L’evoluzione è prevedibile? Secondo le ali delle farfalle no (VIDEO)

Le farfalle seguono percorsi diversi per arrivare allo stesso modello di colori

[19 Novembre 2019]

Un team internazionale di scienziati che lavorano con le farfalle Heliconius allo Smithsonian Tropical Research Institute (STRI) di Panama si è trovato di fronte a un mistero: in che modo due farfalle non imparentate tra loro che vivono in Perù e in Costa Rica hanno evoluto più o meno gli stessi schemi di disegni e colori delle ali? La risposta è data dallo studio “Interplay between developmental flexibility and determinism in the evolution of mimetic Heliconius wing patterns” – pubblicato su Current Biology da un team di ricercatori dello STRI e delle università di Oxford, George Washington, Mississippi, Cambridge, Puerto Rico, Estadual de Campinas, Rosario, Chicago e North Carolina – e potrebbe cambiare per sempre il modo in cui comprendiamo l’evoluzione.
I ricercatori dello STRI guidati da Carolina Concha spiegano che Le farfalle non correlate possono avere gli stessi schemi delle ali. Questi schemi avvisano i predatori e aiutano i pretendenti a trovare il compagno giusto. Ma se i modelli delle ali in ciascuna specie si sono evoluti allo stesso modo, eliminando un gene importante dovrebbe avere lo stesso effetto in entrambi». Il team della Concha ha scoperto che «L’eliminazione del gene WntA provoca diversi effetti nei co-mimici, quindi le due specie hanno sviluppato lo stesso modello attraverso percorsi diversi».
La Concha evidenzia che si tratta di qualcosa di più dalla ben nota convergenza evolutiva: «Il nostro team è il primo a riferire che sebbene l’evoluzione di simili modelli di colore nelle Heliconius possa essere guidata da forze simili – come i predatori che evitano un particolare tipo di farfalla – il percorso verso quel risultato non è prevedibile. Questo ci ha davvero sorpreso perché rivela l’importanza della storia e delle possibilità nel modellare i percorsi genetici che portano al mimetismo delle ali delle farfalle».
I brillanti colori delle ali delle Heliconius segnalano ai predatori che le farfalle sono tossiche. Modelli di ali appariscenti nei maschi segnalano alle femmine che stanno scegliendo la specie giusta con cui accoppiarsi. Allo STRI sottolineano che «In qualche modo queste due forze, predazione e accoppiamento, portano a simili modelli di ali in gruppi di farfalle isolate nelle valli montane e ai piedi delle Ande». Eliminando un singolo gene chiamato WntA in 12 specie diverse e nelle loro varianti, i biologi molecolari del team internazionale potevano dire se farfalle con gli stessi schemi delle ali hanno utilizzato gli stessi percorsi genetici per colorare e modellare le loro ali. Hanno scoperto che non è così.
Uno degli autori dello studio, Arnaud Martin, a capo del Butterfly Evo-Devo Lab della George Washington University, spiega a sua volta. «Immaginatevi che a due team, ai quali vengono dati gli stessi mattoncini di Lego, venga chiesto di costruire lo stesso dispositivo. Ogni team svolge il compito in modo diverso, ma alla fine il risultato è lo stesso. Le farfalle affrontano sfide molto più serie: costruiscono strutture alari fatte di scaglie che per la loro sono essenziali per la sopravvivenza e la capacità di riprodursi».
La Concha ha detto allo Smithsonian Magazine che lo studio indaga su diverse grandi domande evolutive, tra cui: «Come si raggiunge la convergenza evolutiva?» La convergenza evolutiva si ha quando specie diverse sviluppano in modo indipendente tratti che si assomigliano molto e questo significa che la stessa soluzione evolutiva aumenta le loro possibilità di sopravvivenza. Le farfalle rappresentano ottimi casi studio di questo fenomeno perché hanno un mimetismo impressionante: alcuni tipi di farfalle possono produrre tossine simili al cianuro, rendendole prede molto sgradevoli e pericolose- La Concha spiega ancora: «Un uccello che mangia una farfalla imparerà, dopo una, due o tre esperienze, a non mangiarla più. L’uccello ricorda quella farfalla per i sui modelli delle ali e la vita. Altre specie, sia velenose che innocue, he vivono nella stessa area hanno evoluto ali simili per proteggersi. Fondamentalmente, ci chiedevamo se le farfalle usassero le stesse reti di sviluppo per colorare e mappare le ali nelle diverse specie».
I ricercatori dello STRI e i loro partner si sono concentrati su qualcosa di minuscolo: le squame sulle ali delle farfalle, così piccole che l’occhio nudo non le può distinguere. Le squame, sovrapposte «come tegole su un tetto»”, come le descrive laConcha, formano i motivi neri e dai colori vivaci che adornano le ali delle farfalle. Nel genere Heliconius, noto per il suo aspetto variegato, quattro geni influenzano fortemente il modello delle ali, incluso il “gene pre-patterning” wntA.
Le ali emergono come dischi alari verso la fine della metamorfosi. I geni pre-pattern come il wntA si attivano e comunicano con molecole e geni diversi, più o meno delineando il piano generale per il modello delle ali. Alla fine, questi segnali determinano l’identità e la posizione di ciascuna scaglia alare, che inizialmente sono incolori nella crisalide prima che i pigmenti vengano prodotti. (Giallo, bianco e rosso sono i primi colori ad emergere; i pigmenti neri e più scuri compaiono in seguito). Per comprendere meglio in che modo il wntA modella il modello alare in condizioni normali, Concha e il suo team hanno dovuto creare mutanti, disattivando il gene usando il CRISPR.
Da decenni le domande sul mimetismo affascinano i biologi, ma fino a circa 5 anni fa la tecnologia per rimuovere selettivamente un singolo gene in un organismo vivo non esisteva. Ora, con l’editing genico CRISPR/Cas 9, sta diventando molto più facile lavorare con il codice genetico. Quando i ricercatori hanno eliminato un importante gene di modellazione come il WntA, è cambiata la struttura microscopica e il colore delle squame che compongono l’ala della farfalla e, di conseguenza, cambia il modello.
All’inizio la Concha e i suoi colleghi erano preoccupati perché temevano che ogni farfalla mutante sarebbe morta. Fortunatamente, gli insetti mutanti si sono sviluppati normalmente lungo tutte le fasi della metamorfosi: dall’uovo ai bruchi, alle crisalidi, alle farfalle. E quando finalmente le farfalle hanno dispiegato le ali hanno rivelato un insegnamento sull’evoluzione: proprio come quando si guida un’auto attraverso una rete di strade cittadine, ci sono molti percorsi per arrivare alla stessa destinazione evolutiva.
In un’intervista a Vice, il biologo Michael Perry dell’università della California –San Diego, che ha studiato le basi genetiche del colore delle ali di farfalla ma non ha partecipato allo studio pubblicato su Current Biology, ha fatto notare la tecnica innovativa: «Otto o nove anni fa, non ti avrei mai creduto che avrei detto che sarebbe stato possibile effettuare mutazioni mirate in 12 diverse specie di Heliconius . Ma con CRISPR, i ricercatori della STRI hanno allevato più di 100 farfalle modificate da 12 specie e 10 sottotipi».
Si è scoperto che le diverse specie hanno risposto in modo diverso al gene disattivato. Gli scienziati hanno notato ciò che la Concha descrive come «uno spostamento dei confini», spesso si colorano di rosso aree precedentemente nere. Normalmente, Heliconius hewitsoni e Heliconius pachinus , i cui habitat si sovrappongono in Costa Rica occidentale e Panama, condividono tre strisce bianco-giallastre e un’area centrale rossa. Ma nei mutanti wntA, H. hewitsoni aveva una colorazione biancastra diffusa e ha sviluppato una macchia grigia nella parte posteriore. H. pachinus , al contrario, aveva ancora una vistosa striscia nera tra i suoi riflessi e niente grigio. Questa discrepanza ha rivelato agli scienziati che il WntA si è evoluto per agire diversamente in queste specie imparentate alla lontana, come scrive Lila Thulin su Smithsonian.com, «Se l’evoluzione è un labirinto la cui l’uscita è la sopravvivenza ottimale, è come se la specie avessero individuato due percorsi distinti per passare e attraverso il labirinto genetico per arrivare allo stesso schema di colori». E la Concha dice che si tratta di qualcosa di «un po’ inaspettato, spesso ci aspettiamo che condividano un percorso comune, soprattutto perché questi percorsi genetici creativi si sono sviluppati in un arco di tempo relativamente breve; la specie si è differenziata tra 14 e 10 milioni di anni fa.
Lo studio solleva una serie di domande, come il modo in cui il WntA interagisce con altri geni per determinare se un’area è rossa o nera. Ora il team vuole capire come viene controllato il gene WntA.
Un altro degli autori, Riccardo Papa dell’università di Puerto Rico, evidenzia che «Abbiamo appreso che mentre un gene dello sviluppo ( WntA ) può avere un ruolo importante nell’evoluzione della maggior parte dei modelli di colore delle ali di farfalla, il suo uso preciso per colorare l’ala di una farfalla non è completamente prevedibile. Specie distinte con identici schemi di colore delle ali, come le farfalle mimetiche, possono evolversi usando diverse strategie molecolari. Immaginatevi le stesse note suonate su strumenti diversi!»
In queste particolari farfalle, l’evoluzione è avvenuta più rapidamente e in modo meno prevedibile di quanto gli scienziati si aspettassero. Su Current Biology la Concha e i suoi coautori osservano che «L’evoluzione è troppo complicata per le generalizzazioni. Tuttavia, se l’evoluzione prende due strade nettamente diverse per modellare ali di farfalla quasi identiche, questo potrebbe accadere più di quanto pensiamo».
Owen McMillan, staff scientist a capo dell’Ecological genomics lab dello STRI, conclude: «Alcune persone dicono che Panama fosse una parola indigena che significa abbondanza di farfalle. I laboratori Smithsonian a Gamboa sono sicuramente uno dei migliori posti al mondo per capire come si evolvono le farfalle e speriamo che ricercatori ispirati si uniranno a noi mentre continuiamo a farci domande su queste creature incredibilmente belle».