Evoluzione ad albero o a rete? Dipende da cosa studiamo

Evoluzione ad albero o a rete? Dipende da cosa studiamo

L'evoluzione biologica è spesso rappresentata come un albero, una potente metafora introdotta da Charles Darwin per descrivere la diversificazione delle specie nel tempo. I rami che si separano da un tronco comune raccontano la storia della vita che evolve, diverge e si moltiplica. Questa visione rimane assolutamente valida: ogni individuo discende da un altro, e l'insieme degli individui, nel corso del tempo, costruisce una rete di discendenza che assomiglia a un grande albero in espansione. Tuttavia, negli ultimi decenni è diventato evidente che questa immagine non è sufficiente a catturare tutta la complessità dei processi genetici che guidano l'evoluzione. Se la filogenesi degli organismi può essere rappresentata come un albero darwiniano, quella dei loro geni e del loro Dna segue spesso un percorso più intricato e articolato, simile a una rete in cui i rami non rimangono separati, ma si intersecano, si fondono e si scambiano elementi. Contrariamente a quanto si riteneva nel passato, la filogenesi genetica non è una semplice successione lineare, ma un processo reticolare che implica continui scambi di materiale genetico tra linee evolutive diverse.

Immaginate un intricato intreccio biologico, una trama dinamica che si espande con fili che si uniscono e si separano continuamente. L'evoluzione reticolare è proprio questo: una rete di scambi genetici che collega rami dell'albero della vita apparentemente distanti, creando ponti tra specie diverse e permettendo alla natura di sperimentare soluzioni evolutive straordinarie. Questi scambi avvengono attraverso meccanismi che sfidano e superano le barriere tra specie, ridefinendo continuamente i confini del possibile in natura. Uno dei meccanismi più significativi che illustra questo fenomeno è il trasferimento genetico orizzontale, un processo di cui ho spesso scritto su queste pagine, che mette in discussione la tradizionale nozione di ereditarietà verticale. Il trasferimento genetico orizzontale non si limita ai batteri, come inizialmente si pensava, ma si verifica anche negli eucarioti superiori, compresi animali e piante, modificando in modo radicale le loro traiettorie evolutive.

Un esempio eclatante di trasferimento genetico orizzontale è stato documentato tra le piante parassite e i loro ospiti. La Cuscuta, una pianta parassita, è capace di acquisire materiale genetico dalle piante che infesta. Attraverso connessioni fisiche chiamate austori, Cuscuta può trasferire geni dall'ospite a sé stessa, un po' come un hacker che penetra un sistema informatico per rubare informazioni. Questi geni, una volta integrati, conferiscono nuove capacità alla pianta parassita, migliorando la sua efficienza nell'invadere nuove specie ospiti. Un altro esempio significativo riguarda la Rafflesia, una pianta famosa per i suoi enormi fiori e per il suo stile di vita parassita. Studi recenti hanno dimostrato che Rafflesia ha acquisito una parte consistente del suo Dna dalle piante ospiti attraverso il trasferimento genetico orizzontale. I geni trasferiti non sono semplicemente "ornamenti genetici", ma giocano un ruolo fondamentale nel metabolismo della pianta parassita, permettendole di adattarsi al suo stile di vita altamente specializzato. Questo scambio di materiale genetico ha reso Rafflesia estremamente efficiente nell'assorbire nutrienti dal suo ospite, trasformandola in uno dei parassiti vegetali più intriganti del mondo naturale.

Anche i funghi offrono esempi di trasferimento genetico orizzontale particolarmente rilevanti. Ad esempio, il fungo Fusarium oxysporum, un patogeno delle piante, è stato documentato per acquisire interi cluster di geni da altri funghi attraverso il trasferimento genetico orizzontale. Questi cluster di geni conferiscono a Fusarium la capacità di infettare una vasta gamma di ospiti vegetali, aumentando la sua versatilità come patogeno. Questo tipo di adattamento, reso possibile dall'acquisizione di materiale genetico da altri funghi, consente a Fusarium di essere una minaccia significativa per le colture agricole, dimostrando come il trasferimento genetico orizzontale possa influenzare direttamente la dinamica di patogenicità e le relazioni ecologiche tra organismi. Anche gli insetti forniscono esempi evidenti di trasferimento genetico orizzontale. L'afide del pisello (Acyrthosiphon pisum) ha acquisito geni da funghi attraverso questo meccanismo, acquisendo la capacità di produrre carotenoidi, pigmenti normalmente assenti negli animali. Questi pigmenti svolgono un ruolo essenziale nella protezione contro il danno ossidativo, dimostrando ancora una volta come il trasferimento di materiale genetico tra organismi filogeneticamente distanti possa contribuire all'evoluzione di nuove capacità adattative. Un ulteriore esempio fra gli insetti riguarda una cocciniglia (Planococcus citri), che ha acquisito geni batterici per la biosintesi di amminoacidi essenziali, compensando le carenze nutrizionali della sua dieta a base di linfa vegetale.

Anche nei vertebrati esistono esempi che mostrano l'impatto dei processi descritti. Uno dei casi più straordinari riguarda i pesci antartici nototenidi, che hanno sviluppato una capacità unica di produrre proteine "antigelo" per sopravvivere nelle acque dell'Antartico, caratterizzate da temperature sotto lo zero. Le proteine antigelo (AFGP, Antifreeze Glycoproteins) impediscono la formazione di cristalli di ghiaccio nel sangue, garantendo la sopravvivenza in un ambiente altrimenti letale. Recenti hanno dimostrato che i geni per la sintesi delle proteine antigelo nei pesci antartici derivano probabilmente da batteri marini che vivono nello stesso ambiente estremo. Questi batteri avevano già sviluppato meccanismi per prevenire la formazione di ghiaccio e il loro Dna è stato trasferito successivamente a organismi più complessi come piccoli crostacei. Questi crostacei, a loro volta, sono stati preda di pesci di livello superiore nella catena alimentare, portando alla trasmissione di questi geni fino ai pesci nototenidi, in modo indipendente in più specie diverse. Un altro esempio sorprendente di trasferimento genetico orizzontale è stato recentemente riportato riguardo a rane e serpenti. In questo caso, è stato scoperto che alcune specie di rane hanno acquisito segmenti di Dna provenienti dai serpenti. Questo trasferimento è avvenuto tramite parassiti comuni, come zecche e sanguisughe, che agiscono da vettori tra le due specie, trasferendo materiale genetico dai serpenti alle rane durante il loro ciclo di vita. Il Dna acquisito comprende geni associati alla produzione di tossine, che ha conferito alle rane una nuova capacità di difesa contro i predatori.

Uno studio recente sui pipistrelli offre un ulteriore esempio di trasferimento genetico orizzontale nei vertebrati più vicini a noi, i mammiferi. Questo studio ha mostrato che i pipistrelli hanno acquisito geni da diverse fonti, a dimostrazione della capacità del Dna di oltrepassare le barriere filogenetiche più diverse. Un esempio specifico è rappresentato dal trasferimento di geni associati alla resistenza allo stress ossidativo, provenienti da lucertole e incorporati nel genoma di alcuni pipistrelli. Inoltre, lo stesso studio ha documentato il trasferimento di geni da pesci verso pipistrelli, geni che si ritiene siano coinvolti nel metabolismo dei lipidi, una funzione cruciale per ottenere più energia per il volo. A parte il trasferimento genetico orizzontale, un altro meccanismo di evoluzione reticolare rilevante è l'ibridazione tra specie diverse, che consiste nella fusione di materiale genetico da due linee filogenetiche differenti, dando vita a nuove popolazioni con caratteristiche miste. L'ibridazione è particolarmente comune nelle piante superiori e ha portato, ad esempio, all'origine di nuove specie del genere Tragopogon. Queste nuove specie sono emerse dall'ibridazione di specie precedenti, seguita da duplicazioni cromosomiche che hanno stabilizzato il nuovo genoma. Questo processo ha permesso la creazione di combinazioni genetiche uniche, aumentando la diversità adattativa di queste piante.

Negli animali, fenomeni di ibridazione sono stati osservati anche tra diverse specie di anfibi del genere Rana, con individui ibridi che hanno sviluppato tratti favorevoli per l'adattamento a specifici ambienti, mostrando come l'ibridazione possa influenzare la plasticità evolutiva. Nei grandi felini, come leoni e leopardi, l'ibridazione ha portato alla formazione di popolazioni con un mosaico genetico, arricchendo la diversità genetica e contribuendo alla capacità di adattamento a cambiamenti ambientali. Un fenomeno collegato all'ibridazione è l'introgressione, in cui i geni di una specie penetrano nel pool genetico di un'altra attraverso incroci ripetuti. Questo processo, che può verificarsi in seguito a un incrocio iniziale tra due specie e a successivi retro-incroci con una delle specie progenitrici, consente l'integrazione di tratti specifici nella popolazione ricevente. L'introgressione ha giocato un ruolo chiave nell'evoluzione umana: per esempio, molti dei geni Neanderthal e Denisoviani presenti nel genoma degli esseri umani moderni sono il risultato di questo processo. Questi geni hanno avuto un impatto significativo sull'adattamento umano, influenzando aspetti come la resistenza alle malattie e l'adattamento a climi estremi.

L'introgressione non si limita agli esseri umani; altri esempi includono le popolazioni di lupi e cani, che mostrano segni di introgressione tra lupi selvatici e cani domestici. Questo scambio ha probabilmente contribuito alla variabilità genetica e alla plasticità comportamentale osservata nelle moderne popolazioni canine. Analogamente, nei roditori del genere Peromyscus, l'introgressione ha permesso l'acquisizione di tratti adattativi, come una maggiore resistenza a specifici patogeni presenti in determinati ambienti, migliorando la sopravvivenza delle popolazioni nelle regioni di sovrapposizione tra specie diverse. Alla luce di questi e moltissimi esempi ulteriori, è chiaro che sebbene le specie possano ancora essere definite come ai tempi di Darwin (ignorando per un momento la controversa questione della definizione di una specie), seguendo una traiettoria evolutiva che può essere rappresentata come un albero, il loro patrimonio genetico racconta una storia più complessa, in cui gli scambi e le connessioni giocano un ruolo fondamentale nell'evoluzione.

La prospettiva darwiniana catturata nel famoso schizzo di un albero filogenetico e dall’appunto “I think” sui taccuini di Darwin non è dunque invalidata, ma ampliata e approfondita, invitandoci a guardare oltre i rami che divergono a causa del susseguirsi delle generazioni di organismi, osservando i fili genomici che connettono tutta la vita. L'evoluzione reticolare a livello genetico mostra che il cambiamento non avviene solo attraverso la divergenza, ma anche grazie alle connessioni, alle collaborazioni e agli scambi di Dna tra specie diverse, quando non fra regni distanti. La vita, in definitiva, non è solo una storia di separazione e competizione, ma anche di interconnessione, condivisione e integrazione di informazione. Questo, forse, è uno dei messaggi più profondi e affascinanti che l'evoluzione biologica possa insegnarci dopo la rivoluzione molecolare.