Scienza Il Big Bang dell’evoluzione
La vita in un
batter d’occhio
N
el periodo Cambriano, all’incirca 530 milioni di anni fa, il regno
animale cambiò faccia. Gli studiosi definiscono questo evento
“Esplosione cambriana”, o Big
Bang della vita. Prima che si verificasse gli animali erano tutti invertebrati a corpo molle, simili a vermi, ed
erano così da almeno 300 milioni d’anni. Poi, in meno di 5 milioni di anni, un
batter d’occhio in scala geologica,
quasi tutti i principali gruppi animali
oggi presenti sulla Terra si svilupparono, si dotarono di parti dure, scheletri e
corazze, si vestirono di luci e colori. La
grande domanda è: perché? Che cosa
ha innescato la miccia?
La light switch theory, la teoria dell’interruttore della luce, ritiene che responsabile principale di questo evento sia
stata l’evoluzione di un organo molto
particolare: l’occhio. Fino ad allora il
mondo era praticamente cieco. L’evoluzione di un predatore capace di vedere le sue prede avrebbe innescato una
Quando arriva
la vista il destino
degli animali cambia:
è la svolta epocale
che porterà fino a noi.
Un biologo racconta
perché potrebbe
essere andata così
D I A N D R E W
P A R K E R
Biologo marino-ricercatore della Royal Society a Oxford
>>
ROMPICAPO Uno dei fossili più strani
del Cambriano, ritrovato nel sito
canadese di Burgess Shale,
è l’Hallucigenia, un intrico di aculei senza
capo né coda. Ci vollero anni di studi
per dargli una ricostruzione attendibile
(nel disegno a sinistra). Hallucigenia
è una delle tante bizzarre forme di vita
emerse durante l’esplosione cambriana.
28 QUARK (60)
(60) QUARK 29
S C I E N Z A I L B I G B A N G D E L L’ E V O L U Z I O N E
SUPERPREDATORE
Uno dei cacciatori più terribili
dell’esplosione cambriana
fu senz’altro l’Anomalocaris,
lungo fino a un metro. I suoi resti
fossili sono stati trovati a
Burgess Shale, ma ci è voluto
un po’ di tempo per rimetterli
insieme nel modo corretto.
Le appendici boccali capaci
di afferrare le prede (a sinistra)
sono state a lungo credute
una nuova specie di gamberi
senza testa. In realtà
si inserivano nella parte frontale
del corpo (in basso), che era
dotato di una vigorosa coda per
agevolare il nuoto. Anomalocaris
era anche dotato di occhi ben
sviluppati, le appendici laterali
nella parte destra del fossile.
>> serie
di pressioni selettive capaci in
breve tempo di rivoluzionare l’aspetto
dei mari (dove allora era confinata la vita) e mettere le basi per ogni successivo sviluppo.
UN BUCO DA RIEMPIRE
I fossili ci dicono che 540 milioni di anni
fa un animale sviluppò occhi che formavano immagini. Il caso volle che fosse
un trilobite, lontano parente dei ragni e
dei gamberi. Presto avrebbe sviluppato
anche l’abilità di nuotare, zampe e apparato boccale forti e prensili, diventando così un predatore attivo. Il primo predatore attivo sulla Terra capace di vedere. Per gli animali si accendeva final-
mente la luce (prima di questo evento la
luce del sole poteva essere percepita
da semplici fotorecettori, ma non poteva essere usata dagli animali per ritrovarsi o riconoscersi). Ebbene, secondo
la “teoria dell’interruttore della luce”:
l’arrivo della visione ha scatenato l’esplosione del Cambriano.
La reazione delle prede a un simile potentissimo predatore infatti sarebbe
stata la più varia e immediata, pena la
sopravvivenza. Si svilupparono corazze, armi di difesa, nuovi comportamenti, colori mimetici e di avvertimento,
nuove strutture, nuovi piani anatomici.
Da 3 phyla animali allora esistenti (le
grandi famiglie in cui viene suddiviso il
mondo animali in base alla organizzazione interna degli organismi come per
esempio artropodi, molluschi, cordati...),si passò a 38, lo stesso numero dei
phyla oggi presenti sulla Terra.
Ma quali prove abbiamo che questo sia
davvero successo? E quanto tempo
esattamente è passato tra l’emergere
dell’occhio e il Big bang dell’evoluzione? Solo i fossili possono dare una risposta a questo quesito. E a darci manforte ci sono da tempo i famosi fossili di
Burgess Shale. Questi fossili, scoperti
circa cento anni fa sulle Montagne rocciose canadesi, rappresentano un’intera comunità di animali del Cambriano.
Sepolti in gruppo da una frana di fango,
forniscono una foto pietrificata della
comunità vivente dell’epoca, con tutti
gli stili di vita a portata d’inquadratura.
Ma “quell’epoca” erano 515 milioni di
anni fa ovvero circa 15 milioni di anni
dopo l’arrivo della visione. Un buco
temporale troppo lungo per stabilire
una netta relazione causa/effetto tra l’esplosione della vita e il primo sguardo
sul mondo.
LA PROVA CINESE
Per rafforzare la “light switch theory”,
quel buco doveva essere colmato e iniziò così la ricerca di nuovi fossili. Fossili
più antichi di quelli di Burgess Shale e
che mostrassero già i segni dell’Esplo-
sione cambriana. Finalmente, proprio
quest’anno un gruppo di paleontologi
britannici, cinesi e svedesi ha pubblicato una relazione congiunta su diverse
spedizioni effettuate nel Sud-Ovest
della Cina, nelle colline e nei laghi della
provincia dello Yunnan, la regione in cui
sono stati trovati i fossili di Chengjiang.
I fossili di Chengjiang rivaleggiano con
quelli di Burgess Shale fin dal rinvenimento del primo esemplare avvenuto
nel 1984 per il fatto che sono altrettanto
ben conservati, al punto da rivelare anche le spine più fini, sottili come aghi, di
alcuni animali. Ora i lavori degli studiosi
britannici, cinesi e svedesi mostrano
che questi reperti reggono il confronto
con quelli di Burgess Shale anche per la
varietà di forme viventi. Forniscono infatti un’ulteriore istantanea della vita del
Cambriano, datata questa volta 525
milioni di anni fa. Ora sappiamo che l’Esplosione cambriana è avvenuta appena dopo l’introduzione della visione.
Era la prova che cercavamo.
UN INSOLITO ZOO
Quali animali sono rappresentati nei
fossili di Chengjiang? Organismi talmente particolari e strani da non poter
essere, a volte, classificati in nessuno
dei gruppi di viventi che esistono oggi.
Appaiono come le forme di vita più bizzarre che ci si possa immaginare. La
SCAVI IN CINA Operai al lavoro
nel sito fossilifero di Chengjiang,
la località nella provincia
dello Yunnan dove è emersa una
straordinaria serie di fossili
di 525 milioni di anni fa, la prova
che lega l’esplosione cambriana
alla comparsa dell’occhio
e alla capacità di vedere. Alcuni
animali di Chengjiang sono
identici a quelli di Burgess Shale,
altri appartengono a specie
sconosciute fino alla scoperta
del sito, avvenuta nel 1984.
Lo Jianfengia, ad esempio
(in alto a sinistra), lungo appena
1,5 cm, era dotato di una batteria
di zampe e, vicino alla bocca,
di appendici per catturare il cibo.
Il Mitrodictyon (in alto a destra),
lungo 2,5 cm, era dotato di nove
scudi cornei ovali disposti lungo
il corpo. La loro funzione resta
assolutamente misteriosa.
30 QUARK (60)
>>
>>
(60) QUARK 31
S C I E N Z A I L B I G B A N G D E L L’ E V O L U Z I O N E
■ Il Big Bang della vita che si
verificò nel Cambriano, intorno a 530 520 milioni di anni fa, fu davvero
un fatto eccezionale, se si pensa
alla lunga storia precedente, in cui
per miliardi di anni la vita stentò
a decollare. Le prime tracce fossili
della presenza di forme viventi sulla
Terra risalgono a circa 3,5 miliardi
di anni e appartengono a lunghi
filamenti di batteri. Allora l’atmosfera
era completamente diversa da quella
attuale, ma alcuni di questi batteri,
in grado di assorbire anidride
carbonica e produrre ossigeno,
cominciarono poco a poco
a modificarla.
■ Ma gli albori del pianeta furono
anche tempi di grandi cambiamenti
geologici e climatici, caratterizzati
da lunghi periodi di clima molto freddo
e continue glaciazioni. Soltanto 1
miliardo di anni fa cominciarono quindi
a comparire forme di vita più
LA VITA
Tra i 3,9 e i 3,5
miliardi di anni
fa compaiono le
prime, semplici
forme di vita
unicellulari.
GLI OCEANI
4,6 miliardi di anni
fa la Terra
si raffredda
e gli oceani
cominciano a
condensarsi.
Dai batteri fino alla svolta decisiva
La lunga lotta della vita per la sopravvivere
complesse, multicellulari
e organizzate. I primi esempi noti sono
quelli della cosiddetta fauna di
Ediacara, fossili di animali molli, simili
a lumache, che frugavano il fondo
degli oceani in cerca di nutrimento.
4 MILIARDI
DI ANNI FA
■ Questi animali si differenziarono
2 MILIARDI
DI ANNI FA
dai batteri tra 1 miliardo e 800 milioni
di anni fa, come è stato dimostrato
da studi su materiale genetico comune
a tutte le cellule viventi. Quegli antichi,
primitivi animali conducevano però
una vita a basso dispendio di energia,
poco attiva, finché improvvisamente
non si verificò l’esplosione Cambriana.
La tavola mostra (in rosso) le specie più
rappresentative ricostruite dai fossili
canadesi di Burgess Shale, da quelli
cinesi di Chengjiang e dai ritrovamenti
fatti in Groenlandia nel sito di Sirius
Passet, scoperto nel 1984, dopo
le tappe principali dello sviluppo
della vita sul nostro pianeta (in giallo).
Riccardo Oldani
PIKAIA Cordato
trovato a Burgess
Shale, progenitore
di pesci, rettili
e mammiferi; 3,8 cm.
AMISKWIA Trovato
a Burgess Shale; lungo
2 cm. Forse era
un verme, ma la sua
classificazine è incerta.
ANOMALOCARIS
Forse era un artropode.
Lungo fino a 1 m.
SPUGNE Trovate
sia a Burgess Shale
sia in Cina. Ancora
presenti negli oceani.
540 MILIONI
DI ANNI FA
Inizio del Cambriano
1 MILIARDO
DI ANNI FA
MULTICELLULARI
Tra 1 miliardo
e 600 milioni
di anni fa la vita
si sviluppa sempre
più in forme
multicellulari.
Ma rimane
confinata
a dimensioni
molto ridotte.
FAUNA
DI EDIACARA
I primi esseri
viventi complessi.
XIANGUANGIA
Cina, non
classificato.
DINOMISCHUS
Non classificato;
da 2 10 cm.
BRACHIOPODI
Ancora presenti
negli oceani;
da 1 a 10 cm.
KERYGMACHELA
Forse un artropode,
dalla Groenlandia; 17 cm.
FACIVERMIS
Non classificato;
era lungo 2,5 cm.
HALKIERIA Simili
a lumache con
due conchiglie.
Uno dei fossili
del sito di
Sirius Passet in
Groenlandia; 5 cm.
BURGESSOCHAETA
Un anellide, parente
dei lombrichi; 2,5 cm.
HYOLITE Forse
un mollusco; 3,8 cm
OPABINIA
Non classificato;
lungo 6,3 cm
ELDONIA Potrebbe essere
un echinoderma, parente
dei ricci di mare; 10 cm.
CANADASPIS
Uno dei primi
crostacei; 7,6 cm.
OTTOIA Un verme
priapulide lungo
7,6 cm. Suoi parenti
vivono ancora oggi
sui fondali marini.
WIWAXIA Forse un
verme polichete, forse
un mollusco; 4,5 cm.
L’OSSIGENO
Da 2,1 a 1,9 miliardi
di anni fa l’azione
dei batteri modifica
l’atmosfera e la
arricchisce di
ossigeno.
3 MILIARDI
DI ANNI FA
ODONTOGRIPHUS
Lungo 6 cm, non
è stato classificato
in nessun gruppo
noto di animali.
32 QUARK (60)
I BATTERI
Intorno a 2,5
miliardi di anni fa
il mondo
è dominato
dai batteri.
AYSHEAIA
Forse un
artropode;
lungo 5 cm.
SANCTACARIS
Artropode,
progenitore dei
ragni; 10 cm.
TRILOBITE
Artropode;
lungo fino
a 70 cm.
(60) QUARK 33
S C I E N Z A I L B I G B A N G D E L L’ E V O L U Z I O N E
PRESENTE E PASSATO Quattro
onicofori intrecciano i loro corpi sinuosi.
Questi animali, simili a vermi, vivono
nei terreni umidi di boschi tropicali.
Sono i diretti discendenti di specie
vissute nel Cambriano, come Aysheaia
(nella pagina a fianco), uno
degli straordinari fossili di Chengjiang.
>> Choia è una spugna, ma sembra un mi-
nuscolo cappello tradizionale cinese
con aghi che irradiano dai bordi. Il Xianguangia è un parente della medusa e
dei coralli d’oggi, ma assomiglia a un
polpo che sta fisso a testa in giù con i
tentacoli che ondeggiano sopra. Il Microdictyon, un “verme di velluto”, appare come un bruco che cammina su
lunghe gambe con file di scudi che gli
proteggono il corpo dagli attacchi dall’alto.Gli artropodi, a cui appartengono
crostacei e insetti, sono ben rappresentati nei fossili di Chengjiang. Alcuni hanno la forma di caschi da ciclista. Ma il
più inconsueto è forse l’Occacaris, che
può essere descritto solo come una
specie di granchio con un paio d’occhi
a goccia, strane antenne a forma di corna, “mani” antropomorfe e una coda di
pesce sporgente dal guscio.
Esistono anche esemplari enigmatici,
tanto insoliti da rendere impossibile indovinare a quale gruppo animale potessero appartenere. C’è un fossile che
pare semplicemente una palla di spine,
un altro fatto come un disco con attaccata una penna, un mezzo verme e
mezzo calamaro e ancora un pennacchio con una lingua di camaleonte (si
veda la tavola nelle pagine precedenti).
34 QUARK (60)
L’Anomalocaris, uno degli animali più
strani, si presenta come una seppia corazzata, con due arti appuntiti, ed è insolito anche per le dimensioni. A differenza della maggior parte dei suoi vicini, che misuravano soli pochi stentati
centimetri, questo animale cresceva fino a oltre un metro. Con i suoi i grandi
occhi e la forma idrodinamica che dà
un’idea di velocità era probabilmente
uno dei più temibili predatori del Cambriano. C’è invece un animale, il Myllo-
kunmingia che può essere posizionato
senza problemi in un gruppo animale
conosciuto e anche molto vicino a noi: i
cordati. In effetti è il primo cordato (cioè
il primo animale dotato di spina dorsale), il primo antenato noto dell’uomo.
Un suo cugino di 10 milioni di anni più
tardi, Pikaia, un fossile di Burgess Shale, è protagonista del finale del famoso
libro di Stephen Jay Gould, La vita meravigliosa. Se questo animale non fosse
sopravvissuto al Cambriano e non
avesse dato vita a un nuovo ramo evolutivo oggi non saremmo certamente
qui a esaminarne i fossili.
ADAMO? ERA UN TRILOBITE
L’evoluzione del Cambriano
ha aggiunto ai corpi
le parti dure di protezione.
Il progetto interno
dell’organismo c’era già.
Andrew Parker
In quanto prodotto diretto dell’Esplosione cambriana, i fossili di Chengjiang
ci dicono esattamente quando questo
evento si è verificato. Adesso sappiamo che l’unico animale con parti dure
antecedente il Big Bang della vita è il trilobite, proprio il trilobite dotato di occhi,
i primi occhi della vita. E adesso, forti di
una nuova e più accurata datazione,
sappiamo che questo trilobite ha preceduto di appena 5 milioni di anni l’esplosione finale del Big Bang della vita.
Insomma possiamo dire che l’Esplosione cambriana è durata 5 milioni di anni,
il tempo necessario ai vermi per dotarsi
di uno scheletro o di una corazza.
Ed ecco che improvvisamente le parti
dure che si sono evolute durante quel
lontano Big Bang della vita ci appaiono
come semplici adattamenti a un nuovo
mondo in cui domina la capacità di
scrutare e di vedere l’ambiente. Alcuni
animali svilupparono gusci e spine,
probabilmente con colori brillanti per
segnalare visivamente la loro nuova corazza. Altri assunsero forme affusolate
e pinne per chiarire ai trilobiti che per
catturarli avrebbero dovuto faticare non
poco. A partire dal Cambriano il dono
della vista ha cominciato a dominare le
leggi della vita. Oggi oltre il 95% di tutti
gli animali multicellulari possiede occhi.
Camminate in un campo pieno di animali e ne vedrete pochissimi: la vita si è
adattata all’avvistamento. Agli occhi
capaci di vederti e riconoscerti e non ai
semplici recettori di luce che esistevano anche prima del Cambriano ma non
consentivano di formare un’immagine.
La capacità di vedere è alla base delle
catene alimentari di oggi. Se non ci fosse, non esisterebbe alcuna predazione.
Fin dall’uscita del mio libro In un batter
d’occhio, molti ricercatori mi hanno
scritto interessanti integrazioni e com-
menti, ma nessuno ha ancora trovato
un argomento ragionevole per confutare la light switch theory. Stephen Jay
Gould è stato tra quelli che l’anno maggiormente appoggiata. Ci sono però ricercatori che suggeriscono che a far
scattare l’interruttore non fu solo la vista, ma anche lo svilupparsi di altri sensi. Oggi viviamo in un mondo pieno d’adattamenti alla visione, ma gli animali
attuali sono anche ben adattati al gusto, all’odorato, all’udito e al tatto.
Ma mentre tutti gli altri sensi sono comparsi un po’ qua e un po’ là nella storia
della vita, soltanto la visione ha fatto il
suo ingresso in un unico, preciso momento e si è trovata nella situazione
ideale per far scattare un evento esplosivo. Quel momento combaciò proprio
con l’inizio del Big Bang evolutivo.
SMACCO ALLA GENETICA
Un parere critico è stato espresso da
Timothy Gawne dell’Università dell’Alabama. Gawne ha messo in discussione
alcune idee che spiegano perché l’occhio avrebbe dovuto evolversi (e in particolare perché un paio di occhi). Ma allo stesso tempo riconosce che «è molto
potente l’idea che tutti gli animali abbiano dovuto adattarsi dopo che il pri-
mo acquistò la capacità di vedere». Le
nuove prove cinesi mostrano che si sono adattati eccome, e anche subito.
Francis Crick, uno dei due scopritori
della struttura del Dna ha scritto, dopo
aver letto In un batter d’occhio : «Per come la vedo io un predatore (un trilobite)
ha sviluppato per primo un sistema visivo efficiente e ha avuto tanto successo
che gli altri organismi hanno dovuto proteggersi per sopravvivere; è questo che
ha portato alla cosiddetta Esplosione
cambriana». E l’anno scorso ha aggiunto: «Le tue argomentazioni mi sembrano
molto plausibili. Anche se ero convinto
che sarebbero stati gli studi di genetica
a risolvere la questione».
Q
@
Link
&Libri
■ In un batter d’occhio,
di Andrew Parker, Zanichelli,
306 pp., 28 euro.
■ La vita meravigliosa,
di Stephen Jay Gould, Feltrinelli,
240 pp., 10,33 euro.
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