Evoluzione

Le maggiori transizioni evolutive

Le maggiori transizioni evolutive

Elia Magrinelli

maggio 16th, 2017

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Che cos’ha provocato le maggiori transizioni evolutive della vita? Quando guardiamo ai fossili e pensiamo agli eventi più significativi della nostra storia evolutiva possiamo sicuramente citare la prima specie di pesce nota in grado di sopravvivere, sebbene temporaneamente, anche fuori dall’acqua, il Tiktaalik. Possiamo sicuramente citare i primi primati che, come noi, potevano camminare su due gambe, l’australopiteco. Sebbene entrambi questi esempi rappresentino un grande cambiamento dal punto di vista dello stile di vita di questi animali, non rappresentano un grandissimo aumento di complessità della vita. La differenza tra creature che camminano su due o quattro zampe sono spesso dovute a piccole variazioni sugli incastri di alcune giunture. Per osservare veri e propri salti evolutivi, chiamati dagli scienziati “maggiori transizioni evolutive” dobbiamo studiare fossili molto più antichi, questo video di “Stated Clearly” ci guida alla scoperta delle tre maggiori transizioni evolutive note ad oggi.

Nel tardo decennio del 1830, l’anatomista Theodor Schwann teorizzò l’idea che il corpo umano, anziché essere un singolo essere vivente, è in realtà un insieme di singole cellule viventi. Ai giorni d’oggi tendiamo a considerare questo fatto come semplice conoscenza di base, ma provate a ponderare sul significato di questo fatto: ciascuno di noi è formato da una colonia di esseri viventi.

resti più antichi di animali pluricellulari risalgono a 600 milioni di anni fa ed appartenevano a primitivi organismi simili a spugne marine. Prima di allora, fino a 3,4 miliardi di anni fa, ogni fossile ritrovato conteneva solo organismi unicellulari suddivisi in tre grandi categorie: batteri e gli archea, entrambe di piccole dimensioni, e gli eucarioti, molto più grandi e complessi rispetto ai primi due, anche se sempre microscopici. Le cellule che costituiscono il nostro corpo, così come quelle che costituirono le prime spugne della storia sono estremamente simili agli eucarioti unicellulari, la più grande differenza è che le nostre cellule non possono più sopravvivere da sole, ma trilioni di cellule lavorano insieme per formare ciascuno di noi.

Il passaggio da forme unicellulari ad organismi pluricellulari costituisce una delle maggiori transizioni evolutive, a conseguenza della quale il nostro corpo può essere considerato sotto due livelli di complessità: ciascuno di noi come individuo e ciascuno di noi come colonia di cellule. Per quanto questo possa già sembrare bizzarro, ci sono realtà ancora più curiose.

Dentro ciascuna cellula eucariota, uni e pluricellulari, esistono piccole strutture chiamate mitocondri. In passato gli scienziati credevano che i mitocondri fossero semplicemente una struttura che faceva parte del resto della cellula, ma verso la fine degli anni ’60, Lynn Margulis, mettendo assieme le scoperte di molti altri colleghi ha dimostrato senza ragionevole dubbio che i mitocondri erano un tempo dei batteri che vivevano in modo indipendente. I mitocondri hanno i loro propri geni e vivono, muoiono e si riproducono indipendentemente dentro le cellule eucariote. I mitocondri si nutrono di molecole che prendono dalle cellule che le ospitano, ma non sono dei parassiti; infatti questi corpuscoli producono a loro volta molecole di ATP, che le cellule eucariote utilizzano come fonte di energia. Se vengono tolti tutti i mitocondri ad una cellula eucariote, questa morirà in un certo arco di tempo. Questa scoperta dimostrò come in realtà siamo formati da non due, ma tre livelli di complessità: ciascuno di noi come individuo, ciascuno di noi come colonia di cellule e ciascuna delle nostre cellule come una comunità di esseri viventi a se stante. Ma per quanto anche questa considerazione possa sembrare profonda, c’è ancora di più.

Dentro ciascuna delle nostre cellule, così come dentro ciascun nostro mitocondrio, vi è un genoma: una vasta collezione di singoli geni che assieme ci permette di crescere, funzionare e riprodurre. All’inizio degli anni ’70, Theodor Diener stava studiando la causa di una malattia delle patate, la malattia da affusolamento del tubero. Il colpevole di questa malattia venne identificato nella più piccola e più semplice struttura in grado di riprodursi che è stata mai descritta e vennero chiamati viroidi. Questi non sono ne cellule ne virus, ma singoli geni in grado di vivere in modo indipendente. Questi viroidi di spostano di pianta in pianta attraverso gli insetti, gli attrezzi agricoli o anche solo il vento e utilizzano la chimica ed in nutrienti presenti nelle piante per potersi riprodurre. L’esistenza dei viroidi suggerisce fortemente che i genomi delle prime cellule presenti sulla terra e di conseguenza i genomi delle nostre cellule oggi, possono essere considerati come un insieme di singoli geni in grado di funzionare in modo coordinato.

A questo punto il nostro organismo può essere considerato secondo quattro livelli di complessità: ciascuno di noi come individuo, ciascuno di noi come colonia di cellule, ciascuna delle nostre cellule come una comunità di esseri viventi a se stante e la collezione di genomi che formano il nostro genoma. Ognuna delle transizioni da un livello di complessità all’altro è avvenuta in una maggiore transizione evolutiva.

Qual’è stata la causa di queste transizioni? In breve la risposta a questa domanda è: la cooperazione. Una maggiore transizione comincia quando un gruppo di individui comincia a formare un gruppo cooperativo. Nelle prime fasi di questa cooperazione, i singoli individui sono ancora in grado di unirsi ed allontanarsi individualmente continuando a sopravvivere. Se un gruppo rimane in cooperazione a lungo potrà evolversi una specializzazione di compiti nei singoli individui. Col passare del tempo ciascun individuo potrebbe diventare così specializzato al punto di non poter più sopravvivere da soli. Quando l’intero gruppo rimane bloccato in questa cooperazione, dipendendo ciascuno dalla funzione specifica dell’altro si forma un nuovo super-organismo, completando la maggiore transizione evolutiva. Da questo momento in poi l’intero gruppo si evolverà assieme all’unisono.

Diversi scienziati, quali John Maynard Smith, Eörs Szathmáry, Stuart West e William Donald Hamilton hanno teorizzato alcuni modelli in grado di descrivere situazioni naturali in grado di spiegare l’insorgere di queste maggiori transizioni evolutive. Usando questi modelli gli scienziati sono riusciti a riprodurre queste situazioni naturali in laboratorio, permettendo così di assistere direttamente l’inizio di queste transizioni. Nel 1998 alcuni ricercatori hanno messo a punto un semplice ecosistema contenente protisti ed alghe unicellulari. I protisti sono in grado di mangiare senza problemi le singole alghe, ma ha difficoltà a mangiare cellule di alghe che erano rimaste unite tra di loro dopo una divisione. In meno di 20 generazioni di questo ecosistema, le alghe avevano evoluto una cooperazione multicellulare formando gruppi di 8 cellule unite tra di loro che i protisti non erano in grado di mangiare. Un altro simile esperimento, pubblicato nel 2012 utilizzava lievito unicellulare e ha mostrato come 32 giorni dopo l’evoluzione di una colonia multicellulare di lievito venivano a crearsi chiare suddivisioni di compiti tra le cellule che si specializzavano in compiti precisi. Questi esperimenti ci mostrano come la transizione da organismi unicellulari a pluricellulari potrebbe essere avvenuta nella storia.

Per quanto riguarda l’unione tra cellule eucariote e mitocondri, nel 2008 venne pubblicato un esperimento nel quale alcuni protisti vennero tenuti in coltura assieme a batteri, loro nutrimento tipico ed alghe, normalmente non mangiate da questo tipo di organismo. Col tempo e forse per caso questi protisti ingoiarono alcune alghe che, non potendo essere digerite, rimasero all’interno del protista dove poterono crescere ed anche riprodursi. Quando lo stesso protista si divideva, entrambe le cellule nate da questa divisione erano in grado di ereditare le alghe presenti nel loro genitore. Dopo i diversi anni nei quali si è protratto questo esperimento, gli scienziato hanno potuto osservare come i protisti che avevano inglobato delle alghe erano in grado di sopravvivere più efficientemente in momenti di scarsità di batteri, nutrendosi dei prodotti di scarto provenienti dalle alghe stesse, in modo molto simile rispetto a quello che avviene tra le nostre cellule ed i mitocondri al loro interno.

In conclusione, che cos’ha provocato le maggiori transizioni evolutive della vita? La risposta è la cooperazione. Queste cooperazioni sono verosimilmente iniziate nel momento in cui un gruppo di organismi ha unito le loro forze per poter meglio sopravvivere e riprodursi. Se protratti abbastanza a lungo, questi eventi di cooperazione danno origine a superorganismi a loro volta in grado di riprodursi ed evolvere all’unisono. Nel percorso che ha portato alla nascita degli animali, così come l’uomo, almeno tre maggiori transizioni evolutive si sono verificate, dando origine a quattro livelli di complessità della vita ed esperimenti nel laboratorio ci hanno permesso di assistere all’inizio di dinamiche simili a queste maggiori transizioni evolutive.

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