Gli scienziati hanno appena scoperto un gene che spiega un esempio di selezione naturale spesso citato nei libri di testo. Questo gene fa diventare nere le falene pepate grigio screziate. Il gene potrebbe anche controllare i cambiamenti di colore delle ali nelle farfalle dalle tinte vivaci.

Un mistero è emerso in Gran Bretagna durante il 1800. Una rivoluzione industriale aveva appena preso piede. Le fabbriche affollate cominciarono a oscurare i cieli con il fumo della combustione del legno e del carbone. L’inquinamento fuligginoso annerì i tronchi degli alberi. In breve tempo, gli scienziati vittoriani notarono un cambiamento anche tra le falene pezzate (Biston betularia). Una nuova forma completamente nera emerse. Venne chiamata B. betularia carbonaria, o la versione “carbone”. La forma più vecchia divenne typica, o la forma tipica.

Gli uccelli erano stati in grado di individuare facilmente le falene pepate di vecchio stile, leggermente colorate, mentre si posavano sui tronchi d’albero anneriti dalla fuliggine. Le loro nuove cugine scure invece si mimetizzavano. Il risultato: quelle carbonarie avevano meno probabilità di essere mangiate.

Non sorprende che il numero di falene chiare abbia iniziato a diminuire mentre i loro cugini scuri aumentavano. Entro il 1970, in alcune regioni inquinate quasi il 99% delle falene pezzate erano ormai nere.

Nel tardo 20° secolo, le cose cominciarono a cambiare. Le leggi per controllare l’inquinamento entrarono gradualmente in vigore. Le aziende non potevano più gettare tanta fuliggine nell’aria. In breve tempo, gli uccelli hanno potuto spiare di nuovo facilmente le falene nere. Ora le falene carbonarie sono diventate rare e le falene typica dominano di nuovo.

L’inquinamento non ha reso le falene nere. Ha solo dato un vantaggio di occultamento alle falene che portavano il cambiamento genetico che rendeva le loro ali nere. E quando l’inquinamento scomparve, scomparve anche il vantaggio delle falene scure.

Ancora, gli scienziati erano perplessi su come le falene nere fossero nate. Fino ad ora, cioè. I ricercatori inglesi hanno rintracciato la differenza tra una falena typica e una falena carbonaria in una modifica genetica. Si verifica nel gene noto come cortex.

Gli scienziati hanno riportato la loro scoperta il 1 giugno in Nature.

Un esempio di evoluzione a cambiamento rapido

I geni contengono le istruzioni che dicono alle cellule cosa fare. Nel corso del tempo, alcuni geni possono cambiare, spesso senza una ragione apparente. Tali cambiamenti sono noti come mutazioni. Questo studio “inizia a svelare esattamente quale sia stata la mutazione originale” che ha prodotto le falene nere, dice Paul Brakefield. È un biologo evolutivo presso l’Università di Cambridge in Inghilterra. La scoperta, dice, “aggiunge un nuovo ed eccitante elemento alla storia.”

I cambiamenti di colore delle ali nelle falene pezzate sono un esempio comune di ciò che gli scienziati chiamano selezione naturale. In essa, gli organismi sviluppano mutazioni casuali. Alcuni dei cambiamenti genetici lasceranno individui più adatti – o adattati – al loro ambiente. Questi individui tenderanno a sopravvivere più spesso. E mentre lo fanno, trasmetteranno la mutazione utile alla loro prole.

Eventualmente, la maggior parte degli individui sopravvissuti porterà quel gene alterato. E se questo accade ad un numero sufficiente di individui, essi possono costituire una nuova specie. Questo è l’evoluzione.

Un altro esempio di adattamento e selezione naturale sono le farfalle che hanno copiato, o imitato, i modelli di colore degli altri. Alcune farfalle sono tossiche per gli uccelli. Gli uccelli hanno imparato a riconoscere i modelli di ali di queste farfalle e ad evitarle. Le farfalle non tossiche possono sviluppare alcune modifiche genetiche che rendono le loro ali simili a quelle delle farfalle tossiche. Gli uccelli evitano i falsi. Questo permette agli imitatori di aumentare di numero.

I dettagli dei cambiamenti genetici dietro gli adattamenti della falena pezzata e della farfalla erano sfuggiti agli scienziati per decenni. Poi, nel 2011, i ricercatori hanno rintracciato i tratti in una regione di geni che esiste sia nelle falene che nelle farfalle. Ancora, quale gene preciso o geni dietro i cambiamenti è rimasto un mistero.

Nelle falene pezzate, la regione di interesse comprendeva circa 400.000 basi di DNA. Le basi sono unità chimiche portatrici di informazioni che compongono il DNA. La regione in questi insetti ospitava 13 geni separati e due microRNA. (I microRNA sono brevi pezzi di RNA che non portano il progetto per la produzione di proteine. Tuttavia, aiutano a controllare la quantità di certe proteine che una cellula produrrà).

Selezionare il cambiamento genico

“Non ci sono davvero geni che gridano, dicendo ‘Sono coinvolto nel patterning delle ali'”, osserva Ilik Saccheri. È un genetista evolutivo presso l’Università di Liverpool in Inghilterra. Ha anche condotto lo studio sulla falena pezzata.

Saccheri e il suo team hanno confrontato quella lunga regione di DNA in una falena nera e tre falene tipiche. I ricercatori hanno trovato 87 punti in cui la falena nera differiva da quelle di colore chiaro. La maggior parte dei cambiamenti erano in singole basi del DNA. Tali varianti genetiche sono note come SNPs. Altri cambiamenti erano aggiunte o cancellazioni di alcune basi del DNA.

Una differenza era un inaspettato tratto di DNA lungo 21.925 basi. In qualche modo si era inserito nella regione. Questo grosso pezzo di DNA conteneva copie multiple di un elemento trasponibile. Come un virus, questi pezzi di DNA si copiano e si inseriscono nel DNA di un ospite.

Il team ha esaminato il DNA di centinaia di altre falene typica. Se una falena di colore chiaro aveva uno dei cambiamenti, questo significava che il cambiamento non era responsabile del suo cugino con le ali nere. Uno per uno, gli scienziati hanno escluso le mutazioni che potrebbero portare alle ali nere. Alla fine, avevano un unico candidato. Era il grande elemento trasponibile che era atterrato nel gene della corteccia.

Ma questo gene saltellante non è atterrato nel DNA che fornisce il modello per fare qualche proteina. Invece è atterrato in un introne. Questo è un tratto di DNA che viene tagliato dopo che il gene viene copiato nell’RNA – e prima che venga prodotta una proteina.

Per essere sicuri che il gene saltante fosse responsabile delle ali nere viste durante la rivoluzione industriale, Saccheri e i suoi collaboratori hanno capito quanto fosse vecchia la mutazione. I ricercatori hanno usato misure storiche di quanto fosse comune l’ala nera nel corso della storia. Con questo, hanno calcolato che il gene saltante è arrivato per la prima volta nell’introne della corteccia nel 1819 circa. Questa tempistica ha dato alla mutazione circa 20-30 generazioni di falene per diffondersi attraverso la popolazione prima che la gente riportasse i primi avvistamenti delle falene nere nel 1848.

Saccheri e i suoi colleghi hanno trovato questo elemento trasponibile in 105 delle 110 falene carbonarie catturate in natura. Non era in nessuna delle 283 falene typica testate. Le altre cinque falene, concludono ora, sono nere a causa di qualche altra variazione genetica sconosciuta.

Bande di farfalle

Un secondo studio nello stesso numero di Nature si è concentrato sulle farfalle Heliconius. Queste bellezze colorate volano in tutte le Americhe. E come le falene pezzate, sono stati modelli di evoluzione dal 1800. Nicola Nadeau ha guidato un gruppo di ricercatori che si è proposto di imparare cosa controlla i colori delle ali in queste farfalle.

Nadeau è un genetista evolutivo dell’Università di Sheffield in Inghilterra. Il suo team era alla ricerca di varianti genetiche associate alla presenza – o assenza – di bande gialle sulle ali. Quella colorazione è importante perché quella banda gialla aiuta alcune specie gustose di farfalle a imitare quelle di cattivo gusto. Fingere di essere la farfalla di cattivo gusto può aiutare quella gustosa a diventare il pranzo di un predatore.

La squadra di Nadeau ha setacciato più di 1 milione di basi del DNA in ciascuna delle cinque specie di Heliconius. Tra queste c’era H. erato favorinus. Gli scienziati hanno trovato 108 SNPs in ogni membro di questa specie che aveva una banda gialla sulle ali posteriori. La maggior parte di questi SNPs erano negli introni del gene della corteccia o all’esterno di quel gene. Le farfalle senza la banda gialla non avevano questi SNPs.

Sono stati trovati altri cambiamenti del DNA intorno al gene cortex che portano a barre gialle sulle ali di altre specie di Heliconius. Questo suggerisce che l’evoluzione ha agito più volte sul gene cortex per striare le ali degli insetti.

Cercando la prova di ciò che fanno i ‘geni saltatori’

La scoperta che lo stesso gene influenza i modelli delle ali nelle farfalle e nelle falene mostra che alcuni geni possono essere punti caldi della selezione naturale, dice Robert Reed. È un biologo evolutivo della Cornell University di Ithaca, N.Y.

Nessuna delle differenze genetiche nelle farfalle o falene pezzate ha cambiato il gene della corteccia stessa. Ciò significa che è possibile che il gene che salta e gli SNP non stiano facendo nulla al gene. I cambiamenti potrebbero essere semplicemente il controllo di un gene diverso. Ma la prova che cortex è davvero il gene su cui la selezione naturale ha agito è forte, dice Reed. “Sarei sorpreso se si sbagliassero”.

Ancora, non è ovvio come il gene della corteccia cambierebbe i modelli delle ali, dice Saccheri. Egli nota che entrambi i team di ricerca sono “ugualmente perplessi su come stia facendo quello che sembra fare”. I team hanno la prova che il gene della corteccia aiuta a determinare quando certe squame delle ali crescono. E nelle farfalle e nelle falene, la tempistica dello sviluppo delle scaglie alari influenza i loro colori, dice Reed. “

Si vedono i colori spuntare quasi come una pittura a numeri.”

Si sviluppano prima le squame gialle, bianche e rosse. Le squame nere arrivano dopo. La corteccia è nota per essere coinvolta anche nella crescita cellulare. Quindi la regolazione dei livelli della proteina che produce può accelerare la crescita delle squame alari. E questo può far sì che le squame diventino colorate. O può rallentare la loro crescita, permettendo loro di diventare nero, i ricercatori ipotizzano.

SNPs, naturalmente, può alterare i geni possono influenzare la colorazione in altri organismi, comprese le persone.

Ma il grande messaggio da portare a casa in tutto questo lavoro, dicono gli scienziati, è come un semplice cambiamento in un singolo gene può fare la differenza nell’aspetto – e talvolta nella sopravvivenza – di una specie quando le condizioni cambiano.

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