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Cosa hanno in comune i nostri arti e le branchie di squali e razze

Il gene Sonic hedgehog fornisce la prova che le nostre membra si sono evolute dalle branchie di squalo

[21 Aprile 2016]

Uno studio dell’università di Cambridge pubblicato su Development. dimostra che gli arti umani condividono un programma genetico con le branchie di pesci cartilaginei come squali e le razze, fornendo prove a sostegno di una teoria secolare sull’origine degli arti che era stata scartata. A differenza degli altri pesci, i pesci cartilaginei come gli squali e le razze hanno una serie di lembi cutanei che proteggono le loro branchie. Questi lembi sono sostenute da archi di cartilagine, con appendici simili a dita chiamati raggi branchiali, nel 1878 il famoso natomista tedesco Karl Gegenbaur presentò la teoria che le pinne e  poi gli arti si fossero evoluti da una struttura simile all’arco branchiale dei pesci cartilaginei. A Cambridge spiegano che è «L’idea che gli che gli arti si siano evoluti dalle branchie è stata proposta per la prima volta 138 anni fa, ma era stata  ampiamente screditata a causa della mancanza di prove fossili a sostegno, dopo tutto potrebbe rivelarsi corretta e l’indizio è in un gene chiamato da tutti Sonic hedgehog ».

I ricercatori hanno verificato le idee di Gegenbaur utilizzando le più recenti tecniche genetiche sugli embrioni di Little skate (Leucoraja erinacea), una razza americana che appartiene allo stesso gruppo di pesci che oltre un secolo fa ispirò la controversa teoria e ha trovato somiglianze tra il meccanismo genetico utilizzato per lo sviluppo dei suoi archi branchiali e quelli degli arti umani. Gli scienziati dicono che «Si tratta di un gene essenziale per lo sviluppo degli arti chiamato “Sonic hedgehog”, dal nome del personaggio di un videogioco, da un gruppo di ricerca dell’Harvard Medical School. La nuova ricerca dimostra che le funzioni del gene Sonic hedgehog nello sviluppo degli arti umani, che dettano l’identità di ogni dito e sostiene la crescita dello scheletro dell’arto, si rispecchiano nello sviluppo dei raggi branchiali negli embrioni di Little skate». .

Il principale autore dello studio, Andrew Gillis, del Dipartimento di zoologia e del Marine Biological Laboratory dell’università di Cambridge,  dice che lo studio dimostra che diversi aspetti della teoria di Gegenbaur possono essere corretti e fornisce una maggiore comprensione dell’origine degli arti dei vertebrati, il gruppo di animali che include esseri umani. «Gegenbaur osservò il modo in cui questi raggi branchiali si collegano agli archi branchiali e notò che sembra molto simile al modo in cui lo scheletro della pinna e degli arti si articola con la spalla- I raggi branchiali si estendono come una serie di dita lungo il lato di un arco delle branchia dello squalo. Il fatto che il gene Sonic hedgehog svolga le stesse due funzioni per lo sviluppo degli archi branchiali e dei raggi branchiali negli embrioni del Little skate come fa per lo sviluppo degli arti negli embrioni dei mammiferi potrebbero aiutare a spiegare come Gegenbaur sia arrivato alla sua controversa teoria sull’origine della pinne e degli arti».

Negli embrioni di mammiferi, il gene Sonic hedgehog “imposta” la conformazione dell’arto nelle prime fasi di sviluppo: «Per esempio, in una mano Sonic hedgehog dice all’arto da che parte sarà il pollice e da che parte sarà il mignolo – spiega ancora Gillis – Nelle fasi successive dello sviluppo, il Sonic hedgehog mantiene l’escrescenza in modo che l’arto cresca fino alla sua dimensione completa».

Per verificare se i geni funzionino nello stesso modo negli embrioni di Leucoraja erinacea, Gillis ed i suoi colleghi hanno inibito il Sonic hedgehog in diversi punti durante il loro sviluppo e hanno scoperto che se il Sonic hedgehog viene inibito  presto durante lo sviluppo, i raggi branchiali si formano sul lato sbagliato dell’arco branchiale. Se il Sonic hedgehog viene inibito nella fase di sviluppo si forma un  numero minore di raggi branchiali, ma sul lato corretto dell’arco. Secondo Gill, questo dimostra che  – che mostra che nella razza il gene funziona in modo molto simile a quanto accade nello sviluppo degli  arti umani: «Portata all’estremo, questi esperimenti potrebbero essere interpretati come la prova del fatto che gli arti condividono un programma genetico con gli archi branchiali perché le pinne e gli arti si sono evoluti dalla trasformazione di un arco branchiale in un vertebrato ancestrale, come proposto da Gegenbaur. Tuttavia, potrebbe anche essere che queste strutture si siano evolute separatamente, ma abbiano ri-usato lo stesso programma genetico pre-esistente. Senza evidenze fossili questo rimane un po’ un mistero. C’è un gap nella documentazione fossile tra le specie senza pinne e poi improvvisamente appaiono le specie con pinne, quindi, non si può essere ancora veramente sicuri di  come si siano evolute le appendici accoppiate. In entrambi i casi si tratta di una scoperta affascinante, perché fornisce la prova di un legame evolutivo fondamentale tra i raggi branchiali e gli arti. Mentre i paleontologi cercano i fossili per cercare di ricostruire la storia evolutiva dell’anatomia, stiamo effettivamente cercando di ricostruire la storia evolutiva dei programmi genetici che controllano lo sviluppo dell’anatomia». Le appendici accoppiate, come le braccia e le mani negli esseri umani, sono una delle caratteristiche principali che distinguono anatomicamente i vertebrati dagli altri gruppi e Gillis aggiunge che «C’è molto interesse per cercare di capire le origini degli arti dei vertebrati e le origini di nuove caratteristiche, come le pinne e gli arti. Quello che stiamo imparando è che molte nuove caratteristiche non sono sorte improvvisamente dal nulla, ma hanno piuttosto preso e ri-utilizzato un numero relativamente piccolo di antichi programmi di sviluppo».

Gillis e il suo team stanno facendo ulteriori test sulla teoria di Gegenbaur confrontando la funzione di più geni coinvolti nello sviluppo delle branchie delle razze e degli arti dei mammiferi. Gillis conclude: «Altri studi non hanno trovato interessanti somiglianze genetiche nello sviluppo tra i derivati ​​dell’arco branchiale e le appendici appaiate, ma questi studi sono stati fatti su animali come i topi e i pesci zebra che non hanno raggi branchiali. Studiare i pesci cartilaginei è utile, non solo perché erano il gruppo che per primo ha ispirato la teoria di Gegenbaur, ma anche perché hanno molte caratteristiche uniche che altri pesci non hanno e stiamo scoprendo che siamo in grado di imparare molto sull’evoluzione da queste caratteristiche uniche. Molti ricercatori guardano ai topi mutanti o ai moscerini della frutta per capire il controllo genetico sull’anatomia. Il nostro approccio è quello di studiare e confrontare le forme anatomiche diverse che si possono trovare in natura, al fine di ottenere una visione dell’evoluzione del corpo dei vertebrati».