Con una visione eccezionalmente acuta e il colpo più veloce nel regno animale, Le canocchie sono formidabili predatori delle barriere coralline di tutto il mondo. Credito:Roy L. Caldwell, Dipartimento di Biologia Integrativa, Università della California, Berkeley, California
Esaminando da vicino i sistemi neurali dei gamberetti di mantide, principali predatori di artropodi della barriera corallina, ricercatori guidati da Nick Strausfeld dell'Università dell'Arizona e Gabriella Wolff, ora all'Università di Washington, scoperto strutture cerebrali che, secondo la saggezza dei libri di testo, non dovrebbero esserci.
Conosciuti come corpi di funghi, queste strutture, che svolgono un ruolo chiave nella formazione della memoria e nell'apprendimento, era stato trovato solo negli insetti, fino ad ora. I risultati sembrano mettere in discussione lo scenario più comune che ripercorre come le strutture cerebrali si sono evolute negli artropodi.
Poiché è universalmente accettato che gli insetti si siano evoluti dai crostacei, e i corpi dei funghi sono esclusivi degli insetti (o almeno così sembrava), la maggior parte dei biologi concorda sul fatto che queste strutture cerebrali uniche si siano evolute dopo che il lignaggio degli insetti si è separato dal lignaggio dei crostacei.
Le implicazioni dello studio, che è pubblicato nella rivista ad accesso libero eLife , indicare uno dei due possibili scenari, entrambi ugualmente suscettibili di suscitare un clamore nella comunità scientifica. Secondo Strausfeld, un professore di Regents nel Dipartimento di Neuroscienze dell'UA e l'autore senior del documento, un'interpretazione suggerisce che i corpi dei funghi siano molto più antichi di quanto gli scienziati credessero e si siano persi in quasi tutti i crostacei tranne la canocchia, un gruppo noto come stomatopodi che sono il gruppo gemello di crostacei come gamberetti, aragosta e granchi. Nell'altro scenario, i corpi dei funghi si sono evoluti indipendentemente negli stomatopodi e sono analoghi alle loro controparti negli insetti, attraverso un processo noto come evoluzione convergente.
Composto da più di 4 milioni di specie, gli artropodi sono il gruppo più numeroso e diversificato di animali, compresi i crostacei, insetti e ragni. Si pensa che tutti gli artropodi discendano da un antenato comune, molto probabilmente una creatura che abitava il fondo dell'oceano più di 550 milioni di anni fa. L'esatta ramificazione dell'albero genealogico degli artropodi in quel primo periodo rimane oscura, un'immagine abbozzata velata dagli strati del tempo profondo e dalle lacune nella documentazione fossile.
Visualizzando le cellule e le connessioni neurali nel cervello delle cicale di mare, gli autori dello studio mostrano che tra i crostacei, solo i gamberetti di mantide possiedono veri corpi di funghi. intrigante, anche se, hanno anche trovato alcuni attributi di queste strutture iconiche in parenti stretti della canocchia:gambero pulitore, gamberi pistola e granchi eremiti terrestri.
I corpi dei funghi canocchie rivelano sorprendenti somiglianze con quelli trovati negli insetti. Qui sono mostrate le caratteristiche reti ortogonali di fibre nervose dal corpo a fungo di una canocchia (in alto) e di uno scarafaggio (in basso). Credito:Wolff et al.
Potrebbe non essere una coincidenza, gli autori suggeriscono, sostenendo che tra i crostacei, canocchia e i loro parenti sono l'unico gruppo conosciuto che dipende dalla memoria delle posizioni esatte. Può quindi non essere un caso che proprio quei taxa abbiano trattenuto i corpi fungini perché "uno dei driver proposti dell'evoluzione dei grandi corpi fungini è l'esigenza di ricordare le posizioni esatte e le proprietà dei luoghi da cui ottenere cibo, "come scrivono gli autori.
"Negli insetti, i corpi dei funghi sono necessari per l'apprendimento e la memoria, " Dice Strausfeld. "Abbiamo mostrato in precedenza che negli scarafaggi sono necessari per memorizzare il luogo. Questo può essere vero per la maggior parte degli insetti. Trovare questa struttura in un crostaceo è davvero emozionante, perché fa pensare che possa essere sorto in tempi remoti:un centro antico, conservata per oltre mezzo miliardo di anni, per svolgere questa funzione».
Utilizzando una tecnica nota come immunoistochimica, Wolff e Strausfeld hanno prima preparato sezioni molto sottili di tessuto cerebrale di gamberi di mantide e hanno applicato anticorpi che rilevano in modo specifico alcune proteine note per svolgere ruoli importanti nell'apprendimento e nella memoria. Poiché questi anticorpi sono accoppiati a marcatori fluorescenti, i ricercatori possono tracciare le posizioni esatte di queste proteine mentre delineano l'architettura anatomica del sistema nervoso.
"Quando studiamo al microscopio le sezioni colorate per le proteine dell'apprendimento e della memoria, i caratteristici lobi del corpo dei funghi che caratterizzano i corpi dei funghi degli insetti si illuminano molto intensamente, "dice Strausfeld.
Il team è fiducioso che le strutture identificate siano effettivamente corpi di funghi. Considerando che in passato solo tre caratteri neuroanatomici venivano usati abitualmente per identificare queste strutture caratteristiche nei cervelli degli insetti, il team ha ampliato questa suite di personaggi a 14 e, secondo Strausfeld, "con nostra gioia, come gli insetti, canocchia rivelano ognuno di loro."
Gli autori dello studio riconoscono che, sebbene intrigante, le loro scoperte non forniscono una conclusione definitiva su come e quando si sono evoluti i corpi dei funghi. L'ipotesi che centri identici di tale straordinaria complessità si siano evoluti in modo convergente negli stomatopodi e negli insetti è affascinante quanto l'alternativa, quella dei corpi dei funghi che si evolvono all'inizio dell'evoluzione di tutti gli artropodi. Strausfeld e i suoi coautori non scommettono su uno come più probabile dell'altro.
Quando i ricercatori hanno colorato il tessuto cerebrale del gambero di mantide per le proteine dell'apprendimento e della memoria note dal moscerino della frutta Drosophila e le hanno studiate al microscopio, hanno scoperto che i caratteristici lobi del corpo dei funghi che caratterizzano le loro controparti negli insetti "si illuminavano molto intensamente". (Immagine a sinistra:gambero di mantide; immagine a destra:scarafaggio) L'immagine al centro mostra l'intero corpo di fungo ricostruito in 3-D del gambero di mantide. Credito:Wolff et al.
"Non possiamo escludere la convergenza, "dice Wolff, "perché è possibile che strutture complesse evolvano più volte, anche se non è lo scenario più probabile".
Come i migliori predatori che usano la loro formidabile visione per inseguire e cacciare prede su distanze considerevoli, canocchia devono valutare e ricordare caratteristiche complesse del loro ambiente, notano gli autori. Allo stesso modo, gamberi più puliti, gamberetti pistola e granchi eremiti terrestri si affidano a capacità di memoria spaziale e temporale avanzate non condivise da altre specie di crostacei, che potrebbero aver perso i loro corpi fungini nel corso dell'evoluzione.
Negli studi precedenti, Wolff e Strausfeld hanno scoperto strutture che ricordano i corpi dei funghi nei taxa che si sono evoluti prima dei crostacei e degli insetti, come millepiedi, ragni, persino vermi piatti. Dice Wolff:"Penso che sia molto probabile che queste strutture esistessero nell'ultimo antenato comune degli artropodi, e le specie che non li hanno li hanno in secondo luogo persi."
Gli autori sperano che lo studio dei trascrittomi del corpo dei funghi, i modelli di espressione genica che caratterizzano i loro neuroni partecipanti, servirà come arbitro finale.
"La domanda a cui alla fine vogliamo rispondere è:qual è stato il primo cervello?" dice Strausfeld. "La nostra ricerca ci fornisce una panoramica di un'antica struttura cerebrale. Il cervello più antico non era semplicemente definito come l'estremità anteriore del sistema nervoso, ma qualcosa di più elaborato. Tracce fossili fatte oltre 520 milioni di anni fa ci mostrano che anche i cervelli più antichi potevano prendere una decisione su cosa fare dopo e dove tornare, e quelle decisioni potrebbero benissimo essere state informate non solo da informazioni sensoriali immediate, ma anche dal richiamo".
