Le lumache si evolvono sotto gli occhi degli scienziati / Snails Evolve Before Scientists' Eyes
Le lumache si evolvono sotto gli occhi degli scienziati / Snails Evolve Before Scientists' Eyes
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Le lumache su un minuscolo isolotto roccioso si sono evolute davanti agli occhi degli scienziati. Le lumache marine sono state reintrodotte dopo che una fioritura di alghe tossiche le ha spazzate via dallo scoglio. Mentre i ricercatori hanno intenzionalmente introdotto una popolazione distinta della stessa specie di lumache, queste si sono evolute fino a somigliare in modo sorprendente alla popolazione persa oltre 30 anni prima. Lo studio, condotto da ricercatori dell'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) e della Norwegian Nord University, è pubblicato su Science Advances .
È il 1988. L'arcipelago di Koster, un gruppo di isole al largo della costa occidentale svedese vicino al confine con la Norvegia, viene colpito da una fioritura particolarmente densa di alghe tossiche, che spazza via le popolazioni di lumache marine. Ma perché mai qualcuno dovrebbe preoccuparsi del destino di un gruppo di lumache su una roccia di tre metri quadrati in mare aperto? A quanto pare, questo evento aprirebbe l'opportunità di prevedere e vedere l'evoluzione svolgersi davanti ai nostri occhi.
In precedenza, le isole ed i loro piccoli scogli intertidali, isolotti rocciosi, ospitavano popolazioni dense e diversificate di lumache marine della specie Littorina saxatilis. Mentre le popolazioni di lumache delle isole più grandi, alcune delle quali erano ridotte a meno dell'1%, sono state ripristinate nel giro di due o quattro anni, diversi scogli non sembravano riuscire a riprendersi da questo duro colpo.
L'ecologa marina Kerstin Johannesson dell'Università di Goteborg, Svezia, vide un'opportunità unica. Nel 1992, reintrodusse le lumache L. saxatilis nel loro habitat perduto di skerry, dando il via ad un esperimento che avrebbe avuto implicazioni di vasta portata più di 30 anni dopo. Ciò consentì ad una collaborazione internazionale guidata da ricercatori dell'Institute of Science and Technology Austria (ISTA), della Nord University, Norvegia, dell'Università di Goteborg, Svezia e dell'Università di Sheffield, Regno Unito, di prevedere ed assistere all'evoluzione in divenire.
Lumache d'onda e lumache granchio
L. saxatilis è una specie comune di lumache marine che si trova lungo le coste del Nord Atlantico, dove diverse popolazioni hanno sviluppato tratti adattati ai loro ambienti. Questi tratti includono dimensioni, forma della conchiglia, colore della conchiglia e comportamento. Le differenze tra questi tratti sono particolarmente evidenti tra il cosiddetto ecotipo Granchio e quello Onda. Queste lumache si sono evolute ripetutamente in luoghi diversi, sia in ambienti esposti alla predazione dei granchi che su rocce esposte alle onde lontano dai granchi. Le lumache Onda sono in genere piccole e hanno una conchiglia sottile con colori e motivi specifici, un'apertura ampia ed arrotondata ed un comportamento audace. Le lumache Granchio, d'altra parte, sono sorprendentemente più grandi, hanno conchiglie più spesse senza motivi e un'apertura più piccola ed allungata. Le lumache Granchio si comportano anche in modo più cauto nel loro ambiente dominato dai predatori.
L'arcipelago svedese di Koster ospita questi due diversi tipi di lumache L. saxatilis, spesso vicine l'una all'altra sulla stessa isola o separate solo da poche centinaia di metri attraverso il mare. Prima della fioritura algale tossica del 1988, le lumache Wave abitavano gli scogli, mentre le coste vicine ospitavano sia le lumache Crab che Wave. Questa stretta vicinanza spaziale si sarebbe rivelata cruciale.
Riscoprire i vecchi tratti
Vedendo che la popolazione di lumache Wave degli scogli era stata completamente spazzata via a causa delle alghe tossiche, Johannesson decise nel 1992 di reintrodurre le lumache in uno di questi scogli, ma dell'ecotipo Crab. Con una o due generazioni all'anno, si aspettava giustamente che le lumache Crab si adattassero al loro nuovo ambiente davanti agli occhi degli scienziati. "I nostri colleghi hanno visto le prove dell'adattamento delle lumache già entro il primo decennio dell'esperimento", afferma Diego Garcia Castillo, uno studente laureato del Barton Group presso l'ISTA ed uno degli autori che hanno guidato lo studio. "Nei 30 anni dell'esperimento, siamo stati in grado di prevedere in modo robusto come sarebbero state le lumache e quali regioni genetiche sarebbero state implicate. La trasformazione è stata sia rapida che drammatica", aggiunge.
Tuttavia, le lumache non hanno sviluppato questi tratti interamente da zero. L'autrice correlata Anja Marie Westram, ex postdoc presso l'ISTA e attualmente ricercatrice presso la Nord University, spiega: "Parte della diversità genetica era già disponibile nella popolazione iniziale di granchi, ma a bassa prevalenza. Questo perché la specie aveva sperimentato condizioni simili nel recente passato. L'accesso delle lumache ad un ampio pool genetico ha guidato questa rapida evoluzione".
La diversità è la chiave per l’adattamento
Nel corso degli anni dell'esperimento, il gruppo ha esaminato tre aspetti: il fenotipo delle lumache, le variabilità genetiche individuali ed i cambiamenti genetici più ampi che interessano intere regioni dei cromosomi, chiamati "inversioni cromosomiche".
Nelle prime generazioni, i ricercatori hanno assistito ad un fenomeno interessante chiamato "plasticità fenotipica": subito dopo il trapianto, le lumache hanno modificato la loro forma per adattarsi al nuovo ambiente. Ma la popolazione ha anche iniziato rapidamente a cambiare geneticamente. I ricercatori hanno potuto prevedere l'entità e la direzione dei cambiamenti genetici, in particolare per le inversioni cromosomiche. Hanno dimostrato che la rapida e drammatica trasformazione delle lumache era probabilmente dovuta a due processi complementari: una rapida selezione di tratti già presenti a bassa frequenza nella popolazione di lumache Crab trapiantate ed il flusso genico dalle vicine lumache Wave che avrebbero potuto semplicemente percorrere oltre 160 metri per raggiungere lo scoglio.
L'evoluzione di fronte all'inquinamento ed al cambiamento climatico
In teoria, gli scienziati sanno che una specie con una variazione genetica sufficientemente elevata può adattarsi più rapidamente al cambiamento. Tuttavia, pochi studi hanno mirato a sperimentare l'evoluzione nel tempo in natura. "Questo lavoro ci consente di osservare più da vicino l'evoluzione ripetuta e di prevedere come una popolazione potrebbe sviluppare tratti che si sono evoluti separatamente in passato in condizioni simili", afferma Garcia Castillo.
Il gruppo ora vuole scoprire come le specie possono adattarsi alle sfide ambientali moderne come l'inquinamento ed il cambiamento climatico. "Non tutte le specie hanno accesso a grandi pool genetici e sviluppare nuovi tratti da zero è noiosamente lento. L'adattamento è molto complesso ed il nostro pianeta sta anche affrontando cambiamenti complessi con episodi di condizioni meteorologiche estreme, cambiamenti climatici in rapido avanzamento, inquinamento e nuovi parassiti", afferma Westram. Spera che questo lavoro stimoli ulteriori ricerche sul mantenimento di specie con ampi e diversificati corredi genetici. "Forse questa ricerca aiuta a convincere le persone a proteggere una gamma di habitat naturali in modo che le specie non perdano la loro variazione genetica", conclude Westram.
Oggi le lumache che Johannesson portò sullo scoglio nel 1992 hanno raggiunto una fiorente popolazione di circa 1.000 individui.
ENGLISH
Snails on a tiny rocky islet evolved before scientists’ eyes over 30 years.
Snails on a tiny rocky islet evolved before scientists’ eyes. The marine snails were reintroduced after a toxic algal bloom wiped them out from the skerry. While the researchers intentionally brought in a distinct population of the same snail species, these evolved to strikingly resemble the population lost over 30 years prior. The study, led by researchers from the Institute of Science and Technology Austria (ISTA) and the Norwegian Nord University, is published in Science Advances.
It is 1988. The Koster archipelago, a group of islands off the Swedish west coast near the border with Norway, is hit by a particularly dense bloom of toxic algae, wiping out marine snail populations. But why would anyone care about the fate of a bunch of snails on a three-square-meter rock in the open sea? As it turns out, this event would open up the opportunity to predict and see evolution unfolding before our eyes.
Before, the islands and their small intertidal skerries—rocky islets—were home to dense and diverse populations of marine snails of the species Littorina saxatilis. While the snail populations of the larger islands—some of which were reduced to less than 1%—were restored within two to four years, several skerries could not seem to recover from this harsh blow.
Marine ecologist Kerstin Johannesson from the University of Gothenburg, Sweden, saw a unique opportunity. In 1992, she re-introduced L. saxatilis snails to their lost skerry habitat—starting an experiment that would have far-reaching implications more than 30 years later. It allowed an international collaboration led by researchers from the Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Nord University, Norway, the University of Gothenburg, Sweden, and The University of Sheffield, UK, to predict and witness evolution in the making.
Wave snails and Crab snails
L. saxatilis is a common species of marine snails found throughout the North Atlantic shores, where different populations evolved traits adapted to their environments. These traits include size, shell shape, shell color, and behavior. The differences among these traits are particularly striking between the so-called Crab- and Wave-ecotype. These snails have evolved repeatedly in different locations, either in environments exposed to crab predation or on wave-exposed rocks away from crabs. Wave snails are typically small, and have a thin shell with specific colors and patterns, a large and rounded aperture, and bold behavior. Crab snails, on the other hand, are strikingly larger, have thicker shells without patterns, and a smaller and more elongated aperture. Crab snails also behave more warily in their predator-dominated environment.
The Swedish Koster archipelago is home to these two different L. saxatilis snail types, often neighboring one another on the same island or only separated by a few hundred meters across the sea. Before the toxic algal bloom of 1988, Wave snails inhabited the skerries, while nearby shores were home to both Crab and Wave snails. This close spatial proximity would prove crucial.
Rediscovering old traits
Seeing that the Wave snail population of the skerries was entirely wiped out due to the toxic algae, Johannesson decided in 1992 to reintroduce snails to one of these skerries, but of the Crab-ecotype. With one to two generations each year, she rightfully expected the Crab snails to adapt to their new environment before scientists’ eyes. “Our colleagues saw evidence of the snails’ adaptation already within the first decade of the experiment,” says Diego Garcia Castillo, a graduate student in the Barton Group at ISTA and one of the authors leading the study. “Over the experiment’s 30 years, we were able to predict robustly what the snails will look like and which genetic regions will be implicated. The transformation was both rapid and dramatic,” he adds.
However, the snails did not evolve these traits entirely from scratch. Co-corresponding author Anja Marie Westram, a former postdoc at ISTA and currently a researcher at Nord University, explains, “Some of the genetic diversity was already available in the starting Crab population but at low prevalence. This is because the species had experienced similar conditions in the recent past. The snails’ access to a large gene pool drove this rapid evolution.”
Diversity is key to adaptation
The team examined three aspects over the years of the experiment: the snails’ phenotype, individual gene variabilities, and larger genetic changes affecting entire regions of the chromosomes called “chromosomal inversions”.
In the first few generations, the researchers witnessed an interesting phenomenon called “phenotypic plasticity”: Very soon after their transplantation, the snails modified their shape to adjust to their new environment. But the population also quickly started to change genetically. The researchers could predict the extent and direction of the genetic changes, especially for the chromosomal inversions. They showed that the snails’ rapid and dramatic transformation was possibly due to two complementary processes: A fast selection of traits already present at a low frequency in the transplanted Crab snail population and gene flow from neighboring Wave snails that could have simply rafted over 160 meters to reach the skerry.
Evolution in the face of pollution and climate change
In theory, scientists know that a species with high enough genetic variation can adapt more rapidly to change. However, few studies aimed to experiment with evolution over time in the wild. “This work allows us to have a closer look at repeated evolution and predict how a population could develop traits that have evolved separately in the past under similar conditions,” says Garcia Castillo.
The team now wants to learn how species can adapt to modern environmental challenges such as pollution and climate change. “Not all species have access to large gene pools and evolving new traits from scratch is tediously slow. Adaptation is very complex and our planet is also facing complex changes with episodes of weather extremes, rapidly advancing climate change, pollution, and new parasites,” says Westram. She hopes this work will drive further research on maintaining species with large and diverse genetic makeups. “Perhaps this research helps convince people to protect a range of natural habitats so that species do not lose their genetic variation,” Westram concludes.
Now, the snails Johannesson brought to the skerry in 1992 have reached a thriving population of around 1,000 individuals.
Da:
https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/snails-evolve-before-scientists-eyes-392050
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