Il piccione viaggiatore è famoso per l'enormità della sua popolazione storica in Nord America (stimata da 3 a 5 miliardi) e per la sua rapida estinzione di fronte al massacro di massa da parte dell'uomo. Eppure rimane un mistero perché la specie non sia riuscita a sopravvivere in almeno qualche piccolo, popolazioni isolate.

Una teoria, che è coerente con i risultati di un nuovo studio pubblicato il 17 novembre in Scienza , suggerisce che i piccioni viaggiatori erano ben adattati a vivere in enormi stormi, ma poco adattato a vivere in piccoli gruppi, e il cambiamento nella dimensione della popolazione è avvenuto così velocemente che non sono stati in grado di adattarsi.

"I piccioni viaggiatori hanno fatto davvero bene per decine di migliaia di anni, e poi improvvisamente si estinsero. Paradossalmente, la loro enorme dimensione della popolazione potrebbe essere stata un fattore nella loro estinzione, " ha detto l'autore corrispondente Beth Shapiro, professore di ecologia e biologia evolutiva all'UC Santa Cruz.

Il team di Shapiro ha esaminato la diversità genetica dei piccioni viaggiatori, utilizzando DNA recuperato da campioni museali. I ricercatori hanno confermato le precedenti osservazioni di una diversità genetica notevolmente bassa nella popolazione di piccioni viaggiatori. Ma dove i ricercatori precedenti hanno visto prove di una popolazione instabile che aveva oscillato tra alti e bassi, il nuovo studio ha raggiunto conclusioni molto diverse.

"Cosa abbiamo fatto, cosa che lo studio precedente non ha fatto, era di esaminare la variazione nella diversità attraverso il genoma. Abbiamo scoperto che non era solo inferiore al previsto nel complesso, era anche più variabile, e siamo stati in grado di vedere dove si trovano quelle regioni di alta e bassa diversità nel genoma del piccione viaggiatore, " ha detto la prima autrice Gemma Murray, un ricercatore post-dottorato nel Paleogenomics Lab di Shapiro presso l'UC Santa Cruz.

L'analisi ha rivelato modelli nel genoma del piccione viaggiatore che indicano che la bassa diversità genetica della specie era il risultato della selezione naturale che causava la rapida diffusione di mutazioni benefiche attraverso la popolazione e l'eliminazione di mutazioni cattive. I ricercatori non hanno trovato gli stessi modelli di diversità genetica in tutto il genoma nel piccione dalla coda a fascia strettamente correlato, che ha una popolazione relativamente piccola di circa 2 milioni originaria del Nord America occidentale.

"Quando abbiamo esaminato i tassi di evoluzione adattativa e la selezione purificante in entrambe le specie, abbiamo trovato prove che la selezione naturale aveva portato sia a un tasso più rapido di evoluzione adattativa nei piccioni viaggiatori sia a un'eliminazione più rapida delle mutazioni deleterie, "Ha detto Murray. "Questo è esattamente quello che ti aspetteresti di vedere se la selezione sta causando le differenze nella diversità genetica".

Quando una mutazione benefica si diffonde attraverso una popolazione, porta con sé tratti adiacenti di DNA, così le generazioni successive portano non solo la mutazione buona ma intere sezioni di DNA identico. Queste regioni a bassa diversità possono essere scomposte per ricombinazione, il processo in cui i cromosomi accoppiati si scambiano sezioni di DNA durante la formazione di ovuli e spermatozoi (il che spiega perché i genitori non trasmettono copie esatte dei loro cromosomi alla prole).

La ricombinazione tende ad avvenire meno frequentemente nel mezzo dei cromosomi che alle estremità, una tendenza particolarmente pronunciata negli uccelli. Nel genoma del piccione viaggiatore, i ricercatori hanno scoperto che le aree di bassa diversità genetica erano nel mezzo dei cromosomi, mentre le regioni a maggiore diversità erano alle estremità.

"Alle estremità dei cromosomi, nulla viene trascinato con la mutazione benefica a causa dell'alto tasso di ricombinazione, " ha spiegato Shapiro.

Quando i ricercatori hanno esaminato quali tipi di geni hanno mostrato prove di evoluzione adattativa, ne hanno trovati molti che potrebbero essere correlati ad aspetti dell'ecologia dei piccioni viaggiatori e alle esigenze di vivere in grandi stormi. Tra i 32 geni con una forte evidenza di evoluzione adattativa c'erano geni associati al sistema immunitario e alla riduzione dello stress (grandi, popolazioni dense tendono ad avere un alto carico di malattie e stress sociale) e con la capacità di mangiare molti certi cibi.

Questi risultati sono coerenti con l'idea che l'adattamento del piccione viaggiatore a grandi popolazioni potrebbe essere diventato una responsabilità quando la loro popolazione è stata ridotta. "Le nostre scoperte si adattano a quella storia, e non troviamo alcuna prova che la popolazione fosse instabile prima che la gente iniziasse a dar loro la caccia, " ha detto Murray.

Lo studio ha anche importanti implicazioni teoriche per i genetisti della popolazione. La teoria della popolazione prevede che le specie con grandi popolazioni dovrebbero avere una maggiore diversità genetica rispetto a quelle con popolazioni più piccole, ma questa previsione presuppone che la maggior parte del genoma si stia evolvendo "neutralmente" attraverso la deriva genetica, accumulando mutazioni casuali senza effetti né benefici né deleteri. I genetisti delle popolazioni usano spesso modelli che presuppongono un'evoluzione neutra per fare inferenze sulla storia di una popolazione.

"È un presupposto comune che se una specie ha una bassa diversità genetica, ha attraversato un collo di bottiglia della popolazione in qualche momento in passato, "Murray ha spiegato.

Ma le previsioni teoriche sulla relazione tra dimensione della popolazione e diversità genetica non sono confermate nel mondo reale. Questo è noto come il paradosso di Lewontin (dal biologo evoluzionista Richard Lewontin), e secondo Shapiro, potrebbe essere perché la selezione naturale è più efficiente in popolazioni più grandi e può sommergere gli effetti di cambiamenti casuali, rendendo invalida l'ipotesi di evoluzione neutra.

Si prevede che la selezione naturale abbia una maggiore influenza su grandi popolazioni sia perché è più probabile che si verifichino mutazioni fortemente benefiche, e anche perché nelle popolazioni piccole, gli eventi casuali hanno un effetto maggiore su ciò che viene trasmesso alla generazione successiva.

Le prove a sostegno di questa spiegazione del paradosso di Lewontin sono state presentate in un articolo del 2015 di Russell Corbett-Detig, assistente professore di ingegneria biomolecolare presso l'UC Santa Cruz e coautore del nuovo articolo. Il piccione viaggiatore e il piccione dalla coda fasciata, specie simili con dimensioni della popolazione molto diverse, offerto un'occasione perfetta per testare l'idea, disse Shapiro.

"L'interazione tra il paesaggio di ricombinazione e l'enorme popolazione di piccioni viaggiatori ci permette di vedere cosa c'è dietro il paradosso di Lewontin, " disse Shapiro. "Nella maggior parte delle specie, è probabilmente lecito ritenere che la maggior parte del genoma si stia evolvendo in modo neutrale, ma per specie con popolazioni molto grandi potremmo voler esitare. Questi strumenti che utilizzano la diversità genetica per fare inferenze sui cambiamenti storici nelle dimensioni di una popolazione non funzionano affatto per il piccione viaggiatore".