Come il pesce si è preso la spalla

Il cingolo scapolare – la configurazione di ossa e muscoli che negli esseri umani sostiene il movimento delle braccia – è un classico esempio di “novità” evolutiva. È qui che appare una nuova caratteristica anatomica senza evidenti precursori; dove non esiste una prova decisiva di cui una caratteristica porta chiaramente a un’altra.

La nuova ricerca, che riunisce una serie di tecniche di indagine evolutiva tra cui fossili, biologia dello sviluppo e anatomia comparata, suggerisce un nuovo modo di guardare come si sono evolute le principali caratteristiche anatomiche come le spalle.

I risultati dello studio, condotto dal dottor Martin Brazeau dell’Imperial College di Londra e dai ricercatori del Museo di Storia Naturale, sono pubblicati oggi su Natura.

Una teoria sull’origine della spalla è che fosse parte del modo in cui le pinne si formavano in coppia su entrambi i lati del corpo del pesce, la cui evoluzione ha consentito ai pesci un maggiore controllo nel nuoto e alla fine ha stimolato il passaggio dall’acqua alla terra. L’ipotesi dell'”arco branchiale” suggerisce che queste pinne si siano evolute dagli “anse” ossee che sostengono le branchie, che formavano anche la spalla. Tuttavia, è stato difficile raccogliere prove a sostegno di questa ipotesi, poiché le caratteristiche sono raramente conservate nei fossili.

Una diversa teoria su come si sono formate le pinne, l’ipotesi della “pinna piegata”, suggerisce che i precursori delle pinne pari si siano invece evoluti da una linea di muscoli sui fianchi del pesce. Questa teoria ha ottenuto molte prove a sostegno nei 150 anni trascorsi da quando entrambe furono proposte, ma non può spiegare come si sia evoluta la cintura scapolare associata.

Ora, rianalizzando un antico cranio fossile di pesce risalente a subito dopo l’emersione del cingolo scapolare, insieme ad altre linee di prova, il team suggerisce che la verità potrebbe risiedere in una versione modificata dell’ipotesi dell’arco branchiale che la riconcilia con l’ipotesi della piega delle pinne.

Il fossile esaminato dal team è un placoderma della specie Kolymaspis sibirica, che visse circa 407 milioni di anni fa e fu tra i primi pesci dotati di mascelle. Il fossile ha una cassa cerebrale ben conservata: le parti interne dure del cranio che registrano impronte e altre caratteristiche del cervello.

Il dottor Brazeau si rese conto che, nonostante la scarsa o assente conservazione degli archi branchiali in tali fossili, le prove dell’esistenza di essi potrebbero essere ben conservate nella scatola del cervello: la “scatola” cartilaginea o ossea che circonda il cervello e supporta le strutture sensoriali come occhi e orecchie. . La cassa del cervello mostrava una curiosa articolazione testa-spalla evidenziata dalla configurazione dei muscoli e dei vasi sanguigni.

Confrontando questa caratteristica nel fossile del pesce con la mascella con le caratteristiche della cassa cerebrale dei loro precursori, il pesce senza mascella, lui e il team hanno scoperto nuovi modi in cui i due potevano essere confrontati. Hanno scoperto che l’insolita articolazione testa-spalla presenta somiglianze con gli archi branchiali dei pesci più antichi, suggerendo che fossero questi a essere mantenuti e incorporati nella formazione della spalla in una fase iniziale.

Mentre la maggior parte dei pesci senza mascelle hanno 5-20 archi branchiali, i pesci con mascelle non ne hanno quasi mai più di cinque. Combinando questo con le nuove prove sulla scatola cerebrale, il team suggerisce che il sesto arco branchiale fosse incorporato nella spalla, diventando un confine cruciale che separava la testa dal corpo. Curiosamente, l’afflusso di sangue alle pinne dei pesci senza mascelle emerge tra il sesto e il settimo arco branchiale.

Il dottor Brazeau, del Dipartimento di Scienze della Vita dell’Imperial, ha dichiarato: “Gli archi branchiali sembrano essere stati coinvolti nella separazione iniziale della testa e del corpo attraverso la spalla. Ma non abbiamo più archi branchiali, sebbene la spalla fosse modellata su di loro, non è necessario che siano ancora in giro oggi.

“Ciò è coerente con alcuni studi precedenti che mostravano che i muscoli possono rimanere altamente stabili, mentre le ossa specifiche che li sostengono gradualmente prendono il sopravvento l’una sull’altra. Gli archi branchiali potrebbero aver fatto la loro parte e essere stati sostituiti quando la spalla ha assunto una nuova configurazione,” incluso sostenere cose come il nostro collo.”

Questa scoperta significa anche che non deve trattarsi di un aut-aut in termini di come si sono evolute le pinne accoppiate. Il dottor Brazeau ha aggiunto: “Il nostro studio mostra come vi sia merito in entrambe le teorie senza accettare l’una o l’altra in toto. Possiamo invece razionalizzare le aree che si sovrappongono”.

La dottoressa Zerina Johnson, ricercatrice presso il Museo di storia naturale, aggiunge: “Il team si concentrerà poi sugli esemplari della collezione di pesci fossili del Museo di storia naturale. Ciò includerà pesci senza mascelle che hanno pinne ma mancano di una cintura scapolare distinta.

“Stiamo attualmente elaborando molti gigabyte di dati e non vedo l’ora di vedere cosa aggiungeranno alla storia questi importanti esemplari della collezione.”