Cosa ha in comune un topo con un pesce cartilagineo noto come un piccolo pattino?
A prima vista, potresti non pensare molto. Uno è soffice, con grandi orecchie e baffi; l'altro respira con branchie e si increspa attorno all'oceano. Uno è un animale da laboratorio o un parassita domestico; è più probabile che l'altro sia visto in natura o sul fondo di una pozza poco profonda in un acquario. Ma si scopre che questi due vertebrati hanno qualcosa di cruciale in comune: la capacità di camminare. E il motivo per cui potrebbe cambiare il modo in cui pensiamo all'evoluzione del camminare sugli animali terrestri, compresi gli umani.
Un nuovo studio genetico condotto dagli scienziati della New York University rivela qualcosa di sorprendente: come i topi, i pattini hanno il modello genetico che consente il modello di locomozione alternata a destra a sinistra che usano gli animali terrestri a quattro zampe. Quei geni furono tramandati da un antenato comune che visse 420 milioni di anni fa, molto prima che i primi vertebrati strisciassero mai dal mare alla costa.
In altre parole, alcuni animali potrebbero aver avuto i percorsi neurali necessari per camminare anche prima di vivere sulla terra.
Pubblicato oggi sulla rivista Cell, la nuova ricerca è iniziata con una domanda di base: come si sono evoluti o cambiati nel tempo diversi comportamenti motori? L'autore Jeremy Dasen, professore associato presso il Neuroscience Institute della New York University, aveva precedentemente lavorato sul movimento dei serpenti. È stato ispirato a guardare nei pattini dopo aver letto il libro di Neil Shubin, Il tuo pesce interiore: un viaggio nella storia del corpo umano di 3, 5 miliardi di anni, ma non sapeva davvero da dove cominciare.
"Non avevo idea di come fosse uno skate", dice Dasen. “L'avevo mangiato in un ristorante prima. Quindi ho fatto quello che fanno tutti, sono andato su Google per trovare video di pattini. ”Una delle prime cose che ha scoperto è stato un video Youtube di uno skate trasparente che si dedica al camminare. “Ero tipo, wow, è davvero fantastico! Come fa? ”Dice.
Usando i pattini raccolti dal Marine Biological Laboratory di Woods Hole, Dasen e altri si sono sforzati di scoprirlo. In primo luogo, le basi: i piccoli pattini sono abitanti del fondo che vivono lungo tutta la costa orientale nell'Oceano Atlantico. In realtà non hanno le gambe e il loro camminare non sembra un essere umano che va a fare una passeggiata. Quello che usano sono pinne pelviche anteriori chiamate "crus", situate sotto la pinna a forma di vela molto più grande a forma di diamante che ondeggia quando nuotano.
Quando si nutrono o hanno bisogno di muoversi più lentamente, impegnano i loro cru in un movimento alternato sinistra-destra lungo il fondo dell'oceano. Dal basso sembra quasi un piedino che spinge in avanti lo skate.
Ma Dasen e il suo team non erano solo interessati alla biomeccanica; volevano identificare i geni che controllavano i percorsi neurali motori per camminare sui pattini.
Quando si osserva il layout di un vertebrato, i genetisti spesso iniziano con i geni Hox, che svolgono un ruolo cruciale nel determinare il piano corporeo di un organismo. Se i geni vengono eliminati o disordinati, può provocare un disastro per l'animale (come nell'esperimento in cui una mosca ha fatto crescere le gambe invece delle antenne sulla sua testa dopo che gli scienziati hanno eliminato intenzionalmente determinati geni Hox).
Dasen e i suoi colleghi hanno anche esaminato un fattore di trascrizione genetica chiamato Foxp1, situato nel midollo spinale nei tetrapodi. La spiegazione semplificata è che funziona attivando i motoneuroni che consentono il movimento del camminare.
"Se si butta [Foxp1] in organismi modello come i topi, hanno perso tutta la capacità di coordinare i muscoli degli arti", afferma Dasen. "Hanno un grave tipo di disordinazione motoria che impedisce loro di camminare normalmente." Non è che i topi senza Foxp1 non abbiano gli arti oi muscoli necessari per camminare, semplicemente non hanno i loro circuiti cablati correttamente per farlo.
Quella combinazione di geni nei pattini che consente loro di attraversare il fondo del mare in cerca di cena risale a un antenato comune vissuto 420 milioni di anni fa, una sorpresa per i ricercatori, poiché si pensava che fosse in grado di camminare a venire dopo l'inizio della transizione dal mare alla terra, non prima. Il fatto che tali tratti genetici siano rimasti così a lungo e si siano evoluti in modi così unici in diverse specie non fa che aumentare l'eccitazione di Dasen.
"C'è molta letteratura sull'evoluzione degli arti, ma in realtà non considera il lato neuronale delle cose perché è molto più difficile da studiare", afferma Dasen. “Non esistono reperti fossili per neuroni e nervi. Esistono modi molto migliori di studiare l'evoluzione guardando le strutture ossee ”.
Molti ricercatori hanno esaminato la documentazione fossile per i dettagli sui primi abitanti della terra. C'è Elginerpeton Pancheni, un primo tetrapode che visse fuori dall'oceano circa 375 milioni di anni fa. E poi c'è Acanthostega, un altro antico vertebrato che gli scienziati hanno recentemente analizzato per conoscere i suoi schemi di crescita degli arti e la maturità sessuale.
Nel frattempo, altri biologi hanno raccolto indizi guardando alcuni dei pesci più strani vivi oggi, molti dei quali hanno antichi lignaggi. Alcuni hanno esaminato celacanti e sarcopterygians, o pesci polmoni (questi ultimi usano le pinne pelviche per muoversi in un movimento come camminare). Altri hanno studiato il movimento dei vescovi. Le specie ittiche africane sono dotate di polmoni e branchie, quindi possono sopravvivere fuori dall'acqua - e hanno un movimento simile al camminare quando sono costrette a vivere sulla terra, come visto nell'esperimento del 2014 condotto dalla biologa dell'Università di Ottawa Emily Standen e altri.
Standen dice che ammira molto la nuova ricerca sui pattini. "Mi sarei aspettato che ci sarebbe stata un po 'di somiglianza [nei sistemi alla base del movimento di diversi animali], ma il fatto che sia tanto vicino quanto è stata una bella sorpresa", dice. "Parla di ciò in cui credo abbastanza fortemente, che il sistema nervoso e come si sviluppa e funzioni è molto flessibile."
Tale flessibilità è stata chiaramente la chiave della storia evolutiva. Grazie a quell'antenato di 420 milioni di anni, ora abbiamo di tutto, dai pesci che nuotano, ai serpenti che strisciano, ai topi che camminano, ai pattini che usano una combinazione di movimenti, con il gene Foxp1 espresso o soppresso a seconda del piano del corpo e locomozione unici dell'animale.
E ora che sappiamo un po 'di più ciò che controlla quel movimento nei pattini, è possibile che la conoscenza possa avere un uso futuro nella comprensione del bipedismo nell'uomo.
"Il principio di base con cui i motoneuroni si collegano a circuiti diversi non è realmente elaborato [in organismi complessi], quindi lo skate è un modo per osservarlo in un sistema più semplificato", afferma Dasen. Ma non vuole anticipare troppo se stesso nel prevedere cosa potrebbe significare per il futuro. Dasen spera solo che, vedendo la ricerca, le persone pensino semplicemente: "Accidenti, è davvero pulito. Possono camminare! ”
