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The molecular drivers of deep-sea adaptation in brittle stars

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Uno studio sul genoma rivela quanto le stelle serpentine si siano adattate alle condizioni estreme della vita nelle acque profonde

A migliaia di metri al di sotto della superficie oceanica, le regioni buie pullulano di eserciti inimmaginabili di creature bizzarre e meravigliose. Una ricerca europea finanziata dall’UE ha fornito indizi circa il modo in cui le stelle serpentine si sono adattate alla vita ben oltre la portata dei raggi solari.

Ricerca di base

Per avere un assaggio delle forme di vita più strane sulla Terra che sfuggono a ogni spiegazione, non esiste luogo migliore delle profondità dell’oceano. Un’intera serie di invertebrati lotta in continuazione per sopravvivere e prosperare in un ambiente marino estremo in cui la luce del sole non penetra, affrontando temperature inferiori allo zero e distruggendo la pressione idrostatica. «Il fondale oceanico profondo è l’ecosistema meno esplorato del pianeta, anche se ricopre oltre i due terzi della superficie terrestre. Comprendere in che modo questo mondo misterioso e alieno delle acque profonde si adatta a un ambiente così estremo è uno dei più grandi enigmi evolutivi», osserva Alexandra Weber, coordinatrice del progetto DEEPADAPT, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie. «Sorprendentemente, si sa poco circa i meccanismi molecolari alla base dell’adattamento degli animali alle acque profonde. Quali e quanti geni sono coinvolti nell’adattamento? In che misura è presente una convergenza evolutiva tra taxa lontani?», si chiede Weber.

La sfida di studiare le creature delle acque profonde

La borsista Marie-Curie ha concentrato la propria attenzione nello specifico sulle stelle serpentine, che appartengono alla classe degli Ophiuroidea. Questo elegante e meraviglioso gruppo di invertebrati marini è onnipresente nelle acque profonde e si caratterizza con varie forme, dimensioni e colori. Tali animali si trovano in un’ampia varietà di habitat nelle acque profonde e, in questi luoghi, sono presenti in abbondanza, il che sottolinea le loro forti capacità adattive. Tuttavia, sebbene siano tra gli abitanti più presenti delle acque profonde, in che modo i ricercatori possono studiare questi organismi? «Qualsiasi studio osservativo o sperimentale sulle acque profonde a profondità di 4 000 m è irto di difficoltà. Quando gli organismi delle acque profonde vengono portati in superficie, non sopravvivono al cambio di pressione e temperatura», spiega Weber. I campioni che provengono dalle collezioni dei musei hanno fornito una pista per raggirare questo ostacolo, consentendo di condurre studi genomici per analisi approfondite del DNA delle stelle serpentine.

Nuove informazioni sulla genomica evolutiva delle stelle serpentine

Il progetto DEEPADAPT è stato in larga misura dedicato a decifrare i meccanismi molecolari dell’adattamento delle stelle serpentine alle acque profonde. Per studiare in che modo le famiglie di stelle serpentine imparentate alla lontana abbiano sviluppato indipendentemente tratti simili, Weber ha esaminato l’evoluzione molecolare di circa 400 geni derivanti da 700 specie di stelle serpentine. I risultati hanno mostrato che la biogenesi delle proteine (tra cui il ripiegamento e la traduzione delle stesse) è un meccanismo chiave che consente di adattarsi alle acque profonde. Un’analisi di sequenziamento dell’intero genoma su 80 specie di stelle serpentine ha fornito indizi relativi ai fattori ambientali, biologici e genomici che condizionano le dimensioni del genoma. In particolare, Weber ha scoperto che i tratti del ciclo vitale delle specie delle acque profonde, quali la loro elevata longevità e il loro basso metabolismo, contribuiscono ampiamente a dimensioni maggiori del genoma. Inoltre, la ricercatrice ha scoperto che le dimensioni del genoma sono mediate da cambiamenti nelle sequenze ripetute che si verificano in copie multiple in tutto il genoma. Infine, Weber ha condotto un’analisi di sequenziamento dell’intero genoma su 120 stelle serpentine degli abissi appartenenti a una specie chiamata Ophiosphalma armigerum per determinare in che modo i geni condizionano il loro adattamento a livello locale. Questi campioni provenivano da diverse regioni di acque profonde in tutto il mondo e da profondità comprese tra i 2 500 e i 4 000 m. Il progetto DEEPADAPT ha svelato firme di isolamento riproduttivo in stelle serpentine morfologicamente identiche appartenenti a specie diverse che derivavano dalla stessa regione di acque profonde, ma da diverse profondità. Inoltre, lo studio ha rivelato che specie strettamente correlate mostravano firme di ibridazione, suggerendo che i meccanismi di isolamento riproduttivo fossero postzigoti, il che significa che si verificano dopo la fusione di spermatozoi e ovuli. «I risultati del progetto esercitano importanti implicazioni per la biologia evolutiva. Inoltre, possono gettare luce sul modo in cui la varietà di vita animale nelle acque potrebbe affrontare i cambiamenti climatici», conclude Weber.

Parole chiave

DEEPADAPT, stelle serpentine, acque profonde, adattamento, sequenziamento dell’intero genoma, isolamento riproduttivo, evoluzione convergente

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