Specie, evoluzione ed elettricità. Per il Carnevale della Chimica VII

Questo post fa parte del Carnevale della chimica n° VII, che ha per soggetto l'elettricità. L'ho forse presa un po' alla lontana, visto che non sono un chimico, ma mettere insieme la generazioni di segnali elettrici e l'evoluzione era uno stimolo troppo forte. È anche un modo per non dimenticare che tra un po' ci sarà anche un'altra puntata del carnevale della biodiversità - una specie di intrusione, o contaminazione, tra i Carnevali. Ed eccoci qua.

Come sanno tutti coloro che hanno visto i film dell'orrore in cui una malcapitata vittima è uccisa dal phon nella vasca da bagno (perché tenere un phon acceso vicino alla vasca da bagno?), elettricità e acqua non vanno molto d'accordo. Eppure ci sono schiere di pesci che utilizzano le scariche elettriche per i loro scopi. Si pensava che il primo uso fosse quello di difesa: una bella scarica e il nemico (o la preda) è servita. Ma come spesso accade in natura, la prima impressione conta molto poco. È probabile infatti che queste specie, che vivono sia in mare sia in acqua dolce (l'ultimo conteggio arriva a quasi 350 specie) abbiano sviluppato il sistema soprattutto per comunicare; partendo da cellule che i campi elettrici li percepiscono, forse. Nelle acque torbide dove vivono queste specie, la vista non funziona bene e le molecole che colpiscono l'olfatto tendono a disperdersi troppo nell'acqua. Dal "normale" utilizzo della conduzione elettrica (presente anche nei nostri muscoli) alla generazione di deboli campi elettrici percepibili anche "fuori" dal corpo il passo potrebbe essere stato breve. E da lì era solo questione di tempo perché aumentasse la potenza della scarica, fino a far diventare un elettroforo o una Torpedo una specie decisamente pericolosa (a volte anche per l'uomo). Ma se le scariche di qualche centinaia di volt impressionano, è il primo passo, quello della comunicazione e della percezione dell'ambiente, che interessa di più il biologo evoluzionista. Se due individui si parlano grazie a deboli scariche, perché non pensare che in un modo o nell'altro ci sia una specie di divisione in dialetti anche nelle "lingue elettriche"? E quali possono essere le conseguenze di questa divisione in dialetti?

La domanda se la sono posta anche alcuni studiosi americani, che hanno preso in esame una famiglia di pesci africani, i Mormiridi (sono le specie qua sopra, suddivise nelle due sottofamiglie di Mormyrinae e Petrocephalinae), che hanno caratteristiche interessanti per lo studio. Prima di tutto sono tante specie (più di 200), poi comunicano tutti usando segnali elettrici brevi e specie-specifici (cioè caratteristiche di ogni specie). Infine gli animali usano un'area ben precisa del cervello per gestire il segnale. C'è una cosa curiosa, però, in questi pesci. Come vedete anche nel disegno accanto, a una prima analisi la loro forma è quasi identica e quelle che variano sono le dimensioni; ma, come ancora si vede dalla traccia vicino a ogni specie, le variazioni della traccia stessa sono parecchio più rilevanti delle variazioni nella forma. E questo ha fatto pensare che l'evoluzione del segnale possa aver spinto all'evoluzione delle specie (come se tribù vicine di uomini si fossero separate non in base a gusti o difficoltà di comunicazione, ma solo in base al linguaggio). In più, e qui come sempre c'entra il sesso, i segnali sono fondamentali nel riconoscimento dei partner - solo se la risposta è "consona" alla domanda, i due si accoppiano. Il segnale stesso, per pure ragioni evolutive, dev'essere quindi molto preciso. Ma come si raggiunge questa precisione? Con alcuni "organi di senso elettrico", in particolare un tipo che chiama knollenorgan (che forse vuol dire "organo a tubero", dal tedesco, nell'immagine da Science*** qui accanto vedete la loro distribuzione. Ne riparleremo sotto). Qui trovate tutto quello che volete sapere sui suddetti knollenorgan. Che sono come dice il sito citato estremamente sensibili alle forme d'onda degli organi che producono l'elettricità - negli altri pesci della stessa specie - e sono sensibili solo per così dire all'attacco del campo elettrico esterno ma soprattutto la loro miglior frequenza di discriminazione è quella centrata sulla frequenza di picco dello spettro della specie.

Ma diventare sensibili ed estremamente discriminanti non è che il primo passo; quello successivo è l'elaborazione del segnale, che avviene ovviamente nel cervello, e in particolare in una zona chiamata nucleo exterolaterale. Che, in un clade di mormiridi in particolare (è quello composto da tutte le specie di una sottofamiglia, meno una - vedi immagine sotto da Science***, che è particolarmente grande e complessa), è diviso in due parti (ELa ed Elp e nell'immagine si capisce anche dove questa divisione è sorta); esaminando il cervello di 15 specie di mormiridi si è scoperto che la divisione in due parte del nucleo exterolaterale è presente solo nelle specie in cui gli organi sono distribuiti su tutto il corpo, e non solo nella testa; e tutte sono parte della sottofamiglia delle Mormyrinae - appunto il clade A. Poiché la discriminazione del segnale elettrico dipende dalla distanza tra gli organi di senso, più distanti sono i knollenorgan più il segnale è discriminato finemente; ed è quello che accade proprio in quel clade. Accanto a questo ci dev'essere però anche la possibilità di emettere segnali che siano percepiti in modo diverso dalle differenti specie; e infatti esaminando i dati delle due sottofamiglie si scopre anche che la maggiore variazione di segnali e la divergenza più rapida si è verificata proprio nel clade A. E infatti qui ci sono 175 specie, molte di più che nella sottofamiglia dei Petrocephalinae (circa 30).

L'idea quindi è che la differenziazione nel nucleo di cui sopra in due parti abbia condotto a una maggiore discriminazione del segnale e quindi anche a una maggior sensibilità ai segnali elettrici differenti. Che si è a sua volta risolta in "dialetti" diversi che hanno alla fin fine distinto le specie, secondo un processo chiamato speciazione, la differenziazione in specie; secondo uno degli autori il tutto è avvenuto 50-60 milioni di anni fa. La conclusione è che sia stata l'evoluzione del cervello verso la distinzione fine del segnale elettrico che ha portato alla diversificazione e quindi alla nascita di molte specie diverse. Ma alcuni dicono invece che sia stata la diffusione su tutto il corpo dei knollenorgan che ha dato la spinta a una miglior discriminazione del segnale. Come spesso succede, non si è sicuri quale sia stata la prima spinta all'evoluzione; e forse sono state contemporanee.
Cosa può fare migliorare un organo di percezione per un senso di cui abbiamo solo una vaghissima idea!

* Immagine di Matthew Arnegard, da qui

** An enlarged and subdivided exterolateral nucleus (ELa/ELp) is universally associated with broadly distributed knollenorgan electroreceptors. Knollenorgan locations are indicated by red dots. (A) B. brachyistius has a broad distribution of knollenorgans, as found in all clade A species. (B) P. microphthalmus, the sole petrocephaline species with an ELa/ELp, also has a broad knollenorgan distribution. (C) P. soudanensis has three knollenorgan clusters. (D) M. macrops has an intermediate pattern, with a single cluster and a low density of knollenorgans throughout the body.

*** Inferred tree of phylogenetic relationships among mormyrid species and morphs. The phylogeny was estimated by Bayesian analysis of cytb sequences (values at nodes are posterior probabilities). A sequence from the closest outgroup to the Mormyridae (Gymnarchus niloticus) was used to root the tree. Green branches represent a small exterolateral nucleus (EL) and magenta branches represent an enlarged EL divided into anterior and posterior subdivisions (ELa/ELp); we reconstructed ancestral states using parsimony (see text). Gray outline represents electric organs with electrocyte stalks, and black outline represents electric organs with developmentally labile stalks, based on a previous study (2).

Carlson, B., Hasan, S., Hollmann, M., Miller, D., Harmon, L., & Arnegard, M. (2011). Brain Evolution Triggers Increased Diversification of Electric Fishes Science, 332 (6029), 583-586 DOI: 10.1126/science.1201524