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Alla scoperta dei lucanidi di Hachijo-jima

Dalle differenze nelle mandibole alla storia delle isole e del mare

Sulle isole principali del Giappone e a Hachijo-jima vivono lucanidi con mandibole seghettate: coleotteri che nei maschi hanno grandi pinze ai lati della bocca. Immaginiamo di affiancare un maschio di ciascun luogo, con il corpo di dimensioni simili. Quello di Hachijo-jima ha mandibole più corte. Basta questo per dire che appartengono a specie diverse?

Le differenze nelle mandibole sono uno degli indizi utili per distinguere le specie. Confrontando molti individui, i ricercatori hanno osservato che i maschi di Hachijo-jima tendevano ad avere mandibole più corte rispetto al corpo di quelli delle isole principali.

Perché questa differenza si è sviluppata a Hachijo-jima? L’isola si è formata quando vulcani nati sul fondo del mare sono emersi sopra la superficie. Si pensa quindi che gli antenati dei coleotteri abbiano attraversato il mare dopo la comparsa della terra emersa.

Una volta stabiliti a Hachijo-jima, i coleotteri hanno continuato a ricevere nuovi arrivati dalle isole principali o da altre isole? Kodai Kishino e i suoi colleghi si sono concentrati su questi spostamenti. Differenze nei collegamenti con l’esterno potrebbero essere legate all’evoluzione di mandibole più corte. Seguiamo questo mistero.

Per confrontare le mandibole, misurare la larghezza del torace

La lunghezza corporea indica quanto è lungo il corpo di un animale. Alcune guide ai lucanidi la misurano dalla punta delle mandibole all’estremità posteriore. Con questo metodo, mandibole più lunghe fanno aumentare la lunghezza corporea anche quando tutto il resto del corpo ha le stesse dimensioni. Per capire quanto fossero lunghe le mandibole in proporzione al corpo, il gruppo ha quindi scelto un altro riferimento: la larghezza del torace, la parte subito dietro la testa.

I ricercatori hanno fotografato dall’alto coleotteri di Nasu Kogen, sulle isole principali, e di Oshima, Niijima, Kozushima e Hachijo-jima. Nelle fotografie hanno misurato la larghezza del torace e la lunghezza delle mandibole. Rispetto alla larghezza del torace, le mandibole dei maschi tendevano ad accorciarsi nell’ordine: isole principali, Oshima, Niijima e Kozushima. Tra gli individui studiati, le mandibole proporzionalmente più corte erano quelle di Hachijo-jima.

Inizialmente i coleotteri di Hachijo-jima erano considerati un gruppo dalle caratteristiche locali particolari all’interno della stessa specie dei lucanidi dalle mandibole seghettate delle isole principali. Nel 1985, differenze nell’aspetto portarono a considerarli una specie distinta, il cui nome giapponese significa lucanide dalle mandibole seghettate di Hachijo. Questa volta il gruppo di Kishino ha studiato quali legami avessero avuto con i coleotteri delle altre isole e delle isole principali.

Quando Hachijo-jima si è staccata dalle isole principali?

Se i coleotteri hanno antenati comuni, in passato queste terre erano collegate? Hachijo-jima è un’isola vulcanica nella parte meridionale dell’arcipelago di Izu, che si allunga al largo della penisola di Izu. Le ricerche geologiche non hanno trovato prove che l’isola si sia formata staccandosi dalle isole principali. I vulcani da cui ha avuto origine sono nati sul fondo del mare e in seguito sono emersi.

Un indizio sulla data viene dalle ceneri vulcaniche arrivate da Kyushu. A Hachijo-jima sono state trovate ceneri di circa 240.000 anni fa all’interno di strati formati sulla terraferma. Ciò suggerisce che, quando le ceneri caddero, esistesse già terra sopra il livello del mare.

Considerata questa origine, è ragionevole pensare che gli antenati dei coleotteri siano arrivati via mare dopo la formazione della terra emersa. Un possibile mezzo di viaggio è il legno alla deriva. Sono venuti direttamente dalle isole principali o passando per isole vicine? Su che cosa viaggiavano, e quando sono arrivati? Gli strati geologici ci dicono soltanto che a quel tempo la terra esisteva già.

Cercare nel DNA le tracce degli spostamenti successivi

Supponiamo che gli antenati dei coleotteri abbiano attraversato il mare e si siano stabiliti sull’isola. Altri hanno continuato ad arrivare dalle isole principali o da altre isole? Non possiamo osservare direttamente quei viaggi antichi. Ma, se i nuovi arrivati hanno avuto discendenti sull’isola, il loro DNA potrebbe essere stato trasmesso fino ai coleotteri attuali. Il gruppo ha cercato queste tracce nel loro DNA.

Il DNA è una sostanza che porta informazioni legate alla formazione e al funzionamento del corpo. Nella sua struttura ci sono quattro tipi di componenti chimici chiamati basi. Il loro ordine conserva le informazioni. Questa sequenza passa dai genitori ai discendenti, ma talvolta una piccola parte cambia. Confrontare quali cambiamenti rimangono in popolazioni diverse aiuta a studiarne i legami.

Il gruppo ha confrontato per primo il DNA dei mitocondri. I mitocondri si trovano nelle cellule e utilizzano le sostanze nutritive del cibo per produrre energia in una forma utilizzabile dalla cellula. In molti animali il loro DNA viene ereditato soprattutto dalla madre. Confrontarne le sequenze permette quindi di seguire la linea materna, come risalire un albero familiare da una madre a sua madre.

I ricercatori hanno letto una parte del DNA mitocondriale. Contiene le informazioni per produrre un componente necessario alla produzione di energia.

Hanno confrontato le sequenze dei coleotteri per individuare parti uguali e diverse. Da questi risultati hanno stimato l’ordine con cui le linee di discendenza si sono separate da antenati comuni. Una rappresentazione di questi legami sotto forma di rami si chiama albero filogenetico.

Hanno costruito l’albero usando coleotteri di otto isole di Izu, delle isole principali e di altri luoghi. Hachijo-jima e le isole meridionali, tra cui Miyake-jima, si trovavano su uno stesso ramo, separato dal gruppo delle isole principali. Significa che, secondo la stima, i coleotteri di quel ramo condividevano tra loro un antenato più recente rispetto a quello condiviso con i coleotteri delle isole principali. Oshima e Niijima si trovavano sul ramo delle isole principali. Confrontare più parti del DNA mitocondriale non ha cambiato questa ramificazione.

In seguito il gruppo ha confrontato il DNA del nucleo, che si eredita sia dal padre sia dalla madre. Il nucleo è la parte della cellula che contiene la maggior parte del DNA. Sono stati confrontati 1.317 geni del DNA nucleare. Un gene è un tratto di DNA che porta informazioni legate alla formazione o al funzionamento del corpo.

Nell’albero costruito con il DNA nucleare, Oshima, Niijima, Miyake-jima e Hachijo-jima formavano un ramo separato dalle isole principali. Questo ramo si divideva poi tra Hachijo-jima e le altre tre isole. Miyake-jima, che nell’albero mitocondriale condivideva un ramo con Hachijo-jima, condivideva ora un ramo con Oshima e Niijima.

Questa differenza potrebbe essere legata agli spostamenti successivi all’insediamento? Se i coleotteri arrivati più tardi hanno avuto discendenti sulle isole, anche il loro DNA si sarà aggiunto alle popolazioni locali. Il gruppo ha esaminato più a fondo questa possibilità.

Quali isole condividono più cambiamenti del DNA con le isole principali?

I ricercatori hanno riunito Oshima, Niijima e Miyake-jima in un gruppo, confrontandolo con la popolazione di Hachijo-jima. Hanno verificato quale gruppo conservasse più posizioni del DNA con gli stessi cambiamenti osservati nei coleotteri delle isole principali.

Se, dopo la separazione, nessuno dei due gruppi avesse avuto discendenti con i coleotteri delle isole principali, non ci si aspetterebbe una forte concentrazione di questi cambiamenti comuni da una sola parte. Invece, nel gruppo delle tre isole c’erano più posizioni con gli stessi cambiamenti rispetto a Hachijo-jima.

Se i nuovi arrivati dalle isole principali si fossero riprodotti con i coleotteri delle tre isole, i discendenti avrebbero ereditato il loro DNA. Questo spiegherebbe lo squilibrio. Considerando anche altre analisi, il gruppo ha concluso che coleotteri provenienti dalle isole principali avevano lasciato discendenti sulle tre isole. A Hachijo-jima non ha ottenuto prove equivalenti di questo contributo.

La corrente Kuroshio ha ostacolato il viaggio verso Hachijo-jima?

Su Oshima, Niijima e Miyake-jima sono emerse tracce di legami con le isole principali, ma a Hachijo-jima non sono state trovate le stesse tracce. Tutte queste isole sono separate dal mare. Perché sono diverse?

Per approfondire la questione, il gruppo ha usato il DNA anche per stimare quando le popolazioni delle isole principali e di Hachijo-jima si sono separate. La stima è di circa 150.000 anni fa, con un intervallo riportato nell’articolo di circa 120.000–190.000 anni fa. Il calcolo presuppone che le due popolazioni non abbiano avuto discendenti insieme dopo la separazione. Quindi non indica quando i primi coleotteri sono arrivati sull’isola.

Gli strati geologici mostrano che a Hachijo-jima esisteva già terra circa 240.000 anni fa. Per capire i legami successivi dei coleotteri, Kishino e i suoi colleghi hanno guardato alla Kuroshio. Questa forte corrente marina passa talvolta tra Mikura-jima e Hachijo-jima. I ricercatori hanno considerato la possibilità che abbia ostacolato l’arrivo sull’isola.

Altre ricerche ricostruiscono i mari del passato attraverso il fango accumulato sul fondale. Suggeriscono che, durante un periodo freddo, la Kuroshio scorresse più a sud di oggi. Il gruppo di Kishino ha proposto che gli antenati dei coleotteri possano aver raggiunto Hachijo-jima allora. In seguito la corrente, spostandosi verso nord e attraversando lo spazio tra le isole, potrebbe aver trascinato il legno galleggiante altrove, rendendo l’isola più difficile da raggiungere. È un’ipotesi. La data stimata della separazione copre un intervallo ampio: non sappiamo se coincida esattamente con il cambiamento di percorso della corrente.

Ogni volta che i coleotteri delle isole principali hanno discendenti su un’isola, aggiungono il loro DNA alla popolazione locale. Il gruppo suggerisce che a Hachijo-jima questi apporti siano stati minori. Ciò potrebbe aver permesso ai cambiamenti adatti alla vita sull’isola di conservarsi più facilmente, favorendo anche l’evoluzione di mandibole più corte.

Che cosa hanno cambiato durante la crescita delle larve?

Se lo sviluppo delle mandibole è cambiato, il DNA legato alla crescita potrebbe offrire un altro indizio. Le cellule delle larve hanno un componente che riceve segnali di crescita inviati in base alle condizioni nutritive del corpo. Nei coleotteri di Hachijo-jima, il DNA con le istruzioni per produrre questo componente presentava differenze non osservate nelle altre popolazioni.

Il gruppo ha diviso larve delle isole principali in due gruppi e ha ridotto la produzione di questo componente in uno dei due. Misurando i maschi adulti, ha trovato mandibole proporzionalmente più corte nel gruppo con produzione ridotta rispetto a quello senza tale intervento. L’esperimento ha quindi confermato che il componente partecipa allo sviluppo delle mandibole.

Che cosa sappiamo e che cosa resta da verificare

Lo studio ha confermato che i maschi di Hachijo-jima hanno mandibole più corte anche tenendo conto delle dimensioni corporee. Il confronto del DNA ha rivelato tracce di discendenti dei coleotteri arrivati dalle isole principali a Oshima, Niijima e Miyake-jima. A Hachijo-jima non sono state trovate le stesse tracce. I legami con le isole principali differiscono quindi da isola a isola.

Il gruppo suggerisce che il minore ingresso di DNA dalle isole principali a Hachijo-jima abbia permesso ai cambiamenti adatti alla vita insulare di mantenersi più facilmente, favorendo l’evoluzione di mandibole corte. Sia l’ambiente dell’isola sia la storia di minori arrivi dall’esterno potrebbero aver contribuito.

Per verificare questa spiegazione resta ancora del lavoro. L’esperimento ha mostrato che ridurre la produzione di un componente legato alla crescita nelle larve delle isole principali porta a mandibole più corte. Non è stato però verificato se le differenze di DNA trovate a Hachijo-jima modifichino esse stesse la funzione del componente. Per capire quando le mandibole corte siano utili sull’isola, occorrerà anche studiare dove i maschi si incontrano e per che cosa competono.

Anche la spiegazione secondo cui la Kuroshio avrebbe ostacolato gli spostamenti verso Hachijo-jima resta un’ipotesi. Servono altre prove per capire quando e per quale percorso arrivarono i primi coleotteri e come cambiarono gli spostamenti successivi. Per esempio, confrontando altri insetti presenti sia a Mikura-jima sia a Hachijo-jima, si potrebbe verificare se anche le loro differenze di DNA aumentano tra le due isole. Questo potrebbe dare indizi sull’influenza della corrente.

Approfondendo una differenza nelle mandibole, siamo arrivati all’origine di un’isola e ai movimenti del mare. Legami più deboli con le isole principali hanno favorito un’evoluzione particolare a Hachijo-jima? La prossima sfida, partendo da questi risultati, è collegare e verificare il funzionamento del DNA e la vita dei coleotteri sull’isola.

Riferimenti