Il mantello dell'invisibilità del coleottero e le formiche vellutate degli alberi

La biosfera terrestre è piena di relazioni simbiotiche: dai batteri che sono diventati i mitocondri delle nostre cellule, ai funghi micorrizici che aiutano le piante a crescere, fino alla miriade di acari, vespe, vermi e mosche che si guadagnano da vivere parassitando altri animali. Ma la simbiosi è spesso una strada a senso unico: quando si evolve, non c'è modo di tornare indietro e i simbionti si legano irreversibilmente ai loro ospiti o alle specie partner. Queste "simbiosi obbligate" sono tra le interazioni ecologiche più antiche, alcune risalgono a centinaia di milioni di anni fa, sono come pilastri attorno ai quali si è evoluto il resto del mondo naturale.

Una nuova ricerca che fa luce sul motivo per cui le simbiosi diventano irreversibili, ma anche sul perché questi stili di vita non rappresentano necessariamente un vicolo cieco evolutivo è stata condotta nel laboratorio di Joe Parker, professore di biologia e ingegneria biologica e direttore del Center for Evolutionary Science del California Institute of Technology (Caltech), viene descritta in due studi pubblicati recentemente: “Symbiotic entrenchment through ecological Catch-22“ su Cell ed “Enforced specificity of an entrenched symbiosis” su Current Biology.

Il team di Parker ha passato 8 anni nella Angeles National Forest a studiare le colonie dominanti di formiche vellutate degli alberi (Liometopum occidentale) che sono parte integrante dell'ecosistema forestale e che formano colonie di milioni di operaie aggressive, ma al loro interno vive uno straordinario coleottero impostore, lo Sceptobius , un insetto simbionte che si trova solo in questi nidi ostili.

Al Center for Evolutionary Science del Caltech spiegano che «Lo Sceptobius non è in grado di vivere al di fuori delle colonie di formiche, che sono fortezze impenetrabili per la maggior parte degli altri insetti. Il coleottero ha sviluppato una relazione complessa con le formiche, nella quale viene trattato come un compagno di nido piuttosto che attaccato e viene persino nutrito bocca a bocca dalle formiche. Si nutre anche di uova e larve delle formiche, vivendo come un parassita sociale che sfrutta la colonia, senza fornire quasi nulla in cambio».

Lo studio pubblicato su Cell da un team di ricercatori del Caltech guidato da Thomas Naragon della Division of Chemistry and Chemical Engineering, si è chiesto come Sceptobius riesca a ingannare le formiche facendo credere di essere una di loro e gli scienziati hanno scoperto che «Che Sceptobius si infiltra nelle colonie sviluppando un "mantello dell'invisibilità", disattivando i propri feromoni e diventando un intruso furtivo. In questo modo, il suo corpo diventa una tela bianca su cui può "dipingere" i feromoni della formica, rubando l'identità chimica della colonia per ottenere l'accettazione delle formiche. L'evoluzione di questa capacità ha, tuttavia, avuto un prezzo, poiché la strategia furtiva è probabilmente evolutivamente irreversibile».

La comunicazione degli insetti utilizza la chimica: «Sulla loro superficie corporea sono presenti cocktail di feromoni chiamati idrocarburi cuticolari (CHC) - spiegano ancora i ricercatori - Un cocktail di CHC è unico per una determinata specie, aiutando i membri di quella specie a riconoscersi a vicenda». Le formiche sono andate oltre questo concetto, con singole colonie che presentano cocktail di CHC unici. «Le operaie in un nido percepiscono i CHC sul corpo di altri insetti, controllando se si tratta di formiche compagne di nido o di intrusi da attaccare».

Il team di Naragon ha scoperto che «Sceptobius possiede il meccanismo genetico per produrre i propri CHC. Dopo che il coleottero emerge come giovane adulto, tuttavia, i geni che codificano gli enzimi che producono i CHC vengono silenziati, trasformando il coleottero in un insetto furtivo privo di CHC». Passando sotto il radar chimico delle formiche, il coleottero fantasma si arrampica sul corpo di una formica, usando i tarsi a spazzola delle sue zampe la “pulisce” per raccogliere i sui caratteristici CHC, che poi si spalma addosso. Grazie a questa strategia, il coleottero si integra nel sistema sociale delle formiche senza essere scoperto.

Questa può sembrare una soluzione semplice per lo Sceptobius, ma è una strategia irreversibile. Al Caltech evidenziano che «Una conseguenza del mantello dell'invisibilità del coleottero è che, esternalizzando la produzione di CHC alla formica, Sceptobius ha perso la capacità di produrre i propri CHC da adulto maturo. I CHC, tuttavia, svolgono un secondo ruolo essenziale nella biologia degli insetti: creano un rivestimento ceroso attorno al corpo, una barriera che impedisce agli insetti di perdere acqua e seccarsi. Senza formiche a cui rubare i CHC, Sceptobius si disidrata rapidamente e muore». Quindi, il coleottero fantasma non può più lasciare il nido delle formiche che sta parassitando.

I ricercatori fanno notare che «Dal punto di vista evolutivo, il coleottero è intrappolato in una sorta di circolo vizioso. Se si verificassero mutazioni che gli permettessero di produrre i propri CHC da adulto maturo, verrebbe rilevato dalle formiche come estraneo e ucciso. Allo stesso tempo, se si verificassero mutazioni che eliminassero l'attrazione del coleottero per le formiche, smetterebbe di ripulire le formiche e si seccherebbe. Solo se le mutazioni si verificassero simultaneamente, rimuovendo sia il meccanismo di silenziamento dei CHC sia l'attrazione per le formiche, il coleottero potrebbe tornare a essere una specie libera e non simbiontica, come i suoi antenati. La probabilità che ciò accada è prossima allo zero».

Parker ha detto che «Il nostro studio rivela come la simbiosi possa essere irreversibile attraverso tratti simbiotici che si essenzializzano a vicenda. Per Sceptobius , l'interdipendenza tra il silenziamento del CHC e la cura delle formiche impedisce a entrambi questi tratti di tornare al loro stato ancestrale. Se questo simbionte dovesse perdere uno di questi tratti, significherebbe morte certa per l'altro. Questo crea una barriera evolutiva al ritorno alla vita libera».

Secondo Naragon, «Gli scenari paradossali sono probabilmente comuni sia nelle simbiosi microbiche che in quelle multicellulari obbligate, per un semplice motivo: la superficie di un organismo è il suo confine con il mondo; mantiene l'integrità di tutto ciò che si trova al suo interno, ma funge anche da identificatore per chiunque si trovi al di fuori di esso. Sviluppare associazioni intime con l'ospite può richiedere modifiche radicali alle proprietà chimiche della superficie per evitare il rilevamento e la morte. Questi cambiamenti possono compromettere l'integrità di quel confine protettivo, impedendo la sopravvivenza al di fuori del contesto dell'ospite».

Sceptobius vive con una singola specie di formica Liometopum . Impegnarsi in un viaggio evolutivo con un solo partner potrebbe sembrare rischioso: se si estingue, lo farai anche tu. Eppure il regno animale è ricco di antiche linee simbiotiche. Per questi organismi, Non perdere mai il contatto con il proprio ospite è fondamentale e le prove provenienti dal campo delle neuroscienze dimostrano che i simbionti sono straordinariamente efficienti nel trovare i loro ospiti grazie all'estrema attrazione per le informazioni sensoriali dell'ospite, chimiche, visive o tattili.

Ma i ricercatori fanno notare che esiste un paradosso: «Allargando lo sguardo attraverso gli alberi evolutivi dei simbionti, si vede come questi si spostano verso nuovi ospiti nel corso dell'evoluzione. Il cambio di ospite è importante: consente ai simbionti di sfuggire alla morte se il loro ospite originale si estingue. Il cambio di ospite consente anche alla linea evolutiva di subire la speciazione (una specie che si divide in due), generando biodiversità».

Ma come fa un simbionte apparentemente così in sintonia con un ospite a passare a un altro?
Il secondo studio pubblicato su Current Biology, guidato da un team guidato da Julian Wagner del Caltech e che comprendeva anche ricercatori di University of Southern California e University of California – Riverside, si è chiesto cosa potrebbe riservare il futuro per i simbionti “prigionieri” come Sceptobius. Realizzando esperimenti comportamentali, gli scienziati hanno identificato i segnali chimici delle formiche che consentono a Sceptobius di trovare e riconoscere il suo ospite. Il coleottero è sensibilissimo ai CHC delle formiche, che lo spingono a salire su una formica e a pulirla, rubando questi composti. Il coleottero cammina anche lungo i percorsi chimici delle formiche in modo da non perdere mai il contatto con loro per molto tempo.

Mettendo Sceptobius insieme ad altre specie di formiche, il team di Wagner ha accertato che non erano le ospiti naturali del coleottero, le Liometopum, e che di solito uccidevano lo Sceptobius: «Le CHC sul corpo del coleottero provenivano da Liometopum - spiegano ancora al Caltech - identificandolo quindi come estraneo». Curiosamente, se i ricercatori impedivano alle formiche non ospiti di attaccare lo Sceptobius, il coleottero saliva loro in groppa e le puliva proprio come fa con le Liometopum.

Sceptobius accettava come possibili partener simbiotici persino formiche che appartenevano a specie che si sono separate evolutivamente dalle formiche vellutate degli alberi 100 milioni di anni fa e, attraverso il suo comportamento di grooming, ne adottava i profili chimici. Wagner racconta: «Siamo rimasti davvero sorpresi dal fatto che, se gli si dà la possibilità, un coleottero specifico per un ospite sia in realtà molto promiscuo. In realtà, qualsiasi formica andrebbe bene». Ma se il coleottero cambia ospite così facilmente in laboratorio, perché questo non è accaduto in natura?

Il team ha collaborato con il team di James Boedicker della University of Southern California per simulare il modo in cui Sceptobius potrebbe muoversi in un ambiente popolato da formiche della stessa specie o di specie diverse. Il loro modello computerizzato ha scoperto che «A meno che non incontri una formica da pulire, Sceptobius inizia a perdere CHC e muore rapidamente per disidratazione all'esterno dei nidi,. Eventuali CHC residue sul suo corpo saranno quelle della formica ospite, quindi se incontra di nuovo il suo ospite tipico, può ricostituire le sue CHC e sopravvivere. Se, tuttavia, incontra una specie di formica diversa, le sue CHC non corrisponderanno, portando, il più delle volte. alla sua probabile morte tra le fauci dell'altra specie di formiche».

Wagner ha poi costruito una versione reale del modello, con coleotteri e formiche vivi, e ha scoperto che le previsioni erano corrette: «La specificità del coleottero, altrimenti promiscuo, rispetto al suo ospite naturale non deriva dalla sua preferenza per quella formica. Piuttosto, la specificità è imposta al coleottero a causa della sua incapacità di percorrere lunghe distanze prima di disseccarsi e dell'aggressione da parte di formiche non ospiti con CHC diversi».

Il team di ricercatori ritiene che «Evolvendosi all'interno dei confini delle colonie di Liometopum, Sceptobius abbia avuto bisogno solo di una capacità rozza di percepire il suo ospite. Il suo sistema nervoso è approssimativamente sintonizzato solo per rilevare alcune CHC di Liometopum, e queste CHC sono, di fatto, condivise da molte altre specie di formiche».
Parker aggiunge: «Se ne ha la possibilità, Sceptobius può e accetterà molte possibili specie di formiche come ospiti e, inoltre, può integrarsi socialmente nei loro nidi pur non avendole mai incontrate nella sua storia evolutiva».

E questa promiscuità potrebbe essere molto più comune di quanto si ritenesse finora.
Wagner ricorda che «Molti simbionti sono così strettamente associati ai loro partner, vivendo dentro o sopra di loro per l'intero ciclo vitale, che raramente, se non mai, incontreranno alternative. Non hanno bisogno di una capacità affinata per distinguere i loro ospiti dalle altre specie. Paradossalmente, è questa vicinanza che li predispone a cambiare ospite se si presenta questa rara occasione». Sia il modello, sia la versione reale di Wagner, hanno scoperto che «Esiste un margine di manovra per Sceptobius , ovvero condizioni in cui il coleottero può passare con successo a una formica diversa. Ad esempio, se i livelli di CHC sul suo corpo sono molto bassi, è meno rilevabile dalle formiche. Anche se quei CHC non corrispondono, ha la possibilità di "pulire" una nuova specie di formica e rubarne l'identità appena prima che entri in gioco la disidratazione».

Parker concorda: «I cambi di ospite sono eventi rari, ma in definitiva inevitabili se si ha tempo a sufficienza. La ragione per cui abbiamo grandi radiazioni antiche di simbionti obbligati è probabilmente dovuta a questi incontri casuali».

I due studi sottolineano la ricchezza dell'ecologia locale e l'importanza della ricerca guidata dalla curiosità. Come racconta ancora Wagner: «Abbiamo trascorso così tanto tempo nella foresta a farci pungere dalle formiche, a osservare e raccogliere coleotteri dai nidi e a chiacchierare di scienza e vita. Il fatto che non avessimo un obiettivo predefinito per i nostri progetti è stato fondamentale; ci ha permesso di lasciare che fosse il sistema naturale a parlare. E’stato davvero un onore trascorrere così tanto tempo con gli insetti e svelarne i segreti».

Parker conclude: «Sceptobius viveva proprio qui vicino. Si è rivelato una miniera d'oro evolutiva. Questo lavoro è iniziato con la storia naturale di base di un minuscolo insetto e ha finito per insegnarci qualcosa di universale sulla biosfera».