Il contributo degli spinarelli preistorici agli attuali sforzi a favore della biodiversità
In un contesto caratterizzato da cambiamenti ambientali sempre più rapidi, gli ambientalisti non dispongono di dati osservativi completi sugli adattamenti realizzati dalle specie su scale temporali estese. Di conseguenza, permangono molte incognite scientifiche, come il modo in cui le mutazioni genetiche dannose si associano agli adattamenti genetici benefici. «Gli adattamenti per la sopravvivenza comportano compromessi in termini evolutivi: comprendere quali variazioni genetiche consentono alle popolazioni di adattarsi, e a quale costo genetico, potrebbe offrire spunti sulla resilienza delle popolazioni», spiega Andrew David Foote(si apre in una nuova finestra), docente presso l’Università di Oslo. Per contribuire a colmare questa lacuna di conoscenza, Foote ha coordinato il progetto EXPLOAD, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), studiando diversi adattamenti paralleli dello spinarello a tre spine, guidati dagli stessi geni.
Cogliere la cronologia e il ritmo dei cambiamenti genomici
Sebbene l’evoluzione sia spesso un processo lento e graduale, lo spinarello a tre spine sviluppa adattamenti in tempi relativamente brevi, il che, congiuntamente alla sua abbondanza di lunga data nei laghi dell’emisfero settentrionale, ne rende una specie modello di studio. Con l’aiuto del Servizio geologico norvegese, EXPLOAD ha raccolto carote di sedimenti marini, salmastri e d’acqua dolce da «laghi di isolamento postglaciale» formatisi alla fine dell’ultima era glaciale, quasi 12 000 anni fa, quando le calotte glaciali si ritirarono e il terreno cominciò gradualmente a sollevarsi. Parallelamente a quest’ultimo processo, le baie marine di nuova formazione, isolate dal mare, si trasformarono in laghi d’acqua dolce. «Poiché i laghi sono stati spesso colonizzati in modo indipendente dallo spinarello a tre spine, i loro sedimenti possono fungere da esperimenti naturali», spiega Foote. «Il campionamento di diversi laghi su scale temporali diverse rivela adattamenti paralleli dello spinarello e fornisce in tal modo indicazioni sul fatto che l’aumento delle mutazioni genetiche dannose avverrebbe di pari passo con gli adattamenti all’acqua dolce.»
Tracciare il percorso della variazione genetica
Approcci genomici all’avanguardia si sono concentrati sulle regioni genetiche che controllano la formazione della morfologia difensiva e alimentare, insieme ai tratti comportamentali e fisiologici. Ad esempio, il gene EDA(si apre in una nuova finestra) è alla base dello sviluppo delle placche ossee protettive; la variante di questo gene negli spinarelli marini determina la formazione di tali placche lungo i fianchi, mentre gli spinarelli d’acqua dolce, sebbene presentino una placca corazzata ridotta, sono caratterizzati da una crescita iniziale più rapida, che risulta vantaggiosa negli inverni più freddi. Poiché il DNA antico è molto frammentato, il team ha anche raccolto DNA di alta qualità da uno spinarello vivente e ne ha sequenziato il genoma per creare una sorta di scheletro su cui aggiungere la «carne» del DNA antico. «La variazione genetica conservata in sedimenti risalenti a ben 13 000 anni fa ci ha permesso di osservare lo svolgersi dell’evoluzione in un modo che prima non era possibile», afferma Foote. Inizialmente ci si aspettava che le mutazioni benefiche diffusesi attraverso regioni a bassa ricombinazione portassero con sé anche mutazioni dannose; ciononostante, gli spinarelli sembravano averle eliminate(si apre in una nuova finestra), suggerendo che i costi di adattamento mutazionale non siano universali. «Abbiamo bisogno di una comprensione più articolata in merito all’interazione tra ricombinazione, struttura del genoma e selezione», osserva Foote. Raffrontando il DNA antico proveniente da diversi laghi, il team ha inoltre scoperto che i geni adattatisi per primi all’acqua dolce hanno determinato anche i cambiamenti morfologici o fisiologici più significativi. Essendosi evoluti congiuntamente, questi geni erano spesso raggruppati insieme, come quelli legati al gene EDA.
Sviluppare uno strumento paleogenomico generale
Le metodologie adottate da EXPLOAD, in particolare l’analisi del DNA antico sedimentario, dispongono di un potenziale più ampio, ad esempio fornendo alla paleoecologia e all’archeologia informazioni su organismi ed ecosistemi del passato di cui esistono poche testimonianze fossili. Foote sta ora estendendo la ricerca ad altre carote sedimentarie e ad altri laghi al fine di comprendere in maniera migliore le ragioni per cui il ritmo e la traiettoria dell’adattamento differiscano tra ambienti d’acqua dolce colonizzati in modo indipendente. «Il nostro obiettivo è trasformare la paleogenomica sedimentaria in uno strumento più generale per ricostruire il cambiamento evolutivo, anziché dedurlo dal confronto tra popolazioni viventi», conclude Foote.
