Gli uccelli, le api, gli scimpanzé, gli esseri umani – lo facciamo tutti, ma pochi si rendono conto che la riproduzione sessuale si è evoluta per la prima volta in creature molto diverse da noi.
Cos’erano e come è iniziato tutto? Qual è la vera storia degli uccelli e delle api?
L’alba della riproduzione sessuale è sempre stata un puzzle per gli scienziati. Oggi sulla Terra il 99% delle creature multicellulari – i grandi organismi che possiamo vedere – si riproducono sessualmente. Tutti hanno i loro meccanismi unici, ma perché questo processo si è evoluto è in realtà un argomento di grande mistero.
Anche per Darwin, il padre dell’evoluzione, il sesso era confuso
Anche per Darwin, il padre dell’evoluzione, il sesso era confuso. Ha scritto nel 1862: “Non conosciamo nemmeno lontanamente la causa finale della sessualità; perché nuovi esseri dovrebbero essere prodotti dall’unione dei due elementi sessuali. L’intero argomento è ancora nascosto nell’oscurità.”
Molte specie sono totalmente preoccupate dal sesso e faranno di tutto per ottenere un compagno. Il maschio del bowerbird costruisce nidi elaborati per impressionare le femmine; la coda della lucciola femmina brucia per attirare il maschio; persino il profumo prodotto da un fiore è semplicemente un abile trucco per attirare gli insetti che raccoglieranno il polline e poi si dirigeranno verso le piante vicine, fecondandole nel processo.
Anche con tutta questa mesmerica diversità, tutti gli organismi che si riproducono sessualmente seguono lo stesso percorso di base per fare nuova prole – due membri della stessa specie combinano il loro DNA per produrre un nuovo genoma.
Prima dell’evoluzione del sesso tutta la riproduzione avveniva in modo asessuato, il che significa fondamentalmente per divisione cellulare
Prima dell’evoluzione del sesso tutta la riproduzione avveniva in modo asessuato, il che significa fondamentalmente per divisione cellulare – un organismo si divide letteralmente a metà per formare due.
È un semplice meccanismo di copia-e-divisione, ed è qualcosa che tutti i batteri, la maggior parte delle piante e anche alcuni animali fanno almeno qualche volta.
Il meccanismo della riproduzione asessuale è molto più efficiente e meno disordinato della riproduzione sessuale. Una specie asessuale non deve sprecare tempo ed energia per cercare e impressionare un partner, semplicemente cresce e si divide in due. Contrasta questo con il fastidioso, e a volte pericoloso, processo di attrarre un compagno per la riproduzione sessuale.
Una specie asessuale non deve sprecare tempo ed energia per cercare e impressionare un partner
E poi ci sono gli altri costi evidenti del sesso. Unire pezzi di due genomi separati richiede un diverso tipo di processo – un uovo deve essere fecondato. Significa anche che ogni genitore passa solo metà dei suoi geni alla prole. I genitori asessuali, al contrario, producono figli che sono fondamentalmente copie carbone di se stessi, il che sembra un approccio migliore per un mondo in cui ci viene detto che i nostri geni vogliono egoisticamente garantire la loro sopravvivenza.
Quindi, tenendo tutto questo in mente, perché così tante specie dovrebbero prendere la strada lunga e tortuosa della riproduzione sessuale, quando è disponibile un percorso diretto? Il sesso deve offrire qualche vantaggio evolutivo che superi gli ovvi svantaggi.
Nel 1886, il biologo evolutivo tedesco August Weismann propose uno di questi vantaggi. Disse che la riproduzione sessuale rimescola i geni per creare “differenze individuali” su cui agisce la selezione naturale. Fondamentalmente, il sesso è un’opportunità per due organismi della stessa specie di mettere in comune le loro risorse.
In alcuni studi le specie che si riproducono asessualmente sono state convinte a diventare sessuali
Alcuni dei loro figli porteranno un mix benefico di geni buoni da entrambi i genitori, il che significa che risponderanno meglio agli stress ambientali che lascerebbero le specie asessuali in grave pericolo. In effetti, il sesso può anche accelerare il ritmo dell’evoluzione – un vantaggio ovvio se anche le condizioni ambientali stanno cambiando rapidamente.
La prova definitiva di questi benefici del sesso viene da studi in cui le specie che si riproducono asessualmente sono state convinte a diventare specie che si riproducono sessualmente. Gli organismi unicellulari primitivi di solito se la cavano bene con la riproduzione asessuata, ma se gli stress ambientali sono elevati, possono trasformarsi in specie sessuali.
Lo stress ambientale può essere qualsiasi cosa, da un leggero cambiamento del tempo a un colpo di meteorite.
L’origine della riproduzione sessuale è stata a lungo un mistero in parte perché osserviamo il mondo come è ora, dove molti organismi asessuati prosperano e alcuni organismi che possono riprodursi in entrambi i modi sembrano ancora favorire la riproduzione asessuata. Alcuni di questi organismi includono: lievito, lumache, stelle marine e afidi.
Ma in realtà il metodo di riproduzione che scelgono dipende dalle circostanze ambientali che li circondano – la maggior parte si riproduce sessualmente solo durante i periodi di stress e si riproduce asessualmente il resto del tempo.
Ma il mondo primitivo era un luogo molto più inospitale con l’ambiente che spesso cambiava molto rapidamente. In queste circostanze, alti tassi di mutazione avrebbero potuto, nelle giuste condizioni, forzare un organismo asessuato a diventare sessuale.
La documentazione fossile contenuta nelle rocce può dirci di più sull’origine della riproduzione sessuale, ma i fossili sono scarsi e difficili da trovare, quindi è difficile dire esattamente cosa è successo. Chris Adami della Michigan State University esamina il processo teoricamente.
Sesso significa scegliere un buon partner e quindi scegliere un futuro migliore per la propria prole
Adami spiega che si può guardare all’evoluzione in termini di informazioni – le cose che bisogna sapere per poter sopravvivere. L’evoluzione riguarda “la conservazione dell’informazione e l’acquisizione dell’informazione – più sai e meglio stai”, dice.
Quindi è un processo di “apprendimento” – un organismo “impara” nuove informazioni, specialmente in un ambiente che cambia, e l’organismo passa queste lezioni (nel suo DNA) alla generazione successiva per aiutarla a sopravvivere.
Il sesso permette che questo accada in modo più efficiente, offrendo un modo più facile per le specie di “ricordare” informazioni utili – è codificato nei loro geni. Questo perché il processo comporta la scelta di un partner sessuale che ha, a sua volta, raggiunto la maturità sessuale facendo buone scelte. Il sesso significa scegliere un buon partner e quindi scegliere un futuro migliore per la propria prole.
“L’acquisizione e il mantenimento delle informazioni sono necessari perché l’evoluzione funzioni – ricordare il vecchio e immaginare il futuro.”
Questo elemento di scelta aiuta a spiegare un altro enigma: perché abbiamo bisogno dei maschi? Se solo la metà della prole – le figlie – produrrà effettivamente dei figli, perché l’evoluzione si è preoccupata dei figli maschi? Perché non avere tutta la prole in grado di produrre giovani?
La soluzione di Darwin al mistero del maschio era di suggerire che la selezione naturale non era l’unica pressione evolutiva all’opera nel sesso. C’era anche qualcos’altro in atto – qualcosa che Darwin chiamò selezione sessuale. Questa è fondamentalmente una preferenza di un sesso per certe caratteristiche negli individui dell’altro sesso.
Perché l’evoluzione si è preoccupata dei figli? Perché non avere tutta la prole in grado di produrre giovani?
Uno studio pubblicato nel 2015 ha scoperto che è vitale per i maschi competere per la riproduzione e le femmine scegliere tra questi maschi in competizione. La selezione sessuale attraverso l’esistenza di due sessi mantiene la salute della popolazione e la protezione contro l’estinzione.
Aiuta a mantenere una variazione genetica positiva in una popolazione. Quando si compete con i rivali e si attraggono partner nella lotta per riprodursi, un individuo deve essere bravo nella maggior parte delle cose, quindi la selezione sessuale fornisce un filtro importante ed efficace per mantenere e migliorare la salute genetica della popolazione.
I risultati aiutano a spiegare perché il sesso persiste come meccanismo dominante per la produzione di prole. Il sesso come lo conosciamo può essere fatto risalire almeno fino a un pesce primitivo
Il sesso è una forza evolutiva diffusa e molto potente, ma quando è avvenuta l’evoluzione del sesso e quali tipi di creature sono state le prime a farlo?
La maggior parte delle persone pensanti accetta la teoria dell’evoluzione, che gli esseri umani si sono evoluti da un antenato comune che condividiamo con le scimmie, che a loro volta si sono evolute da organismi ancora più primitivi. Questi pensieri risalgono al 1871, quando Darwin pubblicò The Descent of Man and Selection in Relation to Sex.
L’evoluzione del sesso come la conosciamo noi può essere fatta risalire molto più indietro dei nostri antenati scimmie, però. Risale almeno fino a un pesce primitivo chiamato Microbrachius dicki. La prova fossile di questo è stata trovata in rocce di 385 milioni di anni fa in Scozia.
“Microbrachius” significa “piccole braccia”, ma solo recentemente gli scienziati hanno capito a cosa servivano queste piccole braccia. Ci sono piccole ventose sulle braccia, e un’attenta analisi dei fossili ha mostrato che le versioni femminili dei pesci avevano piccole placche che bloccavano le versioni maschili in posizione, non diversamente dal velcro: le braccia erano coinvolte nella riproduzione sessuale.
Per capire la vera origine della riproduzione sessuale, però, dobbiamo andare indietro nel tempo di 1,2 miliardi di anni
Non un qualsiasi tipo di riproduzione sessuale però. Questi pesci sono stati i primi vertebrati che conosciamo a riprodursi attraverso la fecondazione interna, come fanno gli umani. Furono anche la prima specie a mostrare quello che i biologi chiamano dimorfismo sessuale: maschi e femmine hanno un aspetto diverso l’uno dall’altro.
La maggior parte dei pesci oggi si riproduce effettivamente rilasciando uova e sperma all’esterno del corpo. I ricercatori non sono sicuri del perché M. dicki abbia sviluppato un sistema di fecondazione interna, ma il fatto che l’abbia fatto ha aperto la strada alla riproduzione sessuale nella sua forma più familiare.
Per capire la vera origine della riproduzione sessuale, però, dobbiamo andare ancora più indietro nel tempo. Sappiamo che tutti gli organismi che si riproducono sessualmente derivano da un antenato comune, quindi si tratta di analizzare gli indizi contenuti nella scarsa documentazione fossile per sapere dove e quando questo antenato è vissuto.
Sono le rocce del Canada Artico che contengono gli indizi che gli scienziati stanno cercando. Le rocce sono state depositate in ambienti marini di marea 1,2 miliardi di anni fa e contengono fossili che ci parlano della prima riproduzione sessuale.
Un fossile chiamato Bangiomorpha pubescens è un organismo multicellulare che si è riprodotto sessualmente, il più antico evento riportato nel record fossile. B. pubescens non era un pesce e nemmeno un animale. Era una forma di alga rossa o alga marina. Era un’alga che per prima aveva il sesso.
La prova che questi fossili si riproducevano sessualmente è nella scoperta che le spore o cellule riproduttive che generavano erano in due forme – maschio e femmina. Oggi sappiamo che le alghe rosse non hanno sperma che nuota attivamente. Si affidano alle correnti d’acqua per trasportare le loro cellule riproduttive, che è probabilmente il modo in cui lo hanno fatto negli ultimi 1,2 miliardi di anni.
Sono state le alghe a fare sesso per prime
Le alghe rosse sono uno dei gruppi più grandi e antichi di alghe, con circa 5.000-6.000 specie di alghe marine prevalentemente multicellulari, comprese molte alghe notevoli.
Sono un gruppo molto vario, e sono rimaste molto simili nell’aspetto per 1,2 miliardi di anni. Questa longevità significa che possono essere descritte come “fossili viventi” – sono un residuo del passato per ricordarci da dove veniamo.
È l’ambiente insolitamente duro e mutevole in cui B. pubescens ha vissuto che può aver causato l’evoluzione del sesso 1,2 miliardi di anni fa.
Galen Halverson della McGill University di Montreal, Canada, spiega: “Per quanto riguarda il clima, sembra che i fossili di Bangiomorpha pubescens siano apparsi circa nello stesso momento in cui centinaia di milioni di anni di relativa stasi ambientale erano finiti. Vediamo importanti perturbazioni nei cicli del carbonio e dell’ossigeno in questo periodo, suggerendo grandi cambiamenti ambientali”
In questo periodo il sesso era fondamentale per il successivo successo ed evoluzione degli organismi multicellulari. Questi fossili segnano quindi progressi significativi nell’evoluzione della vita. Halverson aggiunge: “Quali siano le connessioni tra la riproduzione sessuale, la multicellularità, l’ossigenazione e il ciclo globale del carbonio rimangono nebulose, ma è difficile non presumere che questi eventi siano strettamente collegati.”
Studiare queste rocce per capire il tipo di ambiente che ha permesso al sesso di evolversi e, di conseguenza, per capire l’origine della multicellularità sul nostro pianeta, non solo informa il nostro passato e da dove veniamo, ma anche il potenziale di evoluzione della vita su altri pianeti.
È difficile immaginare che le alghe siano state l’istigatore della rivoluzione sessuale, ma sono stati questi significativi sviluppi evolutivi, 1,2 miliardi di anni fa, che hanno aperto la strada alla vita sulla Terra come la conosciamo.
Vivien Cumming è su Twitter e Instagram: @drvivcumming
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