Tra gli anfibi, la salamandra Hydromantes è la campionessa della velocità di sparo della lingua. In meno di cinque millisecondi, può catturare uno sfortunato insetto in volo - questa volta include il lavoro dei muscoli, della cartilagine e di parti dello scheletro. Se confronti questa anatomia balistica con rane e camaleonti, questi ultimi sono sloop. David Wake, un biologo evoluzionista presso l'Università della California, Berkeley, dice: “Ho trascorso circa 50 anni a studiare l'evoluzione delle lingue delle salamandre. Questo è davvero interessante, perché in generale non differiscono per l'alta velocità, ma ciò nonostante possono farmi conoscere il movimento più veloce di quelli a disposizione dei vertebrati . Durante il loro sviluppo, l'evoluzione ha trovato un modo più efficiente per garantire una caccia di successo con il linguaggio. Il loro apparentemente unico adattamento sembra esseresviluppato indipendentemente in tre specie di salamandra non imparentate. Questo è un esempio di evoluzione convergente, quando individui diversi sviluppano indipendentemente adattamenti biologici simili sotto l'influenza degli stessi fattori ambientali. Le salamandre sono un esempio preferito che Wake cita quando viene posta la domanda di vecchia data della biologia evolutiva: se riavvolgi il nastro dell'evoluzione, si ripeterà? Apparentemente questo è quello che è successo nel caso delle salamandre; con altri organismi questo potrebbe non essere accaduto.se riavvolgi il nastro dell'evoluzione, si ripeterà? Apparentemente questo è quello che è successo nel caso delle salamandre; con altri organismi questo potrebbe non essere accaduto.se riavvolgi il nastro dell'evoluzione, si ripeterà? Apparentemente questo è quello che è successo nel caso delle salamandre; con altri organismi questo potrebbe non essere accaduto.
Questa domanda è nota per essere stata posta per la prima volta dal biologo evoluzionista recentemente scomparso Stephen Jay Gould nel 1989 nel suo libro Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, pubblicato in un'epoca in cui le persone ascoltavano ancora la musica su cassette. Il libro raccontava dei fossili trovati nello scisto di Burgess, lasciati da una miriade di strani animali che vivevano sul nostro pianeta circa 520 milioni di anni fa, durante il periodo Cambriano. Quasi tutti gli animali che esistono oggi hanno antenati che vivevano nel Cambriano, ma non tutti gli animali di quell'epoca hanno discendenti nella nostra era. Molti individui cambriani si estinsero perché non erano sufficientemente adatti alla lotta per la sopravvivenza, o perché si trovavano nel posto sbagliato nel momento sbagliato in cui i vulcani eruttarono, caddero meteoriti o si verificarono altri eventi devastanti.
Gould ha visto l'incredibile varietà di resti di animali a Burgess e ha ipotizzato che la nostra flora e fauna sarebbero state diverse se la storia fosse cambiata. Ha suggerito che le mutazioni caotiche e le estinzioni di specie, che ha chiamato "incidenti storici", si sarebbero costruite una sopra l'altra, spostando l'evoluzione in una direzione o nell'altra. Secondo Gould, l'esistenza di qualsiasi animale, compreso l'uomo, è un fenomeno raro, la cui ripetizione, nel caso di "riavvolgimento e lancio" del periodo Cambriano, è improbabile. Nel suo libro, Gould si riferisce spesso al lavoro sul fossile di Burgess del paleontologo Simon Conway Morris dell'Università di Cambridge, ma lo stesso scienziato è fortemente in disaccordo con il punto di vista di Gould.
Conway Morris ritiene che nel tempo la selezione naturale costringa gli organismi a subire una serie di adattamenti per riempire le nicchie ecologiche limitate della Terra. Ciò porta al fatto che le specie non imparentate convergono costantemente nella struttura corporea. "Gli animali devono costruirsi secondo i requisiti fisici, chimici e biologici di questo mondo", ha detto. Conway è convinto che tali restrizioni rendano quasi inevitabile che nel caso del "riavvolgimento del nastro" l'evoluzione prima o poi porterebbe alla nascita di organismi simili a quelli che esistono nel nostro mondo. Se i nostri antenati scimmia non avessero sviluppato un cervello e la mente attaccata ad esso, secondo lo scienziato, un altro ramo come i corvi oi delfini potrebbe occupare la nicchia in cui si trova l'uomo adesso. Ma Gould non è d'accordo.
Entrambi gli scienziati riconoscono che la casualità e la convergenza (sviluppo indipendente fino alla comparsa di segni simili - circa un nuovo perché) avvengono nell'evoluzione. Invece, la discussione si concentra su quanto siano unici o ripetibili gli adattamenti chiave come la mente umana. Nel frattempo, altri biologi hanno affrontato il puzzle e hanno mostrato come convergenza e casualità si influenzano a vicenda. Comprendere l'interazione di queste forze può aiutarci a capire se tutto ciò che è vivente è il risultato di 7 miliardi di anni di coincidenze riuscite, o se tutti noi - umani e salamandre - siamo parte dell'inevitabilità, come la morte o le tasse.
Invece di provare a ricreare la storia usando i fossili, Richard Lenski, un biologo evoluzionista presso l'Università del Michigan, ha deciso di osservare i fenomeni di convergenza e casualità in tempo reale nell'ambiente controllato del suo laboratorio. Nel 1988, ha diviso la popolazione di batteri Escherichia coli e li ha collocati in 12 serbatoi separati di terreni di coltura liquidi, consentendo loro di crescere indipendentemente l'uno dall'altro. Da 26 anni, ogni pochi mesi, lui o uno dei suoi studenti ha congelato un lotto di batteri. Questo kit di germi congelati offre a Richard la possibilità di "riavviare il film" del ciclo di vita di E. coli da qualsiasi momento desideri semplicemente scongelando una porzione. Durante l'intero processo, può controllare,come cambiano i batteri - sia in termini di genetica che in termini di ciò che può essere visto solo al microscopio. Lenski spiega: "L'intero esperimento è stato impostato per testare quanto sia ripetibile l'evoluzione".
In 11 serbatoi di Lenski, E. coli è cresciuto di dimensioni, ma i batteri nel dodicesimo campione si sono divisi in due rami indipendenti: uno con cellule grandi, l'altro con cellule piccole. Lenski dice: “Li chiamiamo 'grandi' e 'piccoli'. Convivono già da 50mila generazioni”. Questo non è accaduto in nessun'altra popolazione; quindi, possiamo concludere che si è verificato un evento evolutivamente casuale. E anche 26 anni dopo, nessun altro processo ha ripetuto l'apparizione di un simile ramo. Quindi, in questa situazione, il caso sembra aver prevalso sulla convergenza.
Nel 2003 c'è stato un altro episodio accidentale. Il numero di barre in uno dei serbatoi è aumentato a tal punto che il mezzo di coltura, che normalmente è trasparente, diventa torbido. All'inizio Lenski decise che c'era una normale contaminazione dell'ambiente, ma come si è scoperto, E. coli, che normalmente mangiava solo glucosio disciolto in liquido, sviluppò la capacità di consumare un altro elemento contenuto nei serbatoi: il citrato. Dopo 15 anni e 31.500 generazioni, solo una delle colonie è stata in grado di elaborare questa sostanza. Il numero di batteri in esso contenuto ha iniziato a crescere 5 volte più velocemente rispetto ad altre colonie.
Video promozionale:
Questo "incidente storico" diede a Richard e al suo laureato Zachary Blount l'opportunità di testare la probabilità che un simile evento accadesse di nuovo se "avessero riavvolto il nastro". Blount ha selezionato dallo stoccaggio 72 campioni di bastoncini congelati raccolti in diverse fasi dell'esperimento da una popolazione che è stata in seguito in grado di incorporare il citrato nel suo metabolismo. Li ha scongelati e stimolato la loro riproduzione. Ben presto, 4 campioni su 72 hanno sviluppato la stessa capacità di consumare citrato. È interessante notare che queste mutazioni si sono verificate solo nelle popolazioni congelate dopo un ciclo di 30.500 generazioni. L'analisi genetica ha mostrato che non molto tempo prima, diversi geni hanno subito cambiamenti che hanno contribuito all'emergere dell'evoluzione con il metabolismo del citrato. In altre parole, la capacità di assorbire il citrato dipendeva dal verificarsi di altre mutazioni che lo hanno preceduto. Ha creato una forchettacambiare i possibili percorsi che le generazioni future possono intraprendere.
Conosciuto come esperimento evolutivo a lungo termine, questo progetto E. coli ha attraversato 60.000 generazioni, fornendo a Richard un solido set di dati da cui trarre conclusioni sulle interazioni del caso e della convergenza nell'evoluzione. Sottili cambiamenti nel DNA dei batteri, che li rendono più grandi o più capaci di riprodursi rapidamente, sono diventati eventi frequenti in vari serbatoi. Allo stesso tempo, Lenski è stato testimone di eventi casuali "sorprendenti" in cui qualcosa di completamente diverso dagli altri ha avuto luogo in una delle popolazioni. Ma come nel fenomeno della convergenza, tali trasformazioni non erano del tutto casuali.
"Non tutto è possibile", qualunque sia il processo, Wake spiega: "Gli organismi si sviluppano nel contesto delle caratteristiche ereditate". Gli animali non possono trasmettere mutazioni distruttive o impedire la riproduzione. Nel caso della salamandra Hydromantes, i suoi antenati hanno dovuto superare un limite significativo: per ottenere le loro lingue da tiro, era necessario sacrificare i loro polmoni. Questo perché parte di questo meccanismo si è sviluppato dai muscoli utilizzati dai loro predecessori per pompare aria nei polmoni. Oggi, questo muscolo un tempo piccolo e debole è diventato molto più grande e più forte. Si avvolge come una molla attorno all'osso a forma di cono nella parte posteriore della cavità orale e quando il muscolo si contrae, l'osso crea tensione, che spara alla lingua insieme al suo apparato osseo dalla bocca. Pertanto, gli antenati di Hydromantes non acquisirono solo una mutazione,che si è evoluto in un "linguaggio balistico". Invece, questo adattamento ha seguito una serie di cambiamenti che hanno prima permesso alla creatura di superare la sua dipendenza polmonare dall'ossigeno e di galleggiare sulla superficie dell'acqua. Ogni modifica dipendeva da quella precedente.
I camaleonti, a loro volta, trattennero i polmoni. Piuttosto che armeggiare con la loro anatomia, hanno sviluppato il collagene, consentendo alla lingua di sparare alla preda. A prima vista, le lingue di salamandre e camaleonti sono un esempio di convergenza, ma se guardi da vicino, diventa chiaro che non è così. Un camaleonte impiega 20 millisecondi per sparare, che è il passo di una lumaca rispetto ai cinque millisecondi delle salamandre. Perché i camaleonti imparavano linguaggi così lenti? Risposta: hanno affrontato un ostacolo sulla via dell'evoluzione convergente. La lingua del camaleonte è abbastanza veloce da consentire loro di sopravvivere, ma manca loro la "struttura dei tratti ereditati" per sviluppare l'anatomia balistica più mortale delle salamandre. I camaleonti hanno raggiunto un "picco adattativo", come dicono i biologi.
In esperimenti con virus che infettano batteri - i batteriofagi - il biologo di Harvard David Liu ha anche scoperto picchi adattivi. Questi picchi limitano la capacità degli organismi di convergere su una struttura ottimale. Spiegano perché gli incidenti non accadono spesso.
Liu voleva sapere se gruppi identici di batteriofagi potevano sviluppare indipendentemente lo stesso enzima se fosse applicata loro la stessa pressione evolutiva. Ha accelerato l'evoluzione delle proteine nei virus utilizzando un sistema che ha chiamato PACE.
Durante l'esperimento, i virus che non sono riusciti a produrre un enzima di cui Liu aveva bisogno sono stati rimossi dall'esperimento. Rimasero solo quelli che avevano raggiunto l'obiettivo. Alcuni di loro hanno rivelato l'enzima "migliore" di altri. In questo caso, hanno richiesto l'enzima polimerasi, che rileva una certa sequenza di DNA e la trasforma in RNA, e alcune polimerasi hanno riconosciuto la sequenza più accuratamente di altre. Come il linguaggio relativamente lento dei camaleonti, questi virus hanno sviluppato adattamenti che consentono loro di sopravvivere, ma impediscono loro di ottenere la migliore polimerasi. Alcuni virus si sono bloccati a un picco basso, altri sono saliti più in alto.
Per capire cosa intendono i biologi per picchi adattivi, immagina un'area la cui topografia rappresenta livelli alti e bassi di potenziale riproduttivo. Nel caso dei batteriofagi di Liu, diverse popolazioni hanno studiato l'area, acquisendo diverse mutazioni. Alcuni sono finiti su piccole colline, altri su montagne delle dimensioni dell'Everest. E così hanno iniziato a salire in cima che hanno ottenuto. Dopo aver scalato una montagna bassa, i virus non possono spostarsi su un'altra, più alta. Per fare ciò, dovranno prima tornare indietro, riducendo le loro possibilità di sopravvivenza ad ogni passo. È molto difficile farlo, perché non bisogna dimenticare la sopravvivenza del più adatto. Quale mutazione avverrà prima delle altre - quale picco andrà al corpo - questo è un incidente storico, che l'evoluzione convergente può superare solo con grande difficoltà,se è possibile.
La tempistica della comparsa delle mutazioni è importante. "I primi eventi casuali che creano una differenza nel pool genico possono influenzare in modo significativo se una mutazione benefica può in ultima analisi influenzare la sopravvivenza di un organismo", spiega Liu. "Questi incidenti riducono la ripetibilità dell'evoluzione". In questo esperimento, la casualità ha vinto la convergenza. Gli eventi accaduti hanno impedito il ripetersi.
Un modo in cui la vita può superare i limiti dei picchi adattivi è stato scoperto durante lo studio degli organismi digitali dai biologi informatici Chris Adami e Charles Ofria dell'Università Statale del Michigan. Hanno creato il programma per computer Avida, in cui gli organismi digitali si evolvono alle condizioni stabilite dallo sperimentatore. Gli avidiani mutano, acquisendo e perdendo casualmente righe di codice che consentono loro di risolvere problemi matematici, il che aumenta la loro capacità di riprodursi.
In un esperimento, gli Avidiani avevano il compito di ottenere la capacità di risolvere il complesso problema logico dell '"identità bit per bit". Solo 4 popolazioni digitali su 50 hanno sviluppato il codice necessario per eseguire l'operazione. Tutte le popolazioni di successo hanno ricevuto inizialmente molte mutazioni (righe casuali di codice) che complicano la soluzione di problemi matematici e, quindi, la riproduzione. Per quanto paradossale possa sembrare, Ophria ha scoperto che le prime mutazioni negative giocano un ruolo chiave nel migliorare la forma fisica nelle generazioni successive, probabilmente perché creano diversità genetica da cui possono derivare nuove mutazioni casuali.
La rarità di una qualsiasi delle sequenze di eventi conferma che è improbabile che i grandi cambiamenti nell'evoluzione si ripetano? Sperimentalmente, questo è vero, ma Conway Morris dice fermamente di no. “È sciocco pensare che non ci siano affatto incidenti. L'unica domanda è il tempo. Crede che con abbastanza tempo e genomi di mutazione, la selezione naturale porterà la vita ad adattamenti inevitabili che sono più adatti per la nicchia ecologica degli organismi, indipendentemente dalle possibilità che si presentano. Crede che un giorno tutti i batteri E.coli nell'esperimento di Lenski inizieranno ad assorbire citrato e tutti i virus Liu scaleranno il loro Monte Everest. Inoltre, questi esperimenti sono stati condotti in ambienti molto semplici e controllati, a differenza dei complessi ecosistemi a cui si adatta la vita al di fuori del laboratorio. Difficile da dire,l'influenza del mondo reale avrebbe cambiato gli esperimenti.
Ad oggi, il più grande difetto in tutti i tentativi di rispondere alla domanda del film sulla vita è che i biologi possono trarre conclusioni da una sola biosfera: la Terra. Un incontro con un organismo extraterrestre ci direbbe molto. Anche se gli organismi alieni non hanno DNA, molto probabilmente mostreranno modelli evolutivi simili. Avranno bisogno di materiale da trasmettere ai discendenti, guidando lo sviluppo degli organismi e cambiando nel tempo. Come dice Lenski, "Ciò che è vero per E. coli è vero per i microbi in tutto l'universo".
Pertanto, la stessa interazione tra convergenza e caso può essere osservata su altri pianeti. E se la vita extraterrestre sta subendo una pressione evolutiva da un ambiente simile a quello sperimentato dalla vita terrena, le persone del futuro potrebbero trovare alieni che hanno sviluppato un'intelligenza simile alla nostra. D'altra parte, se gli eventi casuali si accumulano, conducendo la vita lungo percorsi unici, come ha suggerito Gould, la vita extraterrestre può essere insolitamente strana.
Gould credeva che gli esseri umani fossero "un evento evolutivo estremamente improbabile". Come prova, ha sottolineato che nei 2,5 miliardi di anni di vita sulla Terra, l'intelligenza umana è apparsa solo una volta. Considerò che la probabilità che un'altra specie sviluppasse un'intelligenza come la nostra era spettralmente piccola. Dal fatto che potremmo essere l'unica specie intelligente nell'universo, possiamo trarre conclusioni che vanno oltre la biologia. "Alcuni vedono questa possibilità come una ragione per la depressione", ha scritto Gould in The Wonderful Life. "L'ho sempre considerata corroborante, fonte di libertà e, di conseguenza, una responsabilità morale".
Zach Zorich
La traduzione è stata realizzata dal progetto New
