La scioccante convergenza evolutiva di specie molto diverse

Scoperto il segreto della bio-batteria dei pesci elettrici [SORPRENDENTE VIDEO]

[1 Luglio 2014]

Science ha pubblicato lo studio “Genomic basis for the convergent evolution of electric organs”, che comprende la prima “bozza” del genoma completo di un’anguilla elettrica Sudamericana, che individua i fattori genetici che hanno portato specie di animali molto diverse tra loro a sviluppare un organo in grado di dare una potentissima scossa.

Un team di ricercatori statunitensi guidato  Michael Sussman dell’Università del  Wisconsin-Madison, Harold Zakon dell’università del Texas- Austin e Manoj Samanta dell’Istituto Systemix, ha identificato le molecole regolatrici coinvolte nei percorsi genetici e dello sviluppo che i pesci elettrici hanno utilizzato per convertire una semplice muscolo in un organo in grado di generare un potente campo elettrico. Si tratta della base genetica per l’organo elettrico, una caratteristica anatomica che si trova solo in alcuni pesci ma che si è evoluto in maniera indipendente almeno una mezza dozzina di volte in ambienti che vanno dalle foreste allagate del Rio delle Amazzoni agli ambienti marini più torbidi.

Sussman, un biochimico che dirige l’UW-Madison Biotechnology Center, che per  primo ha cominciato ad indagare sull’organo elettrico 10 anni fa, spiega che «Questi pesci hanno convertito un muscolo di un organo elettrico. Lo studio pubblicato su Science fornisce la prova per sostenere l’idea che i sei lignaggi di pesci elettrici, ognuno dei quali si è evoluto in modo indipendente, hanno utilizzato essenzialmente gli stessi geni e percorsi di sviluppo e cellulari per realizzare un organo elettrico, necessario per la difesa, la predazione, il nuoto e la comunicazione».

Una delle autrici dello studio, la genetista  Lindsay Traeger dell’Università del Wisconsin, sottolinea: «Quello che è sorprendente è che l’organo elettrico è sorto indipendentemente sei volte nel corso della storia evolutiva» ed il suo collega Jason Gallant, uno zoologo della Michigan State University., aggiunge: «Il risultato sorprendente del nostro studio è che i pesci elettrici sembrano aver utilizzato  la stessa “cassetta degli attrezzi genetica” per costruire il loro organo elettrico,  nonostante il fatto che si sono evoluti in maniera indipendente».

In tutto il mondo, ci sono centinaia di specie di appartenenti a 6 grandi linee evolutive. La loro diversità tassonomica è così grande che lo stesso Charles Darwin citava i pesci elettrici come un chiaro esempio di convergenza evolutiva ergente, cioè quando animali non imparentati evolvono indipendentemente tratti simili per adattarsi a un ambiente particolare o ad una nicchia ecologica.

Il nuovo studio sul genoma completo di un pesce elettrico dell’anguilla elettrica Sudamericana o elettroforo (Electrophorus electricus – nella foto), identifica i fattori genetici ed i percorsi di sviluppo che questi animali hanno utilizzato per creare un organo che, in alcuni casi, può dare una scossa molto più potente di quella che si può prendere da una presa elettrica domestica

All’università del Wisconsin ricordano che «I pesci elettrici hanno sempre affascinato gli esseri umani». Gli antichi Egizi utilizzavano una razza marina elettrica  per una prima forma di elettroterapia per trattare l’epilessia. Molto di ciò che Benjamin Franklin e altri pionieristici scienziati hanno imparato sull’elettricità proveniva da studi sui pesci elettrici. «Solo i vertebrati hanno evoluto questo e solo tra i pesci –  osserva James Albert, un biologo dell’Università della Louisiana e co-autore del nuovo studio . Hanno bisogno dell’acqua come conduttore»

L’organo elettrico viene utilizzato dai pesci in ambienti scuri per comunicare con i loro simili, nuotare,  stordire le prede o come scioccante difesa ed è per questo motivo che probabilmente nel  gigantesco e fangoso Rio delle  Amazzoni e nei suoi affluenti ci sono così tanti pesci elettrici, compresa la più potente di tutte, l’anguilla elettrica, che però non ha nulla a che vedere con le anguille, visto che è imparentata co i pesce gatto. L’anguilla elettrica produce un campo elettrico che arriva fino a 600 volt e questo la rende uno dei predatori fluviali più temibili.  Sussman rivela un altro trucco di questo pesce: «Poiché tutti gli organi interni sono vicino alla testa, il restante 90% cento del pesce è quasi tutto un organo elettrico».

Come mezzo di comunicazione e di navigazione al  buio, la generazione di campi elettrici dei pesci funziona più o meno come l’ecolocalizzazione per i pipistrelli, questi pesci sono animali notturni e la stragrande maggioranza di loro vive sul fondo di un fiume molto fangoso»

Tutte le cellule muscolari hanno un potenziale elettrico e la semplice contrazione di un muscolo rilascia una piccola quantità di tensione, ma  più o meno 100 milioni di anni fa qualche pesce ha cominciato ad amplificare questo potenziale evolvendo le  cellule muscolari in un altro tipo di cellula chiamata electrociti, più grandi, organizzate in sequenza e in grado di produrre tensioni molto più elevate rispetto a quelli utilizzate per far lavorare i muscoli. L’evoluzione ha rimosso la capacità’ delle cellule muscolari di contrarsi e cambiato la distribuzione delle proteine nella membrana cellulare. Ora tutto ciò che fanno gli elettrociti è spingere ioni attraverso una membrana per creare un flusso massiccio di carica positiva.  L'”allineamento in serie” degli elettrociti e la polarità unica di ogni cella consente la «Sommatoria delle tensioni, proprio come le batterie accatastati in serie in una torcia elettrica», spiega ancora Sussman. Il corpo di anguilla contiene molti milioni di queste “pile”  che  lavorano insieme ed emettono contemporaneamente la  loro scarica elettrica.

Oltre al sequenziamento e assemblaggio DNA dal genoma dell’anguilla elettrica, il team statunitense ha prodotto sequenze di proteine ​​dalle cellule degli organi elettrici e dei muscoli scheletrici di altre tre lignaggi di pesci elettrici, utilizzando il sequenziamento e l’analisi del RNA. Uno studio comparativo delle sequenze ha dimostrato che gli organi elettrici nei pesci hanno utilizzato sempre gli stessi strumenti genetici e percorsi cellulari e dello sviluppo per creare autonomamente l’organo elettrico.

Sussman  conclude: «Considero organismi “esotici”  come i pesci elettrici sia una delle meraviglie della natura che un importante “regalo”  per l’umanità. Il nostro studio dimostra che le forze creative della natura e la sua parsimonia, hanno utilizzato gli stessi strumenti genetici e dello sviluppo per  inventare nel  tempo un nuovo tratto adattivo in ambienti molto diversi. Imparando da come la natura fa tutto questo, potremmo essere in grado di manipolare il processo muscolare  in altri organismi e, nel prossimo futuro, forse utilizzare gli strumenti della biologia sintetica per creare elettrociti per la produzione di energia elettrica nei dispositivi bionici all’interno del corpo umano o per usi ai quali non abbiamo ancora pensato».