Gli adattamenti che consentono ai gufi di governare la notte

Essendo gli unici uccelli con uno stile di vita notturno e predatorio, i gufi occupano una nicchia unica nel regno aviario. La caccia alle prede nell’oscurità comporta una serie di sfide.

I gufi hanno sviluppato diverse caratteristiche che li rendono adatti a questo compito, combinando tratti rapaci come la visione acuta e gli artigli affilati con adattamenti notturni come l’udito potenziato e la visione notturna. In un recente articolo su Genome Biology and Evolution intitolato “Evidenze genomiche per adattamenti sensoriali a uno stile di vita notturno predatorio nei gufi“, Pamela Espíndola-Hernández, una studentessa di dottorato presso l’Istituto Max Planck di Ornitologia, in collaborazione con il suo team, riportano i meccanismi genetici e selettivi che sono alla base dei particolari adattamenti dei gufi.

Oltre a confermare l’importante ruolo dei sistemi visivo e uditivo, lo studio, supervisionato dal dottor Bart Kempenaers e dal dottor Jakob Mueller, in collaborazione con la dottoressa Martina Carrete presso l’Universidad Pablo de Olavide in Spagna, suggerisce l’esistenza di un insolito adattamento non ancora descritto negli uccelli, che getta nuova luce sulla storia evolutiva di questo predatore notturno. In particolare, gli autori propongono che la selezione abbia agito sui meccanismi epigenetici per impacchettare il DNA nelle cellule della retina in modo tale da agire come una lente di canalizzazione della luce per migliorare la fotoricezione.

La maggior parte degli uccelli ha uno stile di vita diurno, il che significa che sono principalmente attivi durante il giorno. Si pensa che i gufi, appartenenti all’ordine aviario degli Strigiformes, si siano discostati dal loro gruppo gemello, i Coraciimorfes (inclusi topi, picchi e martin pescatori), durante il Paleocene, quando la scomparsa di piccoli mammiferi potrebbe aver portato a una maggiore disponibilità di prede notturne.

Per sfruttare al meglio questa festa notturna, i gufi presumibilmente conservarono caratteristiche predatorie condivise con altri rapaci come aquile e falchi. Allo stesso tempo, hanno sviluppato tratti notturni che sono stati osservati in altri uccelli, come i kiwi e gli uccelli oleari. Ciò è culminato in una selezione di caratteristiche che rendono i gufi particolarmente adatti a riempire la nicchia dei predatori notturni, comprese le retine ricche di bastoncelli per una migliore visione notturna, orecchie asimmetriche e dischi facciali per un udito migliorato e piume morbide che consentono un volo silenzioso.

Al fine di identificare le forze evolutive che contribuiscono a questa confluenza di tratti, Espíndola-Hernández e colleghi hanno confrontato i genomi di 20 specie di uccelli, inclusi 11 gufi (cinque dei quali sono stati recentemente sequenziati per lo studio) e hanno analizzato i tassi di sostituzione dei nucleotidi dei singoli geni per identificare quelli che hanno sperimentato una selezione positiva durante l’evoluzione del clade del gufo.

Come previsto, una scoperta primaria dello studio è stata che i geni coinvolti nella percezione sensoriale hanno mostrato un segnale di selezione positiva a livello di genoma. Questa categoria comprendeva geni coinvolti nella percezione acustica e luminosa, fotosensibilità, fototrasduzione, visione in penombra e sviluppo della retina e dell’orecchio interno.

Un altro insieme di geni è stato associato alla membrana plasmatica, che può riflettere il fatto che la percezione sensoriale dipende dalle cascate di segnalazione che iniziano sulle membrane plasmatiche dei fotorecettori. Anche i geni coinvolti nei ritmi circadiani, che regolano l’orologio interno del corpo, hanno mostrato prove di velocità di evoluzione accelerate, così come alcuni geni legati alla produzione di piume.

Mentre questi risultati erano previsti, l’analisi ha rivelato un’altra categoria di geni che era del tutto inaspettata: 32 geni correlati al confezionamento del DNA e alla condensazione cromosomica hanno mostrato un tasso di sostituzione accelerato all’origine del lignaggio dei gufi. Come spiegazione presunta per questo risultato sorprendente, gli autori sottolineano che le cellule dei fotorecettori a bastoncello nelle retine dei topi notturni e dei primati mostrano un insolito schema radialmente invertito di eterocromatina ed eucromatina. Questo agisce come una sorta di lente di raccolta e aumenta il rilevamento della luce negli strati profondi della retina.

I risultati dello studio potrebbero quindi indicare che i gufi hanno sviluppato in modo indipendente un meccanismo simile di impacchettamento del DNA nella retina che migliora la canalizzazione della luce nei fotorecettori, una caratteristica che non è stata osservata in nessuna specie di uccelli fino ad oggi.

Sebbene l’analisi della sovra-rappresentazione sia un potente strumento per interpretazioni funzionali dei risultati di diversi tipi di test basati sull’omica, il suo valore dipende dalla qualità dei database funzionali sottostanti. Pertanto, la ricercatrice spera di verificare l’esistenza di queste strutture della cromatina che canalizzano la luce nell’occhio del gufo studiando le cellule dei fotorecettori. Indagini dirette come queste sono fondamentali, sottolinea Espíndola-Hernández, per convalidare i risultati della ricerca computazionale. Nota inoltre che lo studio utilizza il rapporto tra i tassi di sostituzione sinonimi e non sinonimi, un approccio basato sul presupposto che le sostituzioni sinonime siano selettivamente neutre.

Tuttavia, ci sono prove che questo non è sempre il caso, cioè che queste sostituzioni non sono necessariamente silenziose e possono essere sotto selezione purificante. Questo punto cruciale deve essere ulteriormente esplorato nel lignaggio aviario.