La bioluminescenza si è evoluta per la prima volta negli animali almeno 540 milioni di anni fa

I risultati, pubblicati oggi, 23 aprile, nel Atti della Royal Society Bspostano indietro di quasi 300 milioni di anni il record precedente della comparsa del tratto luminoso negli animali, datata più antica, e potrebbero un giorno aiutare gli scienziati a decodificare il motivo per cui la capacità di produrre luce si è evoluta in primo luogo.

La bioluminescenza – la capacità degli esseri viventi di produrre luce attraverso reazioni chimiche – si è evoluta in modo indipendente almeno 94 volte in natura ed è coinvolta in una vasta gamma di comportamenti tra cui il camuffamento, il corteggiamento, la comunicazione e la caccia. Fino ad ora, si pensava che la prima origine datata della bioluminescenza negli animali risalisse a circa 267 milioni di anni fa in piccoli crostacei marini chiamati ostracodi.

Ma nonostante una caratteristica letteralmente illuminante, le origini della bioluminescenza sono rimaste oscure.

“Nessuno sa bene perché si sia evoluto per la prima volta negli animali”, ha detto Andrea Quattrini, curatore dei coralli del museo e autore senior dello studio.

Ma affinché Quattrini e l’autrice principale Danielle DeLeo, ricercatrice associata al museo ed ex borsista post-dottorato, per affrontare la questione più ampia del perché si sia evoluta la bioluminescenza, avevano bisogno di sapere quando questa capacità è apparsa per la prima volta negli animali.

Alla ricerca delle origini più antiche del tratto, i ricercatori hanno deciso di scrutare la storia evolutiva degli ottocoralli, un gruppo di animali evolutivamente antico e spesso bioluminescente che comprende coralli molli, gorgonie e penne marine. Come i coralli duri, gli ottocoralli sono minuscoli polipi coloniali che secernono una struttura che diventa il loro rifugio, ma a differenza dei loro parenti pietrosi, quella struttura è solitamente morbida. Gli ottocoralli che brillano in genere lo fanno solo quando vengono urtati o disturbati in altro modo, lasciando un po’ misteriosa la funzione precisa della loro capacità di produrre luce.

“Volevamo capire i tempi dell’origine della bioluminescenza e gli ottocoralli sono uno dei gruppi di animali più antichi del pianeta conosciuti per la bioluminescenza”, ha detto DeLeo. “Quindi la domanda era: quando hanno sviluppato questa capacità?”

Non a caso, Quattrini e Catherine McFadden con l’Harvey Mudd College avevano completato un albero evolutivo degli ottocoralli estremamente dettagliato e ben supportato nel 2022. Quattrini e i suoi collaboratori hanno creato questa mappa delle relazioni evolutive, o filogenesi, utilizzando dati genetici di 185 specie di ottocoralli. .

Con questo albero evolutivo fondato su prove genetiche, DeLeo e Quattrini hanno poi individuato due fossili di ottocoralli di età conosciute all’interno dell’albero in base alle loro caratteristiche fisiche. Gli scienziati sono stati in grado di utilizzare l’età dei fossili e le loro rispettive posizioni nell’albero evolutivo degli ottocoralli fino ad oggi per capire approssimativamente quando i lignaggi degli ottocoralli si sono divisi per diventare due o più rami. Successivamente, il team ha mappato i rami della filogenesi che presentavano specie bioluminescenti viventi.

Una volta datato l’albero evolutivo ed etichettati i rami che contenevano specie luminose, il team ha poi utilizzato una serie di tecniche statistiche per eseguire un’analisi chiamata ricostruzione dello stato ancestrale.

“Se sappiamo che queste specie di ottocoralli che vivono oggi sono bioluminescenti, possiamo usare le statistiche per dedurre se i loro antenati avevano un’alta probabilità di essere bioluminescenti o meno”, ha detto Quattrini. “Più sono le specie viventi con la caratteristica condivisa, maggiore è la probabilità che, tornando indietro nel tempo, anche quegli antenati avessero quella caratteristica.”

I ricercatori hanno utilizzato numerosi metodi statistici diversi per ricostruire lo stato ancestrale, ma tutti sono arrivati ​​allo stesso risultato: circa 540 milioni di anni fa, l’antenato comune di tutti gli ottocoralli era molto probabilmente bioluminescente. Ciò avviene 273 milioni di anni prima rispetto ai luminosi crostacei ostracodi che in precedenza detenevano il titolo di prima evoluzione della bioluminescenza negli animali.

DeLeo e Quattrini hanno affermato che le migliaia di rappresentanti viventi degli ottocoralli e l’incidenza relativamente elevata di bioluminescenza suggeriscono che il tratto ha avuto un ruolo nel successo evolutivo del gruppo. Anche se ciò solleva ulteriormente la questione di quale sia esattamente lo scopo per cui gli ottocoralli utilizzano la bioluminescenza, i ricercatori hanno affermato che il fatto che sia stata conservata per così tanto tempo evidenzia quanto sia diventata importante questa forma di comunicazione per la loro forma fisica e sopravvivenza.

Ora che i ricercatori sanno che l’antenato comune di tutti gli ottocoralli probabilmente aveva già la capacità di produrre luce propria, sono interessati a un resoconto più approfondito di quali delle oltre 3.000 specie viventi del gruppo possono ancora illuminarsi e quali hanno perso la caratteristica . Ciò potrebbe aiutare a concentrarsi su una serie di circostanze ecologiche correlate alla capacità di bioluminescenza e potenzialmente illuminarne la funzione.

A tal fine, DeLeo ha detto che lei e alcuni dei suoi coautori stanno lavorando alla creazione di un test genetico per determinare se una specie di ottocoralli ha copie funzionali dei geni alla base della luciferasi, un enzima coinvolto nella bioluminescenza. Per le specie di luminosità sconosciuta, un test del genere consentirebbe ai ricercatori di ottenere una risposta in un modo o nell’altro più rapidamente e più facilmente.

Oltre a far luce sulle origini della bioluminescenza, questo studio offre anche un contesto evolutivo e informazioni che possono informare il monitoraggio e la gestione di questi coralli oggi. Gli ottocoralli sono minacciati dai cambiamenti climatici e dalle attività di estrazione delle risorse, in particolare dalla pesca, dall’estrazione e dalle fuoriuscite di petrolio e gas, e più recentemente dall’estrazione di minerali marini.

Questa ricerca sostiene l’Ocean Science Center del museo, che mira a far avanzare e condividere la conoscenza dell’oceano con il mondo. DeLeo e Quattrini hanno affermato che c’è ancora molto da imparare prima che gli scienziati possano capire perché la capacità di produrre luce si è evoluta per la prima volta, e sebbene i loro risultati collochino le sue origini in tempi molto profondi dell’evoluzione, rimane la possibilità che studi futuri scopriranno che la bioluminescenza è ancora più antica. .

Questo studio include autori affiliati alla Florida International University, al Monterey Bay Aquarium Research Institute, all’Università di Nagoya, all’Harvey Mudd College e all’Università della California, Santa Cruz.

La ricerca è stata sostenuta dallo Smithsonian, dalla David and Lucile Packard Foundation, dalla Japan Science and Technology Agency e dalla National Science Foundation degli Stati Uniti.