Tre anni fa, quando il biologo di Harvard Jonathan Losos si stabilì alla Geological Lecture Hall per una conferenza del collega scienziato Richard Lenski, stava giocando con l'idea di scrivere un libro sull'evoluzione. Finita la lezione, aveva finito di giocare.

Losos, un biologo evoluzionista e il professore Monique e Philip Lehner per lo studio dell'America Latina, ha detto che il lavoro descritto da Lenski di Michigan State riempiva un quadro in parte dipinto da esperimenti di cui Losos era già a conoscenza, alcuni dei quali aveva condotto lui stesso, con lucertole del genere Anolis, comunemente chiamati anoli, sulle isole dei Caraibi.

La ricerca di Lenski ha approssimato ciò che il defunto paleontologo di Harvard Stephen Jay Gould, che ha scritto molto sull'evoluzione, avrebbe potuto descrivere come "riprodurre il nastro della vita, " ha detto Loso.

"Gould aveva suggerito che se potessimo in qualche modo riprodurre il nastro, ricominciare l'evoluzione dallo stesso punto di partenza, allora otteniamo un risultato molto diverso, " disse Losos. Ma Gould sapeva anche che il progetto che stava descrivendo era impossibile, rigorosamente "un esperimento mentale, ", come ha detto Losos.

"Ma Lenski ha mostrato che puoi riprodurre il nastro, almeno in laboratorio utilizzando microrganismi, " ha detto. " Avviando 12 popolazioni di E. coli che erano inizialmente identiche e sottoponendole tutte alle stesse pressioni di selezione naturale, stava effettivamente riproducendo il nastro, non tornare indietro nel tempo, ma lasciando che il nastro venga riprodotto fianco a fianco nelle sue 12 repliche sperimentali.

"Inoltre, Mi sono reso conto che lo stesso approccio veniva adottato non solo in laboratorio da Lenski e dai tanti, molti investigatori che ha ispirato, ma simili esperimenti di evoluzione si stavano svolgendo anche in ambienti naturali, scambiare l'ambiente ipercontrollato del laboratorio per il realismo naturale degli studi sul campo. Infatti, Alcuni di questi studi li avevo fatti io stesso".

In un Q&A sulla Gazzetta, Losos ha discusso del libro che la conferenza di Lenski ha contribuito a mettere in moto, "Desti Improbabili:Destino, Opportunità, e il futuro dell'evoluzione."

GAZETTE:L'evoluzione di cui parli in "Improbable Destinies" non è la lenta evoluzione descritta da Charles Darwin. Anziché, è abbastanza veloce da poterlo osservare in tempo reale. Come è possibile questa rapida evoluzione?

LOSOS:Darwin è stato davvero notevole nelle sue intuizioni. Lo conosciamo per i suoi studi sull'evoluzione per selezione naturale, ma in realtà studiava tutti i tipi di fenomeni e aveva quasi sempre ragione. Si è scoperto, anche se, che non aveva capito bene il ritmo dell'evoluzione. Pensava che l'evoluzione fosse estremamente lenta, a un ritmo glaciale, tanto che non potevi aspettarti di vederlo se non in tanti, molte migliaia di anni. Ora sappiamo che non è corretto. Quando la selezione naturale è forte, l'evoluzione può avvenire molto rapidamente.

GAZETTE:Parli molto anche di evoluzione convergente, una volta pensato uno sviluppo raro. Che cos'è l'evoluzione convergente e come si inserisce nel quadro più ampio dell'evoluzione?

LOSOS:L'evoluzione convergente è il fenomeno in cui due specie, o anche popolazioni della stessa specie, evolvono indipendentemente per essere simili. Molto spesso è il risultato di quelle specie che si trovano in circostanze simili e la selezione naturale scolpisce la stessa soluzione adattativa. Questa è un'idea che è stata menzionata da Darwin in "Sull'origine delle specie, " e da allora lo sappiamo.

Ma non pensavamo fosse comune. È stato regolarmente citato dai biologi evoluzionisti come un grande esempio del potere della selezione naturale di fornire la stessa risposta ai problemi posti dall'ambiente. [Ma] quando i biologi scoprirono l'evoluzione convergente, userebbero parole come "colpire, " "eccezionale, " "inaspettato, " sottolineando che questa non è la norma. Ora sappiamo che l'evoluzione convergente si verifica abbastanza comunemente.

Uno dei motivi è che abbiamo utilizzato il sequenziamento del DNA per costruire alberi evolutivi. Questi alberi, chiamati filogenesi, indicano che le specie che pensavamo fossero strettamente imparentate perché sono simili nell'aspetto, o anatomia, o qualsiasi altra cosa, non sono. La loro somiglianza non è il risultato di una recente ascendenza condivisa, come pensavamo, ma di convergenza evolutiva.

Un esempio dal libro è un serpente di mare nei mari intorno all'Australia, India, e altrove in Asia. Gli scienziati pensavano che fosse una specie, con una distribuzione geografica notevolmente ampia. Quando gli scienziati hanno finalmente sequenziato il suo DNA, hanno scoperto che le popolazioni in luoghi diversi non erano strettamente correlate tra loro. Anziché, ognuno era più strettamente correlato ad altre specie di serpenti nella propria area e quindi la loro somiglianza incredibilmente stretta con altri serpenti marini era il risultato della convergenza.

GAZETTE:Parlare di evoluzione veloce e convergente porta al proprio lavoro. Parlaci delle lucertole dei Caraibi, e cosa hanno scoperto i tuoi studi.

LOSOS:Per il mio dottorato di ricerca, molti anni fa, Ho studiato le lucertole Anolis. Molte persone li conoscerebbero perché sono molto comuni in Florida, altrove nel sud-est degli Stati Uniti, e nelle isole dei Caraibi. Hanno un lembo di pelle sotto il collo che i maschi sporgono quando corteggiano le femmine o litigano con altri maschi. Ci sono 400 specie diverse in questo gruppo sparse nei tropici del Nuovo Mondo, quindi sono una grande storia di successo evolutivo.

Un aspetto su cui mi sono concentrato gran parte della mia carriera è che le lucertole su ciascuna delle grandi isole dei Caraibi, Cuba, Porto Rico, Hispaniola, e Giamaica, per la maggior parte si sono evoluti indipendentemente. E, da una o poche specie ancestrali, si sono diversificati in molte specie discendenti. Ma l'evoluzione ha preso un corso molto simile.

A Porto Rico, se entrassi nella foresta pluviale e ti sedessi in silenzio, dopo pochi minuti le lucertole dimenticherebbero che eri lì e vedresti che ci sono specie che vivono in diverse parti della foresta e che queste specie hanno caratteristiche anatomiche diverse. Per esempio, le specie vicino al suolo hanno zampe molto lunghe per correre e saltare a terra. Una specie in alto nella chioma è verde per mimetizzarsi e ha imbottiture per gli alluci a cui appendersi. Un'altra specie vive su ramoscelli e ha zampe molto corte per manovrare con cautela su superfici irregolari. Quindi queste specie si sono diversificate per adattarsi alle diverse parti dell'habitat che utilizzano.

Ciò che è notevole è che quando vai in altre isole, vedi questi stessi specialisti dell'habitat. Così, Per esempio, ciascuna delle isole ha un ramoscello anole, una specie allungata con zampe corte, molto mimetizzato e le specie sulle diverse isole sembrano abbastanza simili da dire che probabilmente sono la stessa specie. Ma non lo sono. Hanno evoluto indipendentemente queste caratteristiche. E ogni isola ha ciascuno dei tipi di specialista dell'habitat.

È un ottimo esempio di convergenza, ma con gli steroidi, se vorrai. Non solo convergenza di un tipo, ma di un intero insieme di specie adattate a parti diverse dei loro ambienti simili.

GAZETTE:E hai usato questa intuizione più avanti nella tua carriera per progettare effettivamente l'evoluzione e per vederlo accadere?

LOSOS:Queste lucertole, dovrei sottolineare, si sono evoluti nel corso di milioni di anni. Ma suggeriscono che l'uso di parti diverse dell'habitat:larghi tronchi d'albero, foglie nel baldacchino, superfici strette:ha selezionato per loro l'evoluzione di diverse caratteristiche anatomiche. E questo suggerisce che un esperimento ideale sarebbe esporre una specie di lucertola a nuove condizioni, un nuovo habitat, e avremmo chiare previsioni su come si adatterebbero a quell'habitat.

Quindi è esattamente quello che abbiamo fatto. Lavorando alle Bahamas, siamo stati in grado di prendere una specie che vive su larghi tronchi d'albero vicino al suolo e spostarla in minuscole isolette dove non c'erano grandi alberi, c'erano solo piccoli cespugli arruffati. Quindi hanno dovuto usare piccole superfici strette su cui sedersi. La nostra previsione era molto chiara dai nostri studi sulla grande isola, che avrebbero dovuto adattarsi evolvendo le gambe più corte. Ed è esattamente quello che hanno fatto e in un periodo di tempo relativamente breve.

GAZETTE:Ciò che emerge nel libro è un vero entusiasmo ed eccitazione per il lavoro. La capacità di studiare effettivamente l'evoluzione e condurre esperimenti su di essa in tempo reale sembra aver dato energia al campo. Com'è poter studiare queste domande fondamentali?

LOSOS:È spettacolare. Biologia evolutiva, per il primo secolo della sua esistenza, era considerata una scienza non sperimentale, uno con più somiglianza con la storia rispetto alle scienze di laboratorio. L'idea era:non puoi tornare indietro nel tempo e vedere cosa è successo, quindi devi solo cercare di capirlo.

Ma la capacità di fare esperimenti cambia tutto questo. Ora possiamo non solo formulare ipotesi, ma anche testarli usando il gold standard della scienza:esperimenti manipolativi. Le persone fanno esperimenti di laboratorio da decenni, ma per fare esperimenti sul campo, in condizioni naturali, è qualcosa che sta davvero decollando solo ora. Ci consente di formulare idee su come ha funzionato l'evoluzione sulla base delle nostre osservazioni sulla diversità oggi e in passato, e poi indagare queste ipotesi con studi meccanicistici, testare sperimentalmente come avviene l'evoluzione in risposta a presunti agenti selettivi.

GAZETTE:Il tuo libro parla molto dell'evoluzione convergente e della prevedibilità dell'evoluzione in determinate circostanze, ma conduci anche un esperimento mentale sul fatto che gli umani, o qualcosa di simile agli umani, si sarebbero evoluti se i mammiferi non fossero stati in giro. E in questo caso, nonostante ampie prove di convergenza, sembra che tu stia dicendo che la casualità non è andata via, e se inizi da punti di partenza molto diversi, finirai in punti finali molto diversi, anche sotto simili pressioni di selezione naturale.

LOSOS:Una delle grandi domande che trascendono la biologia evolutiva è:quanto era destinato il mondo ad essere come è oggi? Se gli eventi fossero accaduti diversamente in passato, il mondo sarebbe molto diverso?

Gli storici se lo chiedono sempre. E se Churchill fosse stato investito da un'auto a New York nel 1931, come è quasi successo? E se Kennedy non fosse stato assassinato? Quanto sarebbe diverso il mondo oggi? E i biologi evoluzionisti fanno la stessa domanda. Se guardi le piante e gli animali nel mondo che ci circonda, sono il risultato inevitabile di processi evolutivi di selezione naturale, o solo il risultato di particolari eventi nella storia della Terra che hanno mandato l'evoluzione lungo una strada e non un'altra?

Questo dibattito è stato catalizzato da Gould, che ha scritto un libro nel 1989 intitolato "Wonderful Life:The Burgess Shale and the Nature of History". Dentro, Gould sosteneva che l'evoluzione non era destinata a produrre risultati particolari. Ha detto che se potessimo in qualche modo tornare indietro nel tempo e ricominciare dallo stesso punto di partenza, il risultato sarebbe diverso ogni volta. Qualsiasi tipo di piccolo cambiamento che potrebbe sembrare irrilevante al momento potrebbe portare un individuo a sopravvivere e non un altro, far sì che una mutazione diventi comune e non un'altra, e l'evoluzione seguirebbe una strada molto diversa. Riascolta il nastro un milione di volte, Egli ha detto, e qualcosa come gli umani non si sarebbe mai più evoluto.

Questo era un punto di vista molto influente, ma non era basato su dati. Nessuno faceva questo tipo di esperimenti. Però, l'idea ha davvero entusiasmato molte persone, quindi c'è stata molta attenzione alla domanda negli ultimi 30 anni. E il motivo per cui ho scritto il libro è che mi sono reso conto che ora abbiamo molti dati empirici che affrontano la questione di quanto ripetibile, o quanto prevedibile, l'evoluzione è.

Una scuola di ricerca sorta si è concentrata sul fenomeno dell'evoluzione convergente, dello stesso esito evolutivo che si verificano più volte. Un certo numero di persone sostiene che l'evoluzione convergente dimostra che Gould si sbagliava. L'ambiente pone domande simili alle specie che vivono in molti luoghi diversi e ci sono soluzioni ottimali che la selezione naturale trova. Di conseguenza, puoi prevedere, quasi, che tipo di risultato otterresti in una particolare circostanza evolutiva, e quella soluzione si evolve di volta in volta. Contrariamente a quanto sostenuto da Gould, questi altri scienziati hanno sostenuto che particolari risultati sono inevitabili. Ed è così che l'evoluzione convergente è stata usata da alcuni scienziati per contestare l'idea della casualità, o la casualità, di evoluzione.

GAZETTE:E la tua stessa conclusione è da qualche parte nel mezzo, Giusto?

LOSO:Sì, e la ragione è che questi scienziati hanno assolutamente ragione sul fatto che l'evoluzione convergente è molto più comune di quanto eravamo abituati ad apprezzare. Mostra il potere della selezione naturale e ci sono alcuni risultati che si verificano ripetutamente. Quindi c'è del vero in questo.

Ma l'argomento fondamentalmente si riduce a un lungo elenco di esempi di evoluzione convergente e potresti fare un lungo elenco simile di esempi di mancata convergenza, di specie squisitamente adattate al loro ambiente ma senza eguali in nessun'altra parte del mondo.

Il mio esempio preferito è l'ornitorinco. Ecco una specie che si presta a tutti i tipi di scherno come comica, animale ridicolo, ma non è proprio giusto. In realtà sono estremamente ben adattati all'ambiente in cui si verificano, i flussi in Australia. Hanno una serie di caratteristiche:pelliccia lussureggiante, piedi palmati, coda potente, che li rende molto ben adattati.

La caratteristica più importante che hanno è il loro conto, che sembra il becco di un'anatra, ma che è molto diverso da quello di un'anatra. È coperto da sensori che rilevano sia le informazioni tattili - la leggera increspatura dell'acqua mentre nuota un pesce - sia le scariche elettriche che qualsiasi animale emette mentre si muove. Usando questi due sensi, possono trovare il cibo sott'acqua anche se hanno gli occhi chiusi e le orecchie e il naso chiusi. Così, in realtà sono straordinariamente ben adattati ai corsi d'acqua in cui vivono. Ma quei flussi non sono niente di speciale. Abbiamo stream simili in tutto il mondo, eppure non c'è nessun ornitorinco in nessuno di loro. Si è evoluto una volta in Australia, senza paralleli.

Ci sono molti esempi di questo:elefanti, Kiwi, giraffe. Si tratta di specie molto ben adattate al luogo in cui vivono, ambienti che si verificano in tutto il mondo, eppure non c'è evoluzione convergente.

Potresti fare un lungo elenco di esempi di non convergenza. Finora si è discusso di persone che hanno sostenuto che la convergenza è più comune o la non convergenza è più comune. E quel dibattito è diventato piuttosto stantio, perché, infatti, sono entrambi abbastanza comuni. Non importa quale lista sia più lunga. La vera domanda che abbiamo ora è:quali circostanze portano alcune specie ad evolversi in modo convergente, evolvere soluzioni convergenti, e in quali casi seguono percorsi evolutivi differenti, trovare adattamenti diversi alle stesse pressioni selettive? E questo è il tipo di lavoro che sta succedendo in molti posti in tutto il mondo, compresi alcuni laboratori qui ad Harvard.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.