Per i biologi evoluzionisti, le orecchie di balena sono un enigma strano e affascinante. Studiarli mentre si sviluppano nell'utero può aiutarci a capire come si sono evoluti. Ma collezionare feti di balene oggi è fuori discussione perché la caccia alle balene è illegale e gli scienziati devono fare affidamento su fili, che spesso non rivelano femmine in gravidanza.
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Così quando la ricercatrice della Smithsonian Maya Yamato venne a sapere per la prima volta di una collezione di 56 feti di balene conservati nell'alcool presso il National Museum of Natural History, li portò al laboratorio di scansione TC del museo. "Non avremo mai più questo tipo di materiale", afferma Yamato, "Dal momento che sono così preziosi e rari, non è desiderabile sezionarli."
Yamato, un collega post-dottorato che lavora con il curatore dei mammiferi marini fossili, Nicholas Pyenson, voleva vedere meglio come si sviluppavano le orecchie nei feti delle balene. La collezione comprende alcuni esemplari di 100 anni, la maggior parte risalente a un periodo tra l'inizio e la metà del 20 ° secolo, quando le operazioni commerciali di caccia alla balena erano fiorenti. Nel 1986, la caccia alle balene è stata vietata dalla Commissione baleniera internazionale e, sebbene alcuni degli esemplari della raccolta provengano da catture accessorie e fili, molti sono associati alla caccia alle balene di un'era precedente.
"Sono unici perché ci sono specie che nessuno potrà mai più raccogliere", afferma Pyenson. "In alcuni casi o le circostanze in cui sono state raccolte non possono essere replicate o gli organismi non sono presenti in natura."
Poiché sezionare uno qualsiasi dei campioni o eseguire qualsiasi tipo di esame invasivo non era un'opzione, Yamato ha utilizzato la tecnologia CT non invasiva per ispezionare le caratteristiche molto delicate all'interno dei crani delle balene. I risultati del lavoro di Yamato appaiono oggi in un nuovo studio sulla rivista PLOS ONE . Ciò che Yamato ha scoperto aiuta a confermare ciò che dicono i reperti fossili su come le balene hanno fatto il drammatico passaggio da terra a mare e come le famiglie di balene hanno continuato a sviluppare caratteristiche fisiche divergenti per adattarsi a diversi stili di vita nel loro ambiente sottomarino.
Maya Yamato (a destra) e un collega sezionano la testa di una balena arenata defunta nella baia di Chesapeake per esaminare i tessuti molli associati alle orecchie. (Programma di risposta a favore dell'acquario del Virginia Aquarium) I cetacei si sono evoluti in due gruppi distinti: quelli con i denti e quelli con i baleen - una struttura setosa simile a un setaccio fatta di cheratina. Balene dentate come capodogli, orche e delfini cacciano e catturano prede nelle loro mascelle dentate, ma balene come megattere, blues e balene di prua ingoiano acqua e la filtrano attraverso le loro balle per intrappolare piccoli pesci e krill.
Non solo si nutrono in modi completamente diversi, ma anche i due gruppi di balene ascoltano in modo diverso. I gruppi elaborano il suono agli estremi opposti della scala di frequenza per l'udito dei mammiferi. Le balene di Baleen usano suoni a frequenza ultra bassa per comunicare su lunghe distanze. Ascoltano e vocalizzano usando frequenze inferiori a quelle utilizzate da qualsiasi mammifero terrestre, persino dagli elefanti.
Le balene dentate, d'altra parte, ascoltano e producono suoni a frequenze più alte del piccolo pipistrello marrone, il mammifero terrestre più acuto. Le balene dentate si affidano a quell'abilità per l'ecolocalizzazione per navigare e trovare prede.
Utilizzando le scansioni CT della collezione di balene fetali, Yamato e Pyenson sono stati in grado di tracciare lo sviluppo di questi due tipi molto diversi di balene. "Se lo Smithsonian non avesse uno scanner CT e non avesse la più grande collezione di mammiferi marini al mondo, questo studio probabilmente non sarebbe avvenuto", ha detto Yamato.
Lei e Pyenson sono i primi scienziati a identificare lo "imbuto acustico" in sviluppo nelle orecchie di un campione fetale. Le orecchie di balena sono interamente interne. Si basano sul tessuto adiposo associato all'imbuto acustico a forma di cono, che si trova solo nelle balene. Esattamente come funzionano non è ancora del tutto chiaro. In tutte le balene dentate, l'imbuto acustico è rivolto in avanti, ma in alcune balene baleen, l'imbuto è orientato verso il lato della testa.
Il team di ricerca è diventato il primo gruppo di scienziati a identificare e rappresentare in situ lo sviluppo di un'area specifica dell'orecchio trovata esclusivamente nelle balene conosciute come "imbuto acustico" (sopra: cono rosa), una struttura ritenuta una componente critica per capire meglio come si sentono le balene (fondo) e le balene dentate (in alto) nei loro ambienti acquatici. (Yamato M, Pyenson ND (2015)) Le prime fasi dello sviluppo dell'orecchio nei feti sono parallele alla divergenza evolutiva dei cetacei dai loro antenati terrestri. E, ancora più importante, la divergenza dei due gruppi l'uno dall'altro. L'imbuto acustico si sviluppa in modo simile, inizialmente, in tutti i cetacei. Successivamente, quando i feti dei due gruppi si sviluppano, cambia l'orientamento e la forma nel cervello, imitando il processo evolutivo.
"Vogliamo essere in grado di tracciare tutte le strutture all'interno dell'orecchio", afferma Yamato. “Nei primi feti vediamo le tipiche strutture dei mammiferi. Sono più simili a tutti gli altri mammiferi: i mammiferi terrestri. Con questo metodo non invasivo di studio di questi rari esemplari, siamo in grado di osservare come quei tipici ingredienti dei mammiferi terrestri vengono riorganizzati per formare le orecchie delle balene moderne. "
Questo tipo di informazioni è difficile da ottenere. I feti antichi non si conservano bene nei reperti fossili. Pyenson afferma che esiste solo un esemplare fossile noto di una balena non ancora nata. Quindi esaminare questi esemplari storici che includevano 15 diverse specie di balene sia dentate che balene è stato come aprire una miniera di dati. Ora che le scansioni sono disponibili per la comunità scientifica, altri scienziati stanno già iniziando a usarle per studiare altre caratteristiche dello sviluppo delle balene.
"Il modo in cui cresciamo, specialmente in utero, ci dice molto su come ci siamo evoluti", afferma Pyenson. "Quindi guardare i dati fetali può darci molte risposte in termini di sviluppo di un animale".
"Questo tipo di studio aiuta a illustrare l'incredibile diversità e adattamento della vita sulla Terra", aggiunge Yamato. "Anche se siamo tutti discesi dallo stesso antenato, abbiamo strategie diverse per gestire ambienti molto diversi."
