Uno studio sulla spina dorsale di balene e delfini fa luce su come questi mammiferi, un tempo terrestri, si siano adattati alla vita in acqua

Balene e delfini nuotano in modo molto diverso dai pesci: invece di spostarsi da un lato all’altro come fanno squali, tonni e pesci tropicali, i cetacei ondeggiano. Nonostante abbiano un corpo simile, questi animali sono molto diversi dai pesci: balene, delfini e focene, infatti, sono mammiferi che discendono da antenati terrestri. La loro transizione adattativa è tra le più estreme avvenute nei vertebrati: nel giro di circa 10 milioni di anni, questi animali passarono dall’essere quadrupedi terrestri a diventare perfetti nuotatori dall’aspetto simile a quello dei pesci.

Gli scienziati non hanno ancora capito come il passaggio all’ambiente acquatico, avvenuto circa 53 milioni di anni fa, abbia influito sulla spina dorsale dei cetacei. Un nuovo studio internazionale, però, rivela nuove preziose informazioni sul modo in cui la colonna vertebrale di questi mammiferi marini è stata riorganizzata per adattarsi al nuovo ambiente.

L’evoluzione dei cetacei: la perdita delle zampe

Secondo una teoria degli anni Sessanta, balene, delfini, focene e capodogli sono evoluti a partire dai Mesonychidae, robusti mammiferi ungulati carnivori endemici del Nord America e dell’Eurasia, nonché il primo gruppo di grandi mammiferi carnivori a comparire in Asia. Negli anni Novanta, però, le prime ricerche molecolari hanno rivelato un’origine diversa: i cetacei sono fortemente correlati agli artiodattili, e i loro parenti più stretti – tra gli animali esistenti – sarebbero gli ippopotami.

Oggi si ritiene che il primo antenato dei cetacei sia stato il Pakicetus, un mammifero ungulato simile a un lupo vissuto circa 50 milioni di anni fa nel subcontinente indiano, un animale terrestre che si cibava anche di pesci.

Il primo cetaceo a condurre una vita anfibia (sembra si comportasse grossomodo come gli odierni coccodrilli) fu l’Ambulocetus, circa 47-48 milioni di anni fa, mentre il primo completamente acquatico comparve soltanto 10 milioni di anni dopo, nell’Eocene superiore. Il Basilosaurus, inizialmente scambiato per un enorme rettile, è ufficialmente riconosciuto come la prima balena preistorica. Sebbene completamente acquatico, il Basilosaurus possedeva ancora i suoi arti posteriori: mentre le zampe anteriori si erano già trasformate in pinne, quelle posteriori conservavano un gomito e addirittura tre dita, seppur di dimensioni molto ridotte rispetto alla stazza dell’animale, che misurava oltre 15 metri di lunghezza.

Poi, gradualmente, i cetacei hanno perso le zampe e l’osso sacro. La colonna vertebrale è diventata la parte principale del loro scheletro, ed è proprio dallo studio della loro spina dorsale che è possibile ricostruirne l’evoluzione.

Il nuovo studio sulla spina dorsale dei cetacei

Un nuovo studio pubblicato su Nature Communications fa luce sul modo in cui la spina dorsale di questi mammiferi marini è stata riorganizzata quando i loro antenati sono passati alla vita acquatica. Il team di ricerca internazionale, guidato da Harvard, ha scoperto che, contrariamente a quanto ipotizzato in precedenza, la spina dorsale dei cetacei è altamente regionalizzata, pur avendo una forma omogenea per tutta la sua lunghezza. Il modo in cui la spina dorsale è regionalizzata, tuttavia, è drasticamente diverso da quello dei mammiferi terrestri.

Nello studio, il team ha anche analizzato la correlazione tra le regioni della spina dorsale e l’habitat e la velocità di nuoto, scoprendo che le specie che vivono in mare aperto hanno più vertebre, più regioni e una velocità di nuoto più elevata. Le specie che vivono più vicine alla costa, invece, hanno meno vertebre e regioni, ma queste ultime differiscono maggiormente l’una dall’altra, consentendo potenzialmente una maggiore manovrabilità.

Come spiega Amandine Gillet, borsista Marie Curie presso il Dipartimento di Biologia Organismica ed Evolutiva di Harvard e presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Ambiente dell’Università di Manchester e prima autrice dello studio,

“Quando i loro antenati sono tornati in acqua, balene e delfini hanno perso le zampe posteriori e hanno sviluppato un corpo simile a quello dei pesci, ma questo cambiamento morfologico significa anche che la colonna vertebrale è ora la parte principale dello scheletro, poiché guida la locomozione in ambiente acquatico”.

Capire l’evoluzione delle vertebre dei cetacei

In un articolo del 2018 pubblicato su Science, le co-autrici della ricerca Stephanie Pierce e Katrina Jones hanno esplorato la complessa storia evolutiva della spina dorsale dei mammiferi utilizzando un nuovo metodo statistico sviluppato inizialmente per studiare la spina dorsale dei serpenti adattato al nuovo studio. Pierce e Jones hanno così dimostrato che la colonna vertebrale dei mammiferi terrestri è caratterizzata da regioni più numerose e differenziate rispetto a quanto avviene in anfibi e rettili.

Come spiega Stephanie Pierce, professoressa del Dipartimento di Biologia Organismica ed Evolutiva di Harvard:

“È una sfida capire come rintracciare le regioni della spina dorsale di un mammifero terrestre nelle balene e nei delfini, e uno dei motivi è che la loro spina dorsale ha un aspetto molto diverso in termini di morfologia, anche se si sono evoluti da loro. Hanno perso l’osso sacro, una serie di vertebre fuse che sostengono le zampe posteriori, e un punto di riferimento critico necessario per distinguere la coda dal resto del corpo”.

Le vertebre dei cetacei sono ulteriormente complicate dal fatto che sono diventate più omogenee nelle loro caratteristiche anatomiche. La transizione da una vertebra all’altra è quindi graduale rispetto alle transizioni estreme riscontrate nei mammiferi terrestri, rendendo più difficile l’identificazione delle regioni.

“Non solo hanno vertebre molto simili, ma alcune specie, in particolare focene e delfini, hanno molte più vertebre dei mammiferi terrestri, con alcune specie che hanno quasi 100 vertebre. Questo rende davvero impegnativo tradurre le regioni trovate nei mammiferi terrestri nelle ossa dorsali di balene e delfini”,

spiega Katrina Jones, tra le autrici dello studio.

MorphoRegions, un software per analizzare la spina dorsale

Il metodo statistico implementato da Pierce e Jones, chiamato Regions, ha permesso di analizzare la spina dorsale di ogni singolo esemplare. Ma mentre ha funzionato bene per la spina dorsale vincolata dei mammiferi terrestri, si è rivelato molto impegnativo per l’elevato numero di vertebre dei cetacei.

Gillet ha collaborato con il team Data Science Services dell’Harvard Institute for Quantitative Social Science per riscrivere il codice, consentendo al programma di ottenere risultati in pochi minuti: il nuovo programma, chiamato MorphoRegions, è stato reso pubblicamente disponibile per la comunità scientifica come pacchetto R di software computazionale.

“Questo è sicuramente uno dei maggiori progressi del nostro studio”, ha dichiarato Pierce. “Amandine ha passato mesi a perfezionare il programma in modo che potesse analizzare un sistema di unità ad alta ripetizione senza mandare in crash il computer”.

La Gillet ha applicato il metodo MorphoRegions ai dati che aveva precedentemente raccolto, che includono informazioni su 139 esemplari di 62 specie di cetacei, due terzi delle quasi 90 specie viventi. In totale, Gillet ha misurato 7.500 vertebre.

“Il nostro ampio set di dati ci ha permesso di dimostrare che non solo l’organizzazione della spina dorsale dei cetacei differisce da quella dei mammiferi terrestri, ma anche che i modelli variano all’interno dei cetacei, poiché abbiamo identificato da sei a nove regioni a seconda della specie”,

ha detto Gillet.

Come è organizzata la colonna vertebrale dei cetacei?

Le ricercatrici hanno quindi lavorato per trovare punti in comune tra le regioni e sono riuscite a identificare un modello comune per tutti i cetacei. L’ipotesi proposta dall’équipe introduce un’organizzazione gerarchica della spina dorsale: i due segmenti principali, quello precaudale e quello caudale, sono suddivisi in diversi moduli comuni a tutti i cetacei (cervicale, toracico anteriore, toracico-lombare, lombare posteriore, caudale, peduncolo e lobi). Poi, a seconda della specie, ogni modulo è ulteriormente suddiviso in una o quattro regioni, con un minimo di sei e un massimo di nove regioni post-cervicali lungo la spina dorsale.

“Sorprendentemente, questo ci ha mostrato che il segmento precaudale ha meno regioni rispetto ai mammiferi terrestri, mentre l’area caudale ne ha di più. I mammiferi terrestri usano la coda per una serie di funzioni diverse, ma di solito non per generare forze propulsive, come fanno i cetacei. Avere più regioni nella coda può consentire il movimento in regioni molto specifiche della coda”,

ha spiegato Pierce.

Con una migliore comprensione dell’organizzazione della spina dorsale dei cetacei, le ricercatrici intendono ora affrontare il problema della correlazione tra queste regioni morfologiche e la funzione, utilizzando dati sperimentali sulla flessibilità della colonna vertebrale raccolti in laboratorio. Questi dati raccolti sui taxa moderni dovrebbero consentire di dedurre le capacità natatorie delle balene fossili e aiutare a capire come la spina dorsale si sia trasformata da struttura portante sulla terraferma a organo generatore di propulsione in acqua.

Ecco tre approfondimenti che potrebbero interessarti:

La sorprendente diversità genetica delle focene d’Alaska
Deep Sea Mining, la corsa all’oro che minaccia le balene
Scoperte 20 possibili nuove specie negli abissi del Pacifico