, ci si chiedeva se questa famiglia di ciclidi fosse in grado di utilizzare le risorse in modo così completo e differenziato, forse grazie a un vantaggio temporale nella ricolonizzazione del lago Vittoria. Per questo motivo il team interdisciplinare guidato da Nare Ngoepe e Ole Seehausen, insieme ai paleoecologi dell'Università di Berna guidati da Willy Tinner e Martin Grosjean, ha adottato un approccio paleoecologico per il nuovo studio di "Nature" - per la prima volta nello studio delle radiazioni adattative nei grandi laghi. Utilizzando denti di pesce fossili, che consentono una determinazione tassonomica almeno fino al livello della famiglia di pesci, e altro materiale organico proveniente da carote di sedimento, sono riusciti a ricostruire l'ecologia del Lago Vittoria negli ultimi 17.000 anni senza lacune e a smentire l'ipotesi di un'iniziale dominanza dei ciclidi.
Lavoro sul campo al Lago Vittoria (Foto: Eawag, Ole Seehausen, Anna Mahulu, Nare Ngoepe, Moritz Muschick)
La diversità è sopravvissuta come un puzzle
Il fatto che i ciclidi abbiano conquistato il nuovo lago così rapidamente e siano stati in grado di utilizzare l'intera rete alimentare in modo efficiente è stato possibile solo grazie al diverso materiale genetico che si è riunito negli sciami ibridi. "Le poche nuove mutazioni genetiche sorte nel breve lasso di tempo degli ultimi 16.000 anni di storia evolutiva non hanno avuto alcun ruolo", spiega Joana Meier. "Il fattore decisivo è stato piuttosto il fatto che il diverso materiale genetico sopravvissuto nei vari lignaggi di ciclidi ha dovuto essere 'riassemblato' solo dopo la fase secca". Ad esempio, una linea parentale ha portato le informazioni genetiche rilevanti per i cacciatori, mentre il materiale genetico delle altre due linee ha permesso le specializzazioni di alghe ed erbivori.
"Grazie ai cicli di ibridazione e specializzazione, nonostante la turbolenta storia climatica della regione e le ripetute estinzioni di specie, si sono conservate innumerevoli varianti di tratti ereditari che si sono accumulati nelle popolazioni di ciclidi nel corso di milioni di anni", afferma Ole Seehausen. Infatti, anche se una catastrofe ha causato la perdita di alcune specie specializzate, gran parte del loro materiale genetico è sopravvissuto, distribuito tra le poche popolazioni ibride sopravvissute. Quando queste popolazioni si riuniscono di nuovo, le specializzazioni perdute possono essere rapidamente "ricostruite" e nuove "inventate".
Proteggere il potenziale di sviluppo con gli sciami di specie
"Si tratta di risultati importanti per la conservazione della biodiversità", afferma Seehausen, biologo evoluzionista e ittiologo. I tentativi di proteggere le singole specie sono insufficienti, soprattutto in tempi in cui l'uomo scatena sempre più catastrofi ecologiche con l'eccessiva fertilizzazione e l'edilizia, con l'introduzione di specie invasive e con i cambiamenti climatici. "Dobbiamo anche proteggere il potenziale di sviluppo di interi 'sciami di specie'". Questo perché possono aiutare gli ecosistemi a riprendersi più rapidamente, e con essi le loro funzioni vitali per l'uomo. "I prerequisiti per questo sono habitat contigui che permettano le migrazioni degli animali, una grande varietà di nicchie ecologiche diverse in modo da mantenere materiale genetico vario attraverso una selezione diversificata e una comprensione dell'evoluzione che non veda l'ibridazione occasionale attraverso i confini delle specie come un vicolo cieco".
La genealogia
Per ricostruire gli alberi genealogici della radiazione adattativa nel Lago Vittoria, Joana Meier ha analizzato per il nuovo studio di "Science" 464 genomi di ciclidi dell'Africa orientale provenienti da una collezione che Ole Seehausen e il suo team hanno costruito negli ultimi tre decenni per studi morfologici, ecologici e genetici. 288 genomi provenivano da 120 specie che rappresentavano tutti i generi e gli ecotipi noti di ciclidi del Lago Vittoria, ad eccezione dell'estinto rasper squamato; inoltre, erano presenti genomi di specie di ciclidi provenienti da altre parti della regione dei Grandi Laghi africani.
Foto di copertina: Il lago Vittoria, in Africa orientale, è rimasto completamente asciutto per quasi 4.000 anni prima di riempirsi nuovamente d'acqua 16.000 anni fa. (Foto: Eawag, Nare Ngoepe)
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