Quando Leonid Moroz, un neuroscienziato del Whitney Laboratory for Marine Bioscience a St. Augustine, in Florida, ha iniziato a studiare le gelatine a pettine, era perplesso. Sapeva che le creature marine primitive avevano cellule nervose – responsabili, tra l’altro, di orchestrare il guizzo dei loro tentacoli e il battito delle loro ciglia iridescenti. Ma questi neuroni sembravano essere invisibili. I coloranti che gli scienziati usano di solito per colorare e studiare queste cellule semplicemente non funzionavano. L’anatomia neurale delle gelatine a pettine non assomigliava a nessun’altra cosa che avesse mai incontrato.
Dopo anni di studi, pensa di sapere perché. Secondo la biologia evolutiva tradizionale, i neuroni si sono evoluti solo una volta, centinaia di milioni di anni fa, probabilmente dopo che le spugne marine si sono ramificate dall’albero evolutivo. Ma Moroz pensa che sia successo due volte – una volta negli antenati delle gelatine a pettine, che si sono separati all’incirca nello stesso periodo delle spugne marine, e una volta negli animali che hanno dato origine alle meduse e a tutti gli animali successivi, compresi noi. Cita come prova il fatto che le gelatine a pettine hanno un sistema neurale relativamente alieno, che impiega sostanze chimiche e architettura diverse dalle nostre. “Quando guardiamo il genoma e altre informazioni, vediamo non solo una grammatica diversa ma un alfabeto diverso”, ha detto Moroz.
Quando Moroz ha proposto la sua teoria, i biologi evolutivi erano scettici. I neuroni sono il tipo di cellula più complesso che esista, sostenevano i critici, capaci di catturare informazioni, fare calcoli ed eseguire decisioni. Poiché sono così complicati, è improbabile che si siano evoluti due volte.
Ma un nuovo supporto all’idea di Moroz viene da un recente lavoro genetico che suggerisce che le gelatine a pettine sono antiche – il primo gruppo a diramarsi dall’albero della famiglia animale. Se fosse vero, questo rafforzerebbe la possibilità che si siano evoluti i neuroni da soli.
Il dibattito ha generato un intenso interesse tra i biologi evolutivi. Il lavoro di Moroz non solo mette in discussione le origini del cervello e la storia evolutiva degli animali. Sfida anche l’idea profondamente radicata che l’evoluzione procede costantemente in avanti, costruendo la complessità nel tempo.
La prima scissione
Da qualche parte, intorno ai 540 milioni di anni fa, l’oceano era pronto per un’esplosione di vita animale. L’antenato comune di tutti gli animali vagava per i mari, pronto a diversificarsi nella ricca panoplia di fauna che vediamo oggi.
Gli scienziati hanno a lungo supposto che le spugne furono le prime a separarsi dal tronco principale dell’albero genealogico animale. Sono una delle classi più semplici di animali, senza strutture specializzate, come nervi o un sistema digestivo. Più tardi, come si crede generalmente, il resto della stirpe animale si divise in gelatine a pettine, note anche come ctenofori (pronunciato TEN-oh-fours); cnidari (meduse, coralli e anemoni); animali multicellulari molto semplici chiamati placozoi; e infine bilateri, il ramo che ha portato agli insetti, agli esseri umani e a tutto il resto.
Ma stabilire l’ordine esatto in cui i primi rami animali si sono divisi è stato un problema notoriamente spinoso. Abbiamo poco senso di come erano gli animali tanti milioni di anni fa, perché i loro corpi morbidi hanno lasciato poche prove tangibili nelle rocce. “La documentazione fossile è lacunosa”, ha detto Linda Holland, una biologa evolutiva della Scripps Institution of Oceanography dell’Università della California, San Diego.
Per compensare la nostra incapacità di vedere nel passato, gli scienziati usano la morfologia (struttura) e la genetica degli animali viventi per cercare di ricostruire le relazioni di quelli antichi. Ma nel caso delle gelatine a pettine, lo studio degli animali viventi presenta serie sfide.
Si sa poco della biologia di base delle gelatine a pettine. Gli animali sono incredibilmente fragili, spesso cadono a pezzi una volta catturati in una rete. Ed è difficile allevarli in cattività, rendendo quasi impossibile fare gli esperimenti di routine che gli scienziati potrebbero eseguire su altri animali.
Per molto tempo si è pensato che le gelatine a pettine fossero strettamente legate alle meduse. Con la loro pianta simmetrica del corpo e la loro composizione gelatinosa, le due specie si assomigliano esteriormente. Ma gli animali nuotano e cacciano in modo diverso – le meduse hanno tentacoli urticanti, mentre le gelatine a pettine ne hanno di appiccicosi. E a livello di genoma, le gelatine a pettine sono più vicine alle spugne, che non hanno alcun sistema nervoso.
Nelle gelatine a pettine o in qualsiasi altro animale, un’analisi evolutiva che si basa sulla morfologia potrebbe portare ad un albero evolutivo, mentre una che utilizza dati genomici, o anche diversi tipi di dati genomici, potrebbe portare ad un altro. Le discrepanze spesso scatenano un acceso dibattito nel campo.
Uno di questi dibattiti è emerso nel 2008, quando Mark Martindale, ora direttore del Whitney Laboratory, Gonzalo Giribet, un biologo evolutivo dell’Università di Harvard, e collaboratori hanno pubblicato uno studio che analizzava le sequenze genetiche di 29 diversi animali. Dopo aver considerato i dati genetici, i ricercatori hanno proposto una serie di modifiche all’albero degli animali.
Di gran lunga il più controverso di questi cambiamenti è stato il suggerimento che gli ctenofori dovrebbero sostituire le spugne come il primo ramo degli animali. Se l’evoluzione aumenta la complessità nel tempo, come i biologi hanno tradizionalmente creduto, allora un organismo apparentemente semplice come la spugna dovrebbe precedere un organismo apparentemente più complesso come la gelatina a pettine. I dati genetici di Martindale e Giribet suggerivano il contrario, ma i critici erano dubbiosi. “Siamo stati praticamente ridicolizzati dall’intera comunità scientifica”, ha detto Martindale.
Martindale e i suoi collaboratori avevano bisogno di raccogliere più prove per la loro proposta. Hanno convinto il National Institutes of Health a sequenziare il genoma di una gelatina di pettine, la noce di mare, che è stato pubblicato su Science nel 2013. Moroz e i suoi collaboratori hanno pubblicato un secondo genoma di ctenoforo, l’uva spina di mare, su Nature nel 2014. Entrambi gli articoli, che hanno impiegato dati più estesi e metodi di analisi più sofisticati rispetto allo sforzo del 2008, sostengono l’albero degli ctenofori. Un terzo documento che analizza i dati del genoma pubblicamente disponibili e pubblicato sul server di preprint biorxiv.org all’inizio di quest’anno supporta anche l’idea che le gelatine a pettine si siano ramificate per prime.
Alla luce delle nuove prove, gli scienziati stanno iniziando a prendere sul serio l’idea, anche se molti nel campo dicono che non ci sono abbastanza dati per fare affermazioni forti. Questo punto di vista si è riflesso in una raffica di articoli di revisione pubblicati nel corso dell’ultimo anno, molti dei quali sostengono che le gelatine a pettine non sono davvero il ramo più antico, ma sembrano esserlo.
Le gelatine a pettine si sono evolute più rapidamente degli altri gruppi di animali antichi, il che significa che le loro sequenze genetiche sono cambiate rapidamente nel tempo. Questo a sua volta significa che l’analisi genetica del loro posto nell’albero evolutivo potrebbe essere soggetta a un artefatto computazionale chiamato “attrazione di ramo lungo”, una sorta di inconveniente che può tirare organismi in rapida evoluzione alla base dell’albero. “I gruppi di animali a lunga ramificazione sono spesso difficili da collocare”, ha detto Detlev Arendt, un biologo evolutivo presso il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare in Germania. “Finora, i dati filogenetici non sono davvero conclusivi su dove appartengono.”
Gli scienziati sperano che più dati – compresi i genomi di ulteriori specie di ctenoforo – contribuiranno a risolvere i rami più profondi dell’albero animale. E questo, a sua volta, potrebbe avere profonde implicazioni per la nostra comprensione dei neuroni e della loro provenienza. “L’ordine di ramificazione ha una grande influenza su come interpretiamo l’evoluzione del sistema nervoso”, ha detto Gáspár Jékely, un biologo al Max Planck Institute for Developmental Biology in Germania.
Infatti, anche coloro che sono d’accordo che le gelatine a pettine sono venute per prime non sono d’accordo sulla questione di come i neuroni sono sorti.
La scintilla del pensiero
La creazione dei neuroni è stato un evento notevole nell’evoluzione animale. Queste cellule possono comunicare – ricevendo, trasmettendo ed elaborando informazioni usando un preciso linguaggio chimico ed elettrico. Il loro potere deriva dalla complessa rete che creano. “Un singolo neurone è come il suono di una mano che batte le mani”, ha detto Martindale. “L’idea è che se ne metti insieme un mucchio, essi possono fare cose che poche cellule singole non possono fare”. Devono nascere meccanismi che non solo collegano fisicamente le cellule, ma permettono loro di trasmettere e interpretare i segnali. “La ragione per cui la maggior parte delle persone non pensa che possano essersi evoluti più volte è l’idea che i neuroni parlino – in particolare con altri neuroni”, ha detto Martindale.
Questo è ciò che rende la proposta di Moroz – che i neuroni si sono evoluti due volte, una volta nelle gelatine a pettine e una volta in altri animali – così controversa.
Secondo la versione di Moroz dell’albero evolutivo, gli animali hanno iniziato con un antenato comune che non aveva neuroni. Le gelatine di pettine si sono poi separate e hanno sviluppato il loro strano tipo di neuroni. Dopo di che, gli antenati delle spugne e dei placozoi si sono ramificati. Come i loro antenati, mancavano di neuroni. I neuroni rudimentali, o protoneuroni, si sono poi evoluti una seconda volta negli antenati delle meduse e dei bilateri, formando la base del sistema nervoso che si trova in tutti i successivi discendenti, compresi gli umani. “A mio parere, è più semplice e realistico che l’antenato comune non avesse un sistema nervoso”, ha detto Moroz. (Pensa che anche se le gelatine a pettine si sono divise dopo le spugne, si sono comunque evolute indipendentemente dai neuroni).
Ma alcuni scienziati che credono che gli ctenofori si siano divisi per primi dipingono un quadro diverso. Essi suggeriscono che l’antenato comune a tutti gli animali aveva un sistema nervoso semplice, che le spugne hanno poi perso. Le gelatine a pettine e il ramo rimanente, che comprende i nostri antenati, i bilateri, hanno costruito su quei protoneuroni in modi diversi, sviluppando sistemi nervosi sempre più sofisticati.
“L’idea degli ctenofori, se corretta, suggerisce qualcosa di veramente interessante”, ha detto Christopher Lowe, un biologo della Hopkins Marine Station presso la Stanford University. “Entrambe le interpretazioni sono profonde”. Da un lato, due origini indipendenti dei neuroni sarebbero sorprendenti perché sembra improbabile che la precisa sequenza di incidenti genetici che ha creato i neuroni potrebbe accadere più di una volta. Ma sembra anche improbabile che le spugne perdano qualcosa di così prezioso come un neurone. “L’unico esempio che conosciamo dai bilateri dove il sistema nervoso è stato perso completamente è nei parassiti”, ha detto Lowe.
Le due possibilità riflettono un classico enigma per i biologi evolutivi. “Questo animale ha perso qualcosa o non l’ha avuto per cominciare?” Ha detto Holland. In questo caso particolare, “trovo difficile prendere una posizione”, ha detto.
L’evoluzione è piena di esempi sia di perdita che di evoluzione parallela. Alcuni vermi e altri animali si sono liberati di molecole di regolazione o di geni dello sviluppo impiegati dal resto del regno animale. “Non è senza precedenti che importanti complementi di geni siano persi nei principali lignaggi animali”, ha detto Lowe. L’evoluzione convergente, in cui la selezione naturale produce due strutture simili in modo indipendente, è abbastanza comune in natura. La retina, per esempio, si è evoluta indipendentemente diverse volte. “Animali diversi a volte usano strumenti estremamente diversi per fare neuroni, circuiti e cervelli morfologicamente simili”, ha detto Moroz. “Tutti accettano il caso dell’occhio, ma pensano che il cervello o il neurone sia successo solo una volta.”
La prova principale di Moroz per un’origine indipendente dei neuroni nelle gelatine a pettine viene dal loro insolito sistema nervoso. “Il sistema nervoso dello ctenoforo è drammaticamente diverso da qualsiasi altro sistema nervoso”, ha detto Andrea Kohn, un biologo molecolare che lavora con Moroz. Le gelatine di pettine sembrano mancare dei messaggeri chimici comunemente usati dagli altri animali, come la serotonina, la dopamina e l’acetilcolina. (Usano il glutammato, una molecola semplice che gioca un ruolo importante nella segnalazione neuronale negli animali). Invece, hanno geni che sono previsti per produrre una serie di peptidi neurali, piccole proteine che possono anche agire come messaggeri chimici. “Nessun altro animale, tranne che in questo phylum, ha qualcosa di simile”, ha detto Kohn.
Ma i critici mettono in discussione anche questa affermazione. Forse le gelatine a pettine hanno davvero i geni per la serotonina e altre molecole di segnalazione neurale, ma quei geni si sono evoluti oltre il riconoscimento, ha detto Arendt. “
Scienziati da tutte le parti del dibattito dicono che si può rispondere solo con più dati e, soprattutto, una migliore comprensione della biologia delle gelatine a pettine. Anche se condividono alcuni geni con organismi modello, come topi e moscerini della frutta, non è chiaro cosa fanno questi geni nelle gelatine a pettine. Né gli scienziati capiscono la loro biologia cellulare di base, come i neuroni delle gelatine a pettine comunicano.
Ma il dibattito in corso ha acceso l’interesse per gli ctenofori, e più ricercatori stanno studiando i loro sistemi nervosi, lo sviluppo e i geni. “Moroz e collaboratori hanno fatto luce su questa parte dell’albero, il che è una buona cosa”, ha detto Holland. “Non dovremmo ignorare quei ragazzi laggiù.”
Correzione del 26 marzo 2015: Una didascalia originale che descriveva due gelatine di pettine ha invertito le loro posizioni. L’uva spina di mare è a sinistra, la gelatina a pettine lobato a destra.
Questo articolo è stato ristampato su BusinessInsider.com.