Come ha fatto il serpente a perdere le gambe?

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Anonim

I serpenti sono rettili allungati e carnivori del sottordine Serpentes . La loro caratteristica più distintiva è la mancanza di appendici. I serpenti sono senza gambe, quindi si muovono strisciando in avanti, trascinando e tirando i loro corpi attraverso il terreno.

Ora, se una coda è una caratteristica essenziale del corpo di un animale, dobbiamo chiederci dove finisce il corpo del serpente e la sua coda? Questo è comico, eppure un problema filosofico molto profondo, se me lo chiedi. Ma non soffermiamoci su di esso.

Invece, su una nota ben più seria, su cosa dovremmo concentrarci è la domanda sul perché i serpenti hanno perso le gambe in primo luogo?

(Credito fotografico: Pixabay)

La domanda in sostanza chiede: perché la natura dovrebbe ritenere questa regressione migliore per la sopravvivenza piuttosto che avere arti come altri rettili? La destrezza farebbe scavare molto più facilmente di quanto sarebbe senza un paio di arti anteriori.

Una carta rivoluzionaria afferma che i serpenti preistorici possedevano arti, anche se molto sottili. Li hanno gradualmente persi a causa di alcuni vincoli energetici. Più avanti, impareremo come questi vincoli hanno imposto questa regressione e arrestato la crescita degli arti nella fase di produzione stessa - a livello di geni.

Serpenti con ossa della caviglia

La ricerca suggerisce che i serpenti si sono evoluti da lucertole che o scavate a terra o nuotate nell'oceano. Tuttavia, le gambe sono diventate obsolete in entrambi i casi mentre l'animale si è evoluto nel tempo. Sembra che abbiano perso le loro membra perché la presenza di arti impediva la locomozione acquatica. Ma per quanto riguarda lo scavo? Gli arti anteriori non aiuterebbero a spalare?

Bene, gli zoologi affermano che raramente i serpenti hanno scavato i loro buchi. Piuttosto, hanno invaso e si sono intrufolati in buche scavate da animali più piccoli, probabilmente potenziali prede. In questo scenario, gli arti anteriori li avrebbero sicuramente resi più grandi del buco e impedito loro di accedere al loro cibo.

La presenza di arti sarebbe stata responsabile di un formidabile spreco di energia. Questi vincoli costrinsero la regressione a non avere gambe. La regressione avvenne anche senza alcun impatto sulla sopravvivenza dell'organismo. Lo studio evidenzia che la perdita degli arti può essere attribuita ai serpenti che li crescono ad un ritmo estremamente lento o li crescono solo per un breve periodo di tempo.

Solo se aveva arti.

Per lo studio, Houssaye e le sue colleghe del Museo Nazionale di Storia Naturale di Parigi hanno esaminato rigorosamente un serpente fossile preistorico chiamato Eupodophis descouensi. Si ritiene che i serpenti più antichi risalgano a 94-112 milioni di anni. Questo serpente non era tra i più antichi, ma si è avvicinato, stimando di avere circa 90 milioni di anni.

Gli scienziati hanno utilizzato una nuova tecnica di imaging estremamente avanzata chiamata Synchrotron Radiation Computed Laminography (SRCL). La procedura utilizza macchine di grandi dimensioni che ci consentono di ingrandire e visualizzare le caratteristiche microscopiche in modo dettagliato. Ancora più importante, non causa danni a questi inestimabili esemplari.

Le macchine espongono un campione a una radiazione a raggi X intensa che penetra profondamente nel fossile attraverso ogni fessura mentre ruota su un substrato. La procedura genera migliaia di immagini 2D ad alta definizione, che vengono compilate per formare un modello 3D sofisticato del fossile.

(Credito fotografico: Pansci.asia)

Il modello tridimensionale del serpente fossilizzato illustrava i fianchi del vecchio serpente e le gambe sottili di 2 cm! Mostrava 2 arti posteriori piccoli e regrediti e un'assenza di arti anteriori. La gamba palpabile era piegata all'altezza del ginocchio e possedeva 4 ossa della caviglia, ma non aveva ossa del piede o dei piedi. Questa morfologia ricorda abbastanza da vicino le membra di una moderna lucertola terrestre.

Si prevede anche che un altro serpente di età simile, la rionegrina Najesh, abbia due zampe posteriori infinitamente sottili. Il serpente mostrava un sacro, una caratteristica ossea triangolare che supporta il bacino.

Queste caratteristiche potrebbero essersi dipartite sottilmente man mano che l'animale si è evoluto.

La singola modifica genetica che ha causato la perdita di arti del serpente

Uno studio molto elegante ha rivelato che il genoma del serpente possiede geni per la crescita e l'estensione degli arti, ma piccole mutazioni nel DNA situate vicino a un gene fondamentale per l'architettura degli arti e la crescita hanno impedito al gene di attivarsi in primo luogo, cambiando di conseguenza il loro aspetto per sempre.

(Credito fotografico: pxhere.com)

Questo illustra un effetto farfalla scintillante in cui una piccola variazione trasmuta a differenze consequenziali. Lo studio evidenzia le spettacolari vicissitudini che una singola mutazione genetica può indurre. Gli zoologi sostengono che questa regressione potrebbe essere entrata in azione circa 150 milioni di anni fa.

I primi indizi su questi cambiamenti genetici furono cercati da Martin Cohn, un biologo evolutivo dello sviluppo dell'Università della Florida, nel 1999. Scoprì che alcuni geni in un embrione di serpente partecipavano a un diverso modello di attività rispetto ad altri rettili nello stesso stato. Si rese conto che l'introduzione di un fattore di crescita poteva consentire a questi embrioni di iniziare a crescere gli arti. Tuttavia, poiché la tecnologia di editing genetico era solo nelle sue fasi rudimentali, a Cohn mancavano gli strumenti adatti per dare un'occhiata più profonda.

Quattro anni più tardi, Hanken ei suoi colleghi scoprirono che l'attività in un gene chiamato Sonic hedgehog (Shh) svolgeva un ruolo significativo nella formazione e nella dimensione degli arti nelle lucertole, suggerendo che potrebbe anche essere significativo per i serpenti.

Con l'avvento della tecnologia di editing genetico, gli scienziati hanno monitorato l'attività embrionale dei pitoni per esaminare perché le loro gambe crescono, ma non si sviluppano mai completamente. I risultati hanno trovato 3 delezioni nell'interruttore genetico che controlla l'attività dello stesso gene Sonic hedgehog (SHH) !

Il gene prende il nome dal popolare personaggio dei cartoni animati Sonic the Hedgehog. (Photo Credit: Flickr)

L'interruttore è formalmente definito il potenziatore. L'enhancer promuove un ormeggio in cui vengono consegnate tutte le proteine ​​che controllano l'attività di questo gene. Le delezioni rendono difficile l'ancoraggio delle proteine, fornendo loro una stretta finestra di attività genica durante lo sviluppo embrionale del pitone, che è cruciale per la crescita di qualsiasi arto.

Alex Visel, un genomicista del Lawrence Berkeley National Laboratory di Berkeley, in California, ha confrontato le sequenze genetiche di antichi serpenti, come pitoni e boa, a serpenti di recente evoluzione come cobra e pitoni. Ha scoperto che quest'ultimo non possedeva resti di gamba che erano presenti nel primo. I loro potenziatori erano pieni di delezioni e mutazioni regressive.

I ricercatori hanno quindi tentato di testare l'influenza di questo potenziatore sugli arti del mouse, per prevedere i suoi effetti sulla crescita delle loro membra. In un esperimento perspicace, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica di modifica del gene CRISPR-Cas9 per sostituire l'esaltatore di un roditore con gli stimolatori di altri animali e quindi l'esaltatore di un serpente.

Quando si matura con l'esaltatore di altre specie, le zampe del mouse crescono convenzionalmente. Tuttavia, una volta sostituito con l'esaltatore di un serpente, la crescita degli arti era limitata a piccole protuberanze! Inoltre, quando il ricercatore ha apportato le necessarie aggiunte al DNA e ha riposto il potenziatore modificato nei topi, la crescita delle gambe è tornata alla sua normale crescita!

In questo modo, un microscopico pizzicotto che alterava i pioli del DNA del serpente limitava qualsiasi appendice sporgente a un bocciolo impercettibile, o nel caso di nuove iterazioni di specie di serpenti, causava una regressione di non avere alcuna appendice.

(Credito fotografico: Pixabay)

Tuttavia, gli scienziati sono ancora incerti sull'opportunità di ritenere che questa modifica sia la singola, monumentale mutazione che ha introdotto la tendenza della mancanza di gravità nelle lucertole e ha facilitato la loro evoluzione in serpenti. Credono che questa mutazione potrebbe non essere l'unico autore, ma è certamente un attore importante in questo dramma che si svolge.

Per ora, l'antenato comune di tutti i serpenti si annida ancora nell'ombra, elusivo e riluttante ad essere identificato.