Controversie come questa sottolineano la possibilità che la cattiva reputazione degli ibridi presenti in natura non sia del tutto giustificata. Storicamente, gli ibridi sono stati spesso associati alla prole sterile o inadatta di incroci disadattivi (come il mulo, nato da un cavallo femmina e da un asino maschio). I naturalisti hanno tradizionalmente visto l’ibridazione in natura come una sorta di colpo di fortuna irrilevante, per lo più raro, senza uscita. Se gli ibridi non sono vitali o fertili o comuni, come potrebbero avere molta influenza sull’evoluzione? Ma mentre gli studi genomici forniscono nuove intuizioni su come le specie si evolvono, i biologi stanno ora vedendo che, sorprendentemente spesso, gli ibridi svolgono un ruolo vitale nel fortificare le specie e aiutarle ad assumere geni utili da parenti stretti.
In breve, gli abbinamenti disadattivi non raccontano la storia completa dell’incrocio. Il trasferimento genetico che avviene tra organismi mentre i loro lignaggi sono divergenti ha una mano nell’emergere di tratti adattivi e nella creazione di nuove specie del tutto. Secondo Arnold, non solo è comune per le specie emergenti riacquistare geni attraverso popolazioni ibride, ” ma è probabilmente il modo più comune in cui l’evoluzione procede, sia che tu stia parlando di virus, piante, batteri o animali.”
Leoni e Tigri e Giaguari, Oh mio!
Più recentemente, le firme di ibridazione sono emerse in studi sull’evoluzione del giaguaro. In un articolo pubblicato il mese scorso su Science Advances, un team di ricercatori provenienti da istituzioni che abbracciano sette paesi ha esaminato i genomi dei cinque membri del genere Panthera, spesso chiamati “grandi felini”: leoni, leopardi, tigri, giaguari e leopardi delle nevi. Gli scienziati hanno sequenziato i genomi del giaguaro e del leopardo per la prima volta e li hanno confrontati con i genomi già esistenti per le altre tre specie, trovando più di 13.000 geni che sono stati condivisi in tutti e cinque. Queste informazioni li hanno aiutati a costruire un albero filogenetico (in sostanza, un albero genealogico per le specie) per descrivere come i diversi animali divergevano da un antenato comune circa 4,6 milioni di anni fa.
Uno dei leader del gruppo, Eduardo Eizirik, biologo ed ecologista della Pontificia Università Cattolica del Rio Grande do Sul in Brasile, ha dedicato gli ultimi 15 anni allo studio del giaguaro. Mentre lui ei suoi colleghi mappavano il suo genoma, lo pettinarono alla ricerca di geni che avrebbero potuto essere responsabili di adattamenti come la grande testa dell’animale e la mascella forte, che probabilmente si sono evoluti per ospitare una dieta di rettili corazzati — permettendo al giaguaro di schiacciare attraverso pelle di alligatore o gusci di tartaruga, per esempio — dopo un evento di estinzione
Alcuni di questi adattamenti, tuttavia, potrebbero non aver avuto origine nel lignaggio jaguar. Il team di Eizirik ha trovato prove di molti incroci tra le diverse specie di Panthera. In un caso, due geni trovati nel giaguaro indicavano una passata ibridazione con il leone, che si sarebbe verificata dopo che i loro percorsi filogenetici si erano biforcati. Entrambi i geni si sono rivelati coinvolti nella formazione del nervo ottico; Eizirik ha ipotizzato che i geni codificassero un miglioramento della visione di cui i giaguari avevano bisogno o potevano sfruttare. Per qualsiasi motivo, la selezione naturale favorì i geni del leone, che presero il posto di quelli che il giaguaro aveva originariamente per quel tratto.
Tale ibridazione illustra il motivo per cui la delineazione del gruppo Eizirik dell’albero evolutivo di Panthera è così degna di nota. “La linea di fondo è che tutto questo è diventato più complesso”, ha detto Eizirik. “Le specie alla fine si separano, ma non è così immediato come la gente spesso direbbe.”Ha aggiunto,” I genomi che abbiamo studiato riflettevano questo mosaico di storie.”
Il concetto di specie biologica
Sebbene i dati di supporto dettagliati e accuratamente analizzati come quelli di Eizirik siano rari, l’idea di fondo che l’ibridazione contribuisca allo sviluppo delle specie non è affatto nuova. I biologi sanno dal 1930 che l’ibridazione si verifica frequentemente nelle piante (è documentata in circa il 25% delle specie di piante da fiore nel solo Regno Unito) e svolge un ruolo importante nella loro evoluzione. In effetti, fu una coppia di botanici che, nel 1938, coniò la frase “ibridazione introgressiva”, o introgressione, per descrivere il modello di ibridazione e il flusso genico che videro nei loro studi. Immagina i membri di due specie-chiamiamoli A e B-che si incrociano per produrre 50-50 prole ibrida con parti uguali di geni da ciascun genitore. Quindi immagina quegli ibridi che si incrociano per riprodursi con i membri della specie A e supponi che la loro prole faccia lo stesso. Molte generazioni dopo, la natura è lasciata con organismi della specie A i cui genomi hanno mantenuto alcuni geni della specie B. Gli studi hanno dimostrato che questo processo potrebbe produrre anche specie vegetali completamente nuove.
Ma le specie animali sembravano più discrete, almeno per un po’. La maggior parte degli zoologi sostenne il concetto di specie biologica proposto nel 1942 dal leggendario biologo Ernst Mayr, che fu uno degli architetti della sintesi moderna, la versione della teoria dell’evoluzione che combinava la selezione naturale di Darwin con la scienza della genetica. Il concetto di specie biologica di Mayr era basato sull’isolamento riproduttivo: una specie era definita come una popolazione che non poteva o non si riproduceva con altre popolazioni. Anche quando le eccezioni a questa regola hanno iniziato ad emergere negli 1970, molti biologi consideravano l’ibridazione troppo rara per essere importante negli animali. “Abbiamo avuto un atteggiamento blinkered,” ha detto James Mallet, un biologo evoluzionista presso l’Università di Harvard. Oggi, ha aggiunto, dicendo che tali ibridazioni non influenzano le ricostruzioni della storia evolutiva o “che questo non è stato utile nell’evoluzione adattativa — non è più sostenibile.”
Questo è particolarmente vero ora che gli strumenti computazionali e genomici dimostrano quanto sia prolifica l’introgressione — anche nella nostra specie. Dal 2009, studi hanno rivelato che circa 50.000 a 60.000 anni fa, alcuni umani moderni che si diffondevano dall’Africa si sono incrociati con i Neanderthal; in seguito lo fecero anche con un altro gruppo umano ancestrale, i Denisovan. In entrambi i casi i bambini si accoppiarono con altri esseri umani moderni, trasmettendoci i geni che avevano acquisito. Allo stato attuale, i ricercatori stimano che alcune popolazioni hanno ereditato 1-2 per cento del loro DNA da Neanderthal, e fino al 6 per cento di esso da Denisovans — frazioni che ammontano a centinaia di geni.
Nel 2012, Mallet ei suoi colleghi hanno mostrato una grande quantità di flusso genico tra due specie ibridanti di farfalla Heliconius. L’anno successivo, hanno stabilito che circa il 40 per cento dei geni in una specie era venuto dall’altra. Il team di Mallet sta ora lavorando con un altro paio di specie di farfalle che si scambiano ancora più dei loro geni: qualcosa come il 98 per cento, ha detto. Solo il restante 2 per cento del genoma trasporta le informazioni che separa la specie e riflette la loro” vera ” traiettoria evolutiva. Una simile sfocatura delle linee di specie è già stata trovata nelle zanzare portatrici di malaria del genere Anopheles.
Anche altri tipi di organismi, da pesci e uccelli a lupi e pecore, sperimentano la loro parte di introgressione. “I confini tra le specie sono ora noti per essere meno rigidi di quanto si pensasse in precedenza”, ha detto Peter Grant, un biologo evoluzionista dell’Università di Princeton che, insieme al suo collega biologo di Princeton (e moglie) Rosemary Grant, ha studiato l’evoluzione dei fringuelli delle Galápagos per decenni. “Le ricostruzioni filogenetiche raffigurano modelli simili a alberi come se ci fosse una chiara barriera tra le specie che sorge istantaneamente e non viene mai violata. Questo può essere fuorviante.”
Arnold concordò. “È una rete di vita”, ha detto, ” piuttosto che un semplice albero della vita biforcante.”Ciò significa anche che è più necessario che mai esaminare l’intero genoma, e non solo i geni selezionati, per comprendere le relazioni evolutive di una specie e generare la filogenesi corretta. E anche questo potrebbe non essere sufficiente. “Potrebbe essere”, ha detto Mallet, ” che alcuni modelli evolutivi effettivi siano ancora completamente irrecuperabili.”
I geni irrequieti si fanno sentire
Gli studi genomici non possono creare un quadro completo dei movimenti introgressivi dei geni. Ogni volta che una specie eredita geni da un’altra, il risultato può essere deleterio, neutro o adattativo. La selezione naturale tende a estirpare il primo, anche se alcuni dei geni che abbiamo ereditato dai Neanderthal, ad esempio, possono essere coinvolti in disturbi come il diabete, l’obesità o la depressione. Le regioni introgresse neutre vanno alla deriva, quindi è possibile che rimangano nel genoma per periodi di tempo molto lunghi senza avere un effetto osservabile.
Ma sono le introgressioni benefiche che affascinano particolarmente i ricercatori. Riprendi il DNA di Neanderthal e Denisovan: quei geni hanno permesso alle persone di adattarsi ai difficili dintorni di luoghi come l’altopiano tibetano, proteggendoli dagli effetti dannosi delle alte quote e della bassa saturazione di ossigeno, che nei non locali possono causare ictus, aborto spontaneo e altri rischi per la salute. Varianti dall’incrocio con gli esseri umani arcaici hanno anche conferito l’immunità a determinate infezioni e reso la pigmentazione della pelle e dei capelli più adatta per i climi eurasiatici.
Anche le farfalle di Mallet riflettono prove di ibridazione adattiva, in particolare con tratti coinvolti nel mimetismo e nell’evitamento dei predatori. I ricercatori avevano osservato che, sebbene la maggior parte delle specie di Heliconius avesse colorazione e motivi delle ali molto divergenti, alcuni avevano una sorprendente somiglianza l’uno con l’altro. I ricercatori credevano che queste specie avessero converguto indipendentemente su questi tratti, ma si scopre che è solo parzialmente corretto. Mallet e altri hanno scoperto che l’introgressione era anche responsabile. Lo stesso vale per i fringuelli delle Galápagos: pezzi dei loro genomi che controllano le caratteristiche, tra cui la dimensione e la forma del becco, sono stati condivisi attraverso l’ibridazione. Ancora una volta, l’evoluzione parallela non può spiegare tutto.
Perché questi effetti si verifichino, il tasso di ibridazione può essere — e molto probabilmente è — molto piccolo. Per le farfalle quasi interamente ibridate di Mallet,” l’occasionale rivolo di un accoppiamento ibrido ogni 1.000 accoppiamenti normali è sufficiente per omogeneizzare completamente i geni tra le specie”, ha detto. “È piuttosto eccitante.”
Poiché questi modelli di introgressione sono diventati sempre più predominanti nella letteratura scientifica, i ricercatori hanno deciso di scoprire le loro conseguenze evolutive. Questi vanno oltre il fatto che la speciazione tende ad essere un processo molto più graduale di quanto spesso sia fatto. “La diversificazione, l’adattamento e l’evoluzione adattiva sembrano davvero essere guidati abbastanza spesso dai geni che si muovono”, ha detto Arnold.
La ricerca fatta da Eizirik e dal suo team costituisce un caso convincente per questo. Intorno al momento in cui si sono verificate le introgressioni geniche analizzate, si stima che le popolazioni di tutte e cinque le specie di Panthera siano diminuite, probabilmente a causa dei cambiamenti climatici. Più piccola è una popolazione, maggiore è la probabilità che una mutazione dannosa venga apposta sul suo genoma. Forse il flusso genico trovato tra le diverse specie, poi, li ha salvati dall’estinzione, fornendo mutazioni adattive e “patch” quelle deleterie. “Questo tipo di infusione di mutazioni genetiche è così grande che può causare un’evoluzione davvero rapida”, ha detto Arnold.
E il processo non finisce con l’accelerare l’evoluzione in una singola specie. L’introgressione adattiva può a sua volta contribuire in modo significativo alla radiazione adattiva, un processo attraverso il quale una specie si diversifica rapidamente in una grande varietà di tipi, che quindi formano nuove stirpi che continuano ad adattarsi indipendentemente. Il caso da manuale può essere trovato nei grandi laghi dell’Africa orientale, che ospitano centinaia e centinaia di specie di ciclidi, un tipo di pesce che si diversificò in esplosioni esplosive (sulla scala temporale evolutiva) da antenati comuni, in gran parte in risposta a cambiamenti climatici e tettonici nel loro ambiente. Oggi, i ciclidi variano ampiamente in forma, comportamento ed ecologia — grazie in gran parte all’ibridazione introgressiva.
I biologi avranno bisogno di molti più anni per capire la piena importanza dell’ibridazione per l’evoluzione. Per esempio, Arnold vuole vedere ulteriori indagini come quelle che sono state fatte su i fringuelli delle Galapagos e i lupi del Parco Nazionale di Yellowstone: comportamentale, metaboliche e altre analisi che rivelano quanto di introgressione è adattivo e quanto è deleterio o neutro, come se adaptive introgressione riguarda solo particolari tipi di geni, o se si agisce in maniera più capillare.
Sfortunatamente, per gli ambientalisti e altri sfidati a gestire la diversità delle specie in pericolo, l’assenza di risposte soddisfacenti pone problemi più immediati. Spesso devono valutare il valore di proteggere le popolazioni ibride selvatiche dai danni che gli ibridi possono fare alle specie consolidate, comprese quelle da cui sono emerse.
La conservazione incerta degli ibridi
Un esempio calzante: Nel 1950, un paio di California bait dealers dalla Salinas Valley, cercando di espandere la loro attività, saltò in un camioncino e decollò verso il Texas centrale e New Mexico. Hanno portato indietro le salamandre tigre sbarrate, che potrebbero crescere fino a più del doppio delle dimensioni della salamandra tigre nativa della California. La nuova specie si rivelò ben presto un bene per i pescatori locali ma un male per l’ecosistema locale: le salamandre introdotte si accoppiarono con i nativi, creando una razza ibrida che poteva superare la specie madre. Ben presto la salamandra tigre della California si trovò in pericolo di essere spazzata via del tutto, e rimane una specie minacciata oggi.