Experimental speciation: selection against hybridization strengthens reproductive barriers and limits introgression

L'evoluzione è spesso immaginata come una marcia lenta e costante in cui le popolazioni si allontanano gradualmente finché non sono più in grado di riconoscersi come partner riproduttivi. Ma la natura è raramente così lineare. Quando due gruppi che sono stati separati per molto tempo si incontrano improvvisamente di nuovo, affrontano una scelta critica: potrebbero fondersi nuovamente in un unico gruppo, oppure potrebbero evolvere nuovi modi per mantenere la propria distanza. Una potente teoria chiamata rinforzo suggerisce che, se l'incrocio con l'altro gruppo produce prole debole o malsana, la selezione naturale favorirà gli individui che evitano tali matrimoni misti. Nel tempo, questa pressione dovrebbe affilare le barriere tra i gruppi, rendendoli più distinti. Sebbene questa idea sia stata un pilcolo della teoria evolutiva per decenni, dimostrarla in tempo reale è stato incredibilmente difficile. La maggior parte delle prove deriva dal confronto tra specie che già esistono, il che rende difficile sapere se le differenze siano state causate dalla necessità di evitare incroci svantaggiosi o da altri fattori ambientali.

Un team di ricercatori ha ora osservato questo processo accadere direttamente in laboratorio, utilizzando moscerini della frutta per creare una versione controllata dell'incontro tra due popolazioni. Hanno allestito un esperimento in cui hanno costretto due gruppi distinti di moscerini a mescolarsi, ma con un colpo di scena: si sono assicurati che qualsiasi prole derivante da un incrocio tra i due gruppi venisse rimossa prima che potesse crescere. Facendo in questo modo, hanno creato una situazione in cui gli unici moscerini sopravvissuti per riprodursi erano quelli che erano riusciti a evitare di accoppiarsi con il partner "sbagliato". Dopo più di cento generazioni di questa pressione, i ricercatori hanno scoperto che i moscerini avevano effettivamente evoluto barriere più forti contro l'incrocio. Tuttavia, la storia era più sfumata di un semplice "più forte è meglio". I moscerini hanno evoluto le barriere più efficaci quando la pressione di evitare l'incrocio era moderata, non estrema. Inoltre, i cambiamenti non sono stati uniformi; i moscerini hanno sviluppato comportamenti specifici per evitare i partner inadatti solo quando si trovavano in un contesto sociale affollato, dove potevano confrontare i potenziali partner, e le modifiche genetiche responsabili di questo erano concentrate in regioni specifiche del loro DNA vicino al marcatore utilizzato per identificare gli ibridi.

L'esperimento è iniziato con due popolazioni di laboratorio di moscerini della frutta che erano state tenute separate per oltre mille generazioni. Un gruppo, noto come IV, e l'altro, LHM, avevano sviluppato sottili differenze nel loro DNA e nelle abitudini di accoppiamento. I ricercatori hanno introdotto uno strumento per tracciare queste differenze: un gene che faceva brillare in verde i moscerini LHM sotto una luce speciale. Hanno poi allestito quattro diversi scenari per vedere come reagirebbero i moscerini. In uno scenario, i due gruppi si mescolavano liberamente senza conseguenze per la loro prole. In un altro, si mescolavano ma i ricercatori rimuovevano metà della prole ibrida luminosa ogni generazione. In un terzo, rimuovevano il novanta per cento degli ibridi. Infine, c'era un gruppo di controllo in cui le due popolazioni non si incontravano mai. L'obiettivo era vedere se la pressione della perdita della prole ibrida avrebbe costretto i moscerini residenti a evolvere modi per evitare di accoppiarsi con gli intrusi luminosi.

I risultati hanno mostrato che i moscerini si sono effettivamente evoluti, ma il risultato dipendeva fortemente da quanto fosse rigorosa la selezione. Nei gruppi in cui metà degli ibridi veniva rimossa, le femmine residenti sono diventate molto più brave ad evitare i maschi luminosi. Hanno evoluto una preferenza che permetteva loro di distinguere tra la propria specie e i nuovi arrivati, ma questa preferenza appariva solo quando si trovavano in un ambiente sociale in cui potevano vedere e confrontare più maschi contemporaneamente. Quando testate da sole con un singolo maschio luminoso, non mostravano tale evitamento. Ciò suggerisce che la capacità di scegliere un partner non è solo un tratto fisso, ma un comportamento che evolve in risposta al contesto sociale. Curiosamente, nei gruppi in cui il novanta per cento degli ibridi veniva rimosso, i moscerini non avevano evoluto lo stesso livello di evitamento sessuale. I ricercatori sospettano che rimuovendo così tanti ibridi, abbiano rimosso anche gli stessi individui che avrebbero servito come promemoria del costo dell'incrocio, tagliando di fatto il ciclo di feedback necessario per guidare l'evoluzione di una forte scelta del partner.

Oltre al comportamento, i moscerini hanno evoluto cambiamenti in ciò che accade dopo l'accoppiamento. Anche quando una femmina si era già accoppiata con un maschio residente, era meno probabile che producesse prole con successo se si accoppiava successivamente con un maschio luminoso. Questa barriera "post-accoppiamento", in cui il corpo della femmina sembra favorire lo sperma della propria specie, si è evoluta sia nei gruppi a selezione moderata che in quelli a selezione rigorosa. Ciò indica che l'evoluzione ha trovato percorsi diversi per raggiungere lo stesso obiettivo: prevenire la produzione di ibridi non idonei. Il gruppo moderato ha utilizzato una combinazione di evitamento del maschio sbagliato in primo luogo e rifiuto del suo sperma in seguito, mentre il gruppo rigoroso si è affidato maggiormente al meccanismo di rifiuto dello sperma.

Per capire come siano avvenuti questi cambiamenti, i ricercatori hanno esaminato l'intero codice genetico dei moscerini. Hanno scoperto che le differenze genetiche tra i moscerini residenti e gli intrusi non erano distribuite uniformemente in tutto il genoma. Inveve, i geni che sono cambiati di più erano raggruppati strettamente attorno alla specifica posizione in cui era stato inserito il gene luminoso. Questo ha senso perché il gene luminoso agiva come un segnale; qualsiasi gene situato proprio accanto ad esso sul cromosoma verrebbe trascinato con esso e rimosso ogni volta che un ibrido veniva ucciso. Nel tempo, questo ha creato una zona di resistenza genetica in cui il DNA dei residenti rimaneva puro, mentre il resto del genoma rimaneva un mix di entrambe le popolazioni. I ricercatori hanno identificato specifici cluster di geni in questa zona che mostravano segni di essere stati plasmati dalla selezione naturale per aiutare i moscerini a evitare l'ibridazione.

Lo studio fornisce una rara e diretta visione di come le specie possano diventare distinte anche mentre scambiano ancora geni. Conferma che il timore di produrre una prole inadatta può spingere le popolazioni a evolvere barriere più forti l'una contro l'altra, ma rivela anche che questo processo è delicato. Se la pressione è troppo debole, le barriere non si formano; se è troppo forte, il meccanismo che guida il cambiamento potrebbe essere interrotto. Le scoperte suggeriscono che l'evoluzione di nuove specie non è una semplice marcia lineare verso la separazione totale, ma una danza complessa di comportamento sociale, legame genetico e precisa intensità della selezione naturale. Osservando questo processo svilupparsi in tempo reale, i ricercatori hanno trasformato il concetto di rinforzo da una previsione teorica a una realtà osservata, mostrando esattamente come la vita si adatti per mantenere intatte le proprie frontiere.