Quando il giovane naturalista Alfred R. Wallace lasciò l'Inghilterra per esplorare il Nuovo Mondo nel 1848, una delle sue osservazioni chiave nella regione amazzonica fu che i grandi fiumi erano barriere insuperabili per alcune specie di animali, in particolare primati e uccelli. Ancora più interessante, notò che specie strettamente correlate occupavano spesso foreste sui lati opposti di un fiume, ma non furono mai trovate insieme.
In effetti, ci sono centinaia di esempi di coppie cross-river tra uccelli amazzonici, un fenomeno che non si vede da nessun'altra parte sulla Terra. Quasi un terzo delle circa 240 specie di uccelli che abitano normalmente le foreste su un lato del Rio Negro inferiore in Brasile sono sostituite da una specie strettamente correlata sull'altro lato. Ad esempio, sulla riva sinistra vedrai Barbette macchiate di nero ( Capito niger ) con la gola rossa. Sulla riva destra vedrai solo le Barbette Guilded ( Capito auratus ) strettamente collegate con la gola arancione.
I Barbet macchiati di nero e corporati vivono separati, separati dal Rio Negro inferiore e dal Rio Branco nell'Amazzonia brasiliana. (Andreza Silva) I fiumi amazzonici mi hanno affascinato da quando ho visitato la regione per la prima volta nel 1999 e sono stati al centro delle mie ricerche come biologo tropicale. Sono rimasto affascinato dai modelli di sostituzione descritti da Wallace e ho trascorso innumerevoli ore a studiare mappe di distribuzione aviaria.
Nonostante anni di studio, tuttavia, i biologi evoluzionisti rimangono incerti sul ruolo dei fiumi nel processo di speciazione in Amazzonia. I fiumi generano nuove specie? O semplicemente agire come barriere secondarie, fornendo confini naturali per le specie formate altrove? Tutti questi lignaggi accoppiati divergevano allo stesso tempo, divisi da una barriera comune? O ogni specie ha seguito il suo percorso evolutivo?
Lo studio si è concentrato sulle specie di uccelli le cui distribuzioni sono delimitate da due barriere biogeografiche: il Rio Negro e il Rio Branco, situati nello scudo della Guiana nell'Amazzonia settentrionale. (Naka et al) Queste sono state le domande che hanno guidato me e i miei colleghi quando abbiamo iniziato a esplorare il Rio Negro, ancora una delle regioni più incontaminate dell'Amazzonia. Come le spedizioni condotte da precedenti naturalisti, la nostra prevedeva lunghi viaggi in barca per raggiungere località remote. Ma eravamo armati di computer, immagini digitali, dispositivi GPS, registratori audio digitali e azoto liquido per mantenere i nostri campioni a temperature molto basse fino a quando non avremmo potuto eseguire analisi genetiche in laboratorio. Il nostro piano era di utilizzare campioni di tessuto di uccelli sui lati opposti del fiume per valutare la loro storia evolutiva.
In evoluzione da una specie a due
Osservando la quantità di differenziazione genetica tra individui su diverse banche, i naturalisti moderni sono in grado di rintracciare approssimativamente quanto tempo è trascorso da quando queste popolazioni hanno iniziato le loro storie evolutive indipendenti. Ciò che i biologi non possono concordare è quale ruolo hanno giocato questi fiumi nella storia evolutiva delle specie che attualmente dividono.
Una possibilità ovvia è che la gamma delle specie ancestrali sia stata sezionata da un fiume appena formato, isolando grandi blocchi di foreste. Le popolazioni di cutoff cambiano lentamente e si differenziano l'una dall'altra. Dato il tempo sufficiente, le loro differenze diventerebbero abbastanza grandi da non riconoscersi più come potenziali compagni con cui accoppiarsi e crescere la prole: diventerebbero specie diverse. Questa idea divenne nota come l'ipotesi della barriera fluviale. È la spiegazione più antica del perché ci sono così tante specie in Amazzonia.
Un modello alternativo suggerisce che i fiumi fungono da barriere secondarie. Secondo questa idea, sebbene siano attualmente importanti per definire i limiti geografici delle specie, i fiumi non avevano nulla a che fare con la separazione iniziale di quella popolazione ancestrale.
Tuttavia, è difficile non porre la domanda più ovvia qui. Gli uccelli si impegnano in epiche migrazioni a lunga distanza e sono in grado di viaggiare da un polo all'altro. In che modo un fiume amazzonico, anche se grande, potrebbe rappresentare una barriera? Gli uccelli non possono semplicemente volare attraverso il fiume, riunirsi con i loro parenti ed evitare di diventare due specie diverse?
La risposta breve è, apparentemente no. Per molte specie che vivono nelle foreste, i fiumi sembrano davvero essere barriere insormontabili. Gli esperimenti suggeriscono che molte specie di uccelli non sono in grado di sorvolare nemmeno un centinaio di metri su un paesaggio aperto, figuriamoci attraversando diversi chilometri di un potente fiume amazzonico.
Testare il ruolo dei fiumi nell'evoluzione aviaria
Il nostro primo passo è stato quello di mappare la posizione esatta di questi upriver di sostituzione delle coppie. Tutte le coppie studiate erano note per il turnover attraverso il Rio Negro inferiore, che in alcuni punti si estende fino a 10 chilometri. Upriver, tuttavia, il fiume è molto più stretto e i modelli di sostituzione diventano più complicati, coinvolgendo fiumi minori.
Quando le differenze tra le popolazioni sono relativamente grandi - come schemi di piumaggio, colori o coppie di canzoni - sono spesso considerate specie diverse. Quando le differenze sono sottili - come la dimensione o la tonalità della piuma o il tono - gli ornitologi tendono a considerarle sottospecie diverse. Che si tratti di coppie di specie o coppie di sottospecie, i biologi si riferiscono a loro come "coppie di taxa".
Il primo passo è stato quello di mappare i modelli di sostituzione degli uccelli. Sebbene tutte le coppie siano attualmente delimitate dal Rio Negro inferiore, ci sono diversi modelli di sostituzione a monte, incluso il Rio Branco. (Naka et al) Abbiamo studiato in dettaglio 74 coppie di taxa le cui gamme erano divise da varie combinazioni del Rio Negro e del suo più grande affluente, il Rio Branco. Questi due fiumi sono entrambi barriere biogeografiche per dozzine di specie avicole. Dopo oltre un decennio di lavoro sul campo e con il contributo dei principali musei e collezioni brasiliani e statunitensi, il nostro team aveva ottenuto dati genetici e distributivi per quasi tutte le specie di uccelli e sottospecie che differivano su entrambi i lati del fiume.
Abbiamo pensato che se un fiume sezionava il paesaggio e separava molte popolazioni avicole allo stesso tempo, le coppie dovrebbero presentare tempi di divergenza approssimativamente simili. Se i fiumi fungessero da barriere secondarie, le coppie presenteranno probabilmente un'intera serie di epoche. In questo caso, le coppie potrebbero essere più vecchie dei fiumi che attualmente limitano le loro distribuzioni, poiché secondo questo modello, la divisione originale di una specie in due non dipende dall'emersione del fiume.
I ricercatori hanno utilizzato i dati molecolari per determinare quanto tempo fa ciascuna delle 74 coppie di uccelli era divergente. Le barre orizzontali coprono intervalli credibili, tenendo conto delle incertezze temporali. La maggior parte delle coppie si separarono molto prima che i due fiumi esistessero nelle loro forme attuali. (Naka et al) Abbiamo usato i dati molecolari calibrati nel tempo per capire approssimativamente quando ognuna delle nostre 74 coppie di uccelli correlati si sono evolute separatamente. Alcuni geni mutano a tassi prevedibili e costanti, consentendo agli scienziati di stimare il tempo trascorso da quando una data coppia di organismi è divergente. Più cambiamenti nei loro genomi, più tempo è passato da quando hanno condiviso un antenato comune. È come guardare quello che i ricercatori chiamano un "orologio molecolare".
La Toucanet Guianan (Selenidera piperivora), è sostituita dalla Toucanet Tawny-tufted (S. nattereri) in questa regione. Questa è la coppia più antica dell'analisi, separata circa 8 milioni di anni fa. (Luciano Nicolas Naka) Quando abbiamo esaminato gli orologi molecolari dei nostri campioni di uccelli, abbiamo scoperto che gli eventi di divergenza non erano raggruppati in un determinato intervallo di tempo. Invece hanno variato da 0, 2 a 8 milioni di anni fa. Quindi è improbabile che tutte le coppie avicole attualmente divise da una barriera comune, come il Negro o il Branco, siano state generate dalla genesi di quei fiumi.
Inoltre, i dati geomorfologici suggeriscono che questi fiumi hanno stabilito le loro posizioni attuali relativamente di recente. Le date approssimative per il Rio Negro sono circa un milione di anni, mentre il Rio Branco è apparentemente molto più recente, circa 20.000 anni. Pertanto, entrambi i fiumi sembrano essere molto più giovani della maggior parte delle coppie di uccelli che attualmente dividono, supportando il modello di barriera di contatto secondario: i fiumi oggi mantengono un confine, ma i tempi suggeriscono che non avrebbero potuto essere responsabili della separazione iniziale della maggior parte delle coppie di uccelli abbiamo studiato.
D'altra parte, il Rio Negro sembra avere qui una storia di un milione di anni. I nostri modelli non possono rifiutare un evento di diversificazione comune che si verifica intorno a quell'età per 12 coppie di taxa aviari, il cui DNA indicava che erano divergenti negli ultimi milioni di anni. Quindi, sebbene l'origine della maggior parte delle coppie studiate non sia probabilmente correlata alla genesi dei fiumi, è possibile che il Rio Negro, in particolare, abbia rappresentato una barriera primaria per alcune specie.
Il nostro nuovo studio, pubblicato su Science Advances, offre prove convincenti che i fiumi amazzonici possano avere un duplice ruolo evolutivo. Possono agire come barriere primarie per alcuni lignaggi, come proposto dall'ipotesi della barriera fluviale. Ma più frequentemente, fungono da barriere secondarie per la maggior parte dei lignaggi aviari. Questi risultati provengono da una sola, seppur importante, regione amazzonica e studi simili condotti su altri bacini collocheranno i nostri risultati in un contesto più ampio.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Luciano Nicolas Naka, Professore di Zoologia, Universidade Federal de Pernambuco, Brasile e Visiting Scholar, Università di Harvard
