Cuore forte, sensi altamente sviluppati: la chiave della rapida diversità evolutiva dei primi pesci

Un team internazionale guidato da scienziati del Canadian Museum of Natural History e dell'Università di Chicago ha ricostruito il cervello, il cuore e le pinne di un pesce estinto chiamato Norselaspis glacialisutilizzando un minuscolo fossile delle dimensioni di un'unghia . In questo modo hanno scoperto le prove che questo pesce aveva sviluppato un agile stile di nuoto ottimizzato per i sensi molto prima della comparsa di mascelle e denti - adattamenti che consentivano una migliore assunzione di cibo.

"Questi sono i precursori di un momento chiave della nostra prima storia evolutiva", afferma Tetsuto Miyashita, ricercatore del Canadian Museum of Natural History e autore principale del nuovo studio pubblicato sullarivista Nature.

Le mascelle hanno cambiato tutto, ma forse non per prime

I pesci esistono da 500 milioni di anni. Le prime specie vivevano vicino ai fondali marini. Ma quando svilupparono mascelle e denti, tutto cambiò: 400 milioni di anni fa, i pesci dotati di mascelle dominavano già la colonna d'acqua. In definitiva, tutti gli artropodi - compreso l'uomo - sono emersi dalla rapida diffusione evolutiva dei vertebrati.

Per molto tempo ci si è chiesti come si fosse arrivati a questo evento chiave. Secondo la teoria standard, la mascella si è evoluta per prima, mentre altre parti del corpo si sono adattate successivamente per consentire un nuovo stile di vita predatorio. "Tuttavia, c'è una grande lacuna di dati su questa trasformazione", afferma Michael Coates, professore e presidente di Biologia e Anatomia Organismica all'Università di Chicago e uno degli autori principali dello studio. "Mancano istantanee dalla documentazione fossile che ci aiutino a determinare la sequenza degli eventi chiave e a ricostruire la progressione e la direzione del cambiamento".

Il nuovo studio ribalta l'idea che la mascella sia nata per prima. "Nel Norselaspis, un pesce senza mascella, abbiamo scoperto caratteristiche che pensavamo si trovassero solo nei pesci con la mascella", spiega Miyashita, ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Coates a Chicago. "Questo fossile, risalente al periodo Devoniano, più di 400 milioni di anni fa, dimostra che i sensi acuti e il cuore forte si sono formati molto prima dell'evoluzione di mascelle e denti".

Per ottenere queste informazioni sul funzionamento interno di Norselaspis, tuttavia, il team ha avuto bisogno di un incontro casuale e di uno strumento speciale.

I raggi X di sincrotrone rendono visibili organi prima invisibili

Il fossile di Norselaspisstudiato dal team è così ben conservato in un frammento di roccia che, dopo averlo esaminato ai raggi X, i ricercatori sono stati in grado di riconoscere le impronte del cuore, dei vasi sanguigni, del cervello, dei nervi, delle orecchie interne e persino dei piccoli muscoli che muovevano il bulbo oculare. Il fossile era nascosto in una delle migliaia di pezzi di arenaria raccolti nel 1969 durante una spedizione paleontologica francese nell'arcipelago artico norvegese di Spitsbergen.

Quarant'anni dopo, Philippe Janvier e Pierre Gueriau, coautori dello studio, hanno aperto una delle pietre durante un'ispezione dei campioni di roccia e hanno scoperto il cranio perfettamente conservato di un Norselaspis, lungo appena un centimetro e mezzo . Gli scienziati hanno portato il fossile in Svizzera per analizzarlo con i raggi X ad alta energia presso la beamline TOMCAT della Swiss Light Source SLS.

"Abbiamo utilizzato una tecnica chiamata microscopia tomografica a raggi X", spiega Federica Marone, scienziata della beamline TOMCAT presso la SLS. "Questo ci ha permesso di esaminare i dettagli tridimensionali del fossile in modo non distruttivo e con una risoluzione molto alta, fornendo intuizioni mai viste prima".

Il risultato è stato mozzafiato. Le immagini a raggi X hanno mostrato sezione dopo sezione, con dettagli sorprendenti, le sottili membrane ossee che circondano gli organi del pesce. Queste ossa sottilissime tracciano i contorni interni degli organi, che in precedenza erano sostenuti dallo scheletro.

"Oltre al consueto assorbimento del fascio di raggi X che attraversa il campione, abbiamo sfruttato la sua minuscola rifrazione e siamo così riusciti ad aumentare il contrasto tra tipi di tessuto simili", spiega Marone. "Questo ci ha permesso di fotografare queste ossa minuscole, larghe appena un centesimo di millimetro, sulle quali si possono vedere le impronte di organi che oggi non esistono più".

Un'immagine di microtomografia a raggi X del minuscolo pesce di 400 milioni di anni fa mostra come la sua anatomia, progettata per sfuggire ai predatori, lo abbia trasformato in un cacciatore dopo l'evoluzione delle sue mascelle. (Michael Coates)

Orecchie di avocado e cuore di melone

Dopo migliaia di ore al computer, i dati radiografici sono stati analizzati digitalmente e compilati in una mappa anatomica del pesce.

"Grazie a questo squisito atlante digitale, ora conosciamo l'anatomia del Norselaspis in modo più dettagliato rispetto a quella di molti pesci viventi", spiega Miyashita. Per esempio, il pesce aveva sette piccoli muscoli per muovere i bulbi oculari, mentre gli esseri umani ne hanno sei. Aveva orecchie interne sovradimensionate, un cuore enorme e vasi disposti come bypass per trasportare più sangue. "Se Norselaspis fosse della nostra taglia, le sue orecchie interne sarebbero grandi come un avocado e il suo cuore sarebbe grande come un melone cantalupo", spiega.

I pesci usano le loro orecchie interne in modo simile agli esseri umani per percepire vibrazioni, orientamento e accelerazione. Il cuore spazioso e il maggior flusso sanguigno hanno conferito all'animale una maggiore efficienza. "Si potrebbe addirittura dire che Norselaspis aveva il cuore di uno squalo sotto la pelle di una lampreda", afferma Miyashita.

Il pesce aveva anche aveva un paio di pinne angolate, simili a palette, dietro le branchie. Secondo Coates, queste sarebbero state utili per arresti improvvisi, sprint e virate. Queste innovazioni anatomiche facevano di Norselaspis un'auto sportiva maneggevole tra i pesci senza mascelle piuttosto lenti del suo tempo.

Da artista della fuga a predatore

Questo fisico dinamico si è probabilmente evoluto inizialmente per evitare i predatori e non per cacciare le prede. Ma ciò che innesca reazioni di fuga rapida nei pesci senza mascelle offre ai pesci con mascelle un vantaggio per ottenere l'opposto: Rintracciare e catturare il cibo in modo efficiente.

"L'evoluzione della mandibola in questo contesto ha portato a un collegamento cruciale tra i sistemi sensoriali, di nuoto e di alimentazione e, in ultima analisi, alla straordinaria diversità e abbondanza di pesci nel Devoniano", afferma Coates.

Tuttavia, le prime mascelle erano probabilmente più adatte ad aspirare il cibo insieme all'acqua e al fango piuttosto che a scattare contro le prede di passaggio. "Non è affatto detto che gli animali che si nutrono a terra siano cresciuti direttamente fino a diventare predatori apicali", afferma Miyashita.

Indizi sull'evoluzione dei vertebrati

Il nuovo studio mette in discussione anche l'idea che le spalle e le braccia degli attuali tetrapodi (vertebrati con quattro arti) si siano evolute da strutture branchiali modificate. Il team ha tracciato il nervo che porta alla spalla in Norselaspis e ha scoperto che scorre separatamente dai nervi che portano alle branchie : una prova evidente che una struttura non si è evoluta dall'altra. Il team sostiene invece che la spalla si è evoluta come una nuova struttura, con una nuova area - il collo - che separa la testa dal tronco.

"Molti di questi cambiamenti evolutivi riguardano il collegamento tra la testa e il tronco", spiega Miyashita. Nei pesci primitivi senza mascelle, la testa è continuamente collegata al tronco. Nei vertebrati con mascella, invece, queste due aree sono separate da collo e gola. Il Norselaspis si trova nel mezzo:la sua testa è direttamente collegata alla spalla, senza collo - quasi come se le braccia di un uomo sporgessero dietro le guance. Tuttavia, gli organi che si trovano in questa interfaccia - come l'orecchio interno, la spalla e il cuore - sono ingranditi e rimodellati in modo che l'animale possa affrontare meglio il suo ambiente.

I paleontologi stanno ancora indagando su cosa abbia innescato questa trasformazione. Alcuni, come Christian Klug dell'Università di Zurigo, che non ha partecipato allo studio, ritengono che la stirpe di Norselaspis si sia originata durante la cosiddetta rivoluzione del nekton, quando gli organismi marini iniziarono a spostarsi verso l'alto nella colonna d'acqua. A quel tempo, l'obiettivo era diventare più veloci, abili e agili.

"Con gli eventi storici, spesso enfatizziamo uno o due momenti simbolici tanto da farli diventare dei cliché. In questo senso, lo sviluppo della mascella è come lo sparo a Sarajevo che ha scatenato la Prima Guerra Mondiale nel 1914", afferma Miyashita. "Ma è essenziale capire il contesto. Nel Norselaspis, questo contesto lo troviamo nel cuore dell'animale".

Dopo le misurazioni tomografiche a raggi X che hanno rivelato l'anatomia di Norselaspis, l'SLS e le sue linee di fascio sono state ampiamente modernizzate. Oltre alla linea di fascio originale, che nel frattempo è stata aggiornata e rinominata S-TOMCAT, il portafoglio ottimizzato di TOMCAT comprende ora una seconda linea di fascio nuova di zecca (I-TOMCAT), specifica per gli esperimenti ad alta risoluzione e ad alto rendimento.

"Le nuove capacità ci permettono di rilevare dettagli nei fossili che prima erano nascosti", afferma Marone. "L'accesso a questo nuovo livello di dettaglio potrebbe cambiare profondamente la nostra comprensione di come la vita si è evoluta sulla Terra".