Nel 2012, negli stagni comparsi a Ōtsuchi dopo lo tsunami dell’anno precedente, il 38% degli spinarelli campionati era ibrido. Nel 2020 quella miscela genetica era quasi sparita: la popolazione aveva di nuovo una composizione quasi interamente riconducibile a Gasterosteus aculeatus, la specie d’acqua dolce. Nove anni, circa dieci generazioni. Abbastanza perché gran parte delle varianti genetiche ereditate dall’altra specie diventasse progressivamente sempre più rara.
A seguire anno dopo anno questa specie di esperimento evolutivo involontario è stato un gruppo coordinato dal National Institute of Genetics giapponese. Lo studio pubblicato su Nature Ecology & Evolution descrive uno dei rari casi in cui è stato possibile osservare quasi dall’inizio cosa succede al genoma dopo un’ibridazione avvenuta in natura.
L’origine di tutto è molto meno minuta dei pesci studiati. L’11 marzo 2011 il terremoto del Tōhoku e lo tsunami che ne seguì devastarono la costa nordorientale del Giappone. A Ōtsuchi, nella prefettura di Iwate, le onde superarono i dieci metri e, insieme all’abbassamento del terreno, lasciarono nel centro abitato nuovi stagni alimentati da acqua dolce.
Secondo la ricostruzione dei ricercatori, lo tsunami trasportò verso l’interno Gasterosteus nipponicus, spinarello marino, mentre il riflusso dell’acqua trascinò esemplari di Gasterosteus aculeatus provenienti dai corsi d’acqua a monte. I due pesci si ritrovarono così nello stesso ambiente e si incrociarono. Il movimento degli animali durante lo tsunami non è stato osservato direttamente, quindi questa dinamica rimane una ricostruzione; l’ibridazione successiva, invece, è stata documentata.
Si formò una popolazione ibrida. Chiamarla una nuova specie sarebbe parecchio prematuro: quello che i ricercatori hanno osservato negli anni successivi va quasi nella direzione opposta.
In dieci generazioni le varianti della specie marina perdono terreno
Dal 2012 al 2020 il gruppo ha seguito la composizione genetica degli spinarelli generazione dopo generazione. Nel primo campionamento gli ibridi erano numerosi, compresi individui già nati da successivi incroci con la specie d’acqua dolce. Poi il contributo genetico di Gasterosteus nipponicus ha iniziato a diminuire.
Il National Institute of Genetics descrive il risultato in termini piuttosto netti: entro il 2020 gran parte delle varianti genetiche provenienti dalla specie marina era stata eliminata dai campioni e la popolazione era tornata ad avere una composizione quasi interamente riconducibile a Gasterosteus aculeatus.
Gli scienziati parlano di genome-wide purging, una progressiva eliminazione delle varianti genetiche introdotte dall’altra specie. Questo non significa che il DNA sia stato “cancellato” dentro gli stessi pesci. Generazione dopo generazione, alcune varianti ereditate da Gasterosteus nipponicus sono diventate sempre più rare perché gli individui che le portavano potevano avere probabilità diverse di sopravvivere, riprodursi o rimanere nello stagno.
Le prime a diminuire rapidamente sono state proprio alcune regioni del genoma già legate alle barriere che separano le due specie: sopravvivenza in acqua dolce, tendenza a migrare verso il mare, scelta del partner e difficoltà riproduttive degli ibridi maschi. In altre parole, le regioni associate ad alcune delle principali barriere tra le due specie hanno perso più rapidamente le varianti provenienti da Gasterosteus nipponicus.
Vivere nello stagno oppure andarsene verso il mare
@National Institute of Genetics
Una parte della spiegazione sembra stare nell’ambiente lasciato dallo tsunami. Gasterosteus aculeatus vive in acqua dolce in quest’area; Gasterosteus nipponicus è invece una specie marina capace di migrare tra mare e acque interne. Negli esperimenti condotti dai ricercatori, gli spinarelli marini hanno mostrato una sopravvivenza molto più bassa nell’ambiente d’acqua dolce rispetto alla specie residente. In una prova con 60 individui per specie, alla fine sono stati recuperati vivi 53 esemplari di Gasterosteus aculeatus e soltanto due di Gasterosteus nipponicus.
Gli individui ottenuti da retroincroci tra ibridi e spinarelli d’acqua dolce hanno permesso poi di individuare alcune regioni genetiche associate proprio alla sopravvivenza. In certe zone del genoma, le varianti provenienti dalla specie marina erano meno frequenti tra i pesci sopravvissuti; in altre, invece, risultavano più rappresentate, suggerendo che il loro effetto non fosse sempre svantaggioso.
C’è anche una possibile uscita fisica dalla popolazione. Gli stagni di Ōtsuchi comunicano attraverso piccoli passaggi con un tratto d’acqua salmastra e, da lì, con il mare. Negli esperimenti sul comportamento migratorio Gasterosteus nipponicus mostrava una maggiore propensione a spostarsi verso valle, mentre i retroincroci occupavano una posizione intermedia. Alcune varianti provenienti dalla specie marina potevano quindi diventare più rare nello stagno anche perché i pesci che le portavano avevano maggiori probabilità di allontanarsi. Sopravvivenza e migrazione spiegano una parte della storia. Non tutta.
Il caso da solo non basta a spiegare una perdita così rapida
Quando una variante genetica scompare da una popolazione non serve necessariamente tirare in ballo la selezione naturale. Può succedere anche per deriva genetica: in ogni generazione qualcuno si riproduce di più, qualcuno di meno e certe varianti finiscono per perdersi semplicemente per caso.
I ricercatori hanno quindi confrontato ciò che era successo davvero con simulazioni in cui le frequenze genetiche cambiavano senza che una variante fosse particolarmente vantaggiosa o svantaggiosa. Nei dati e nei codici depositati su Dryad sono stati testati anche scenari con dimensioni di popolazione differenti, partendo da una stima di 22.485 individui.
Per ciascuno dei 667 punti diagnostici usati per distinguere geneticamente le due specie, il gruppo ha simulato migliaia di volte l’andamento delle varianti nelle generazioni successive. Nella grande maggioranza dei casi, la diminuzione osservata delle varianti provenienti da Gasterosteus nipponicus era più rapida di quella prevista dalla sola deriva genetica. Il caso, quindi, non sembra bastare.
Nemmeno poche regioni del genoma con effetti molto forti riuscivano però a riprodurre interamente ciò che era accaduto. Le simulazioni si avvicinavano di più ai dati reali inserendo numerose incompatibilità genetiche distribuite nel genoma: combinazioni tra varianti delle due specie capaci, insieme, di penalizzare gli ibridi nelle generazioni successive.
È una possibilità sostenuta dai modelli, non la dimostrazione che quelle specifiche incompatibilità siano effettivamente presenti negli spinarelli di Ōtsuchi. Gli stessi autori indicano tra i prossimi passaggi proprio l’analisi più approfondita del genoma per capire quali meccanismi abbiano fatto diminuire così rapidamente le varianti provenienti dalla specie marina.
Lo tsunami li ha mescolati, le due specie non si sono fuse
Il caso di Ōtsuchi interessa gli evoluzionisti perché permette di osservare in pochi anni qualcosa che normalmente si ricostruisce molto tempo dopo: cosa succede quando due specie già ben differenziate tornano improvvisamente a scambiarsi geni.
Qui il contatto è stato brutale e rapidissimo. Nel 2012 quasi quattro pesci campionati su dieci erano ibridi. Alla decima generazione, in 629 dei 667 punti genetici utilizzati per distinguere le due specie, le varianti di Gasterosteus nipponicus non comparivano più nei pesci analizzati. Alcune regioni del genoma, però, le conservavano ancora.
Nel frattempo hanno agito insieme sopravvivenza nell’acqua dolce, comportamento migratorio, barriere riproduttive e probabilmente altre incompatibilità genetiche ancora da identificare. Lo tsunami ha creato l’occasione per mescolare i patrimoni genetici delle due specie. Nove anni dopo, in quegli stagni, gran parte delle varianti portate dallo spinarello marino era già scomparsa dai campioni.