Clima e cambiamento evolutivo nei mammiferi

Dubbi sull'ipotesi di vecchia data secondo cui i ripetuti cambiamenti climatici hanno agito come principali fattori di cambiamento evolutivo nei mammiferi, compresi gli antenati umani.

Un nuovo studio che combina i dati climatici con i reperti fossili di grandi mammiferi vissuti in tutta l'Africa negli ultimi 4 milioni di anni mette in dubbio un'ipotesi di vecchia data secondo cui i ripetuti cambiamenti climatici hanno agito come principali fattori di mutamento evolutivo nei mammiferi, compresi gli antenati umani.

Pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, (1) lo studio fornisce una sintesi della variabilità ambientale dell'intero continente africano durante il Plio-Pleistocene, un periodo nella storia della Terra che abbraccia all'incirca gli ultimi 5 milioni di anni e include l'ultima era glaciale circa 20.000 anni fa.

Lo studio rileva che la variabilità ambientale durante quel periodo rispecchia i cambiamenti nell'orbita terrestre e nell'orientamento rispetto al sole, come previsto da un fenomeno naturale noto come cicli di Milankovic. Questi cicli espongono il nostro pianeta a diverse intensità di radiazione solare, con conseguenti effetti ciclici ben documentati sul clima terrestre a varie frequenze.

I ricercatori hanno osservato una tendenza a lungo termine all'aumento della variabilità ambientale in tutta l'Africa attribuibile alle variazioni del volume globale del ghiaccio e della temperatura dell'oceano. I risultati, tuttavia, non hanno prodotto una correlazione significativa tra variazione ambientale e tassi di origine o estinzione delle specie, suggerendo che la variabilità ambientale e il turnover delle specie potrebbero non essere strettamente correlati, un'idea ampiamente dibattuta nella comunità scientifica.

L'idea che le tendenze a lungo termine verso un clima più umido o più secco possano essere state un motore dell'evoluzione umana risale ai tempi di Charles Darwin, secondo il primo autore dell'articolo, il dottor Andrew Cohen, (2) un illustre professore presso l'University of Arizona Department of Geosciences (3) e il Department of Ecology and Evolutionary Biology. (4) Un grande cambiamento è avvenuto alla fine degli anni '90, con l'introduzione nella comunità scientifica dell'influente ipotesi di selezione della variabilità.

«L'idea qui è che non è solo la direzione del cambiamento climatico ad essere importante come motore per la novità evolutiva nel lignaggio degli ominidi, ma la variabilità delle condizioni ambientali e climatiche», ha spiegato Cohen. «Dato che i nostri antenati hanno dovuto affrontare condizioni in rapido cambiamento, questa ipotesi suggerisce che dovevano essere più intraprendenti e capaci di affrontare molte contingenze diverse, il che, a sua volta, ha portato alla comparsa di nuove specie mentre altre si sono estinte».

Nel presente studio, i ricercatori hanno analizzato campioni prelevati da carote di sedimenti da fondali lacustri, fondali oceanici e affioramenti terrestri da 17 località in tutto il continente africano e nelle aree circostanti. I dati ambientali sono stati ottenuti analizzando i record di polline, alghe fossili, polvere, cere fogliari, isotopi del suolo e altre proprietà fisiche che forniscono indizi sui tipi di vegetazione e sulle condizioni ambientali nel sito in cui sono stati depositati. Per combinare i dati di questi tipi di record molto diversi e svelare il modello sottostante della variabilità climatica, Cohen ha affermato che il team ha dovuto superare una sfida importante: come quantificare la variabilità e confrontarla da un luogo di campionamento a un altro.

Secondo il dottor Andrew Cohen «Questo non è banale perché da un lato hai registrazioni di cose come il polline fossile che ti raccontano di quanto fosse variabile la vegetazione, altri che ti parlano del cambiamento dei livelli del lago, altri ancora che ti parlano della polvere che soffia nell'oceano. Avevamo bisogno di un modo non solo per guardare un record, ma per impilare tutti questi diversi tipi di riferimento che ci permettessero di separare il ritmo della variabilità. Per fare ciò, i ricercatori hanno sviluppato metodi statistici che hanno permesso loro di “confrontare mele e arance”, ha spiegato Cohen, e hanno assegnato i dati dei record climatici a “cestini” di periodi di tempo comprendenti 20.000, 100.000 e 400.000 anni. Una volta che i singoli set di dati dei punteggi di variabilità in ciascun contenitore sono stati standardizzati, il team potrebbe quindi “impilarli” e calcolare una quantità media di variabilità per ciascun periodo di tempo».

I dati climatici sono stati poi confrontati direttamente con i reperti fossili di grandi mammiferi – principalmente bovidi, una famiglia che comprende antilopi e altri grandi erbivori – dell'Africa orientale. I ricercatori si sono concentrati sui grandi erbivori principalmente perché i fossili degli antenati umani sono troppo rari per essere utili in un simile approccio.

Il professor Andrew Cohen spiega: «Non dirò che potresti più mettere tutti (i fossili di ominidi) in una scatola da scarpe, ma non sono ancora così comuni, quindi abbiamo deciso di guardare altri organismi con una migliore documentazione fossile, perché non c'è motivo di pensare che solo i nostri parenti più stretti, i nostri antenati ominidi, dovrebbero essere influenzati dal cambiamento climatico e dalla variabilità. Se la variabilità climatica è un motore significativo nell'evoluzione, dovrebbe essere un motore e l'evoluzione anche di altri grandi mammiferi. Pensa, ad esempio, agli orsi polari e a come sono colpiti dagli attuali cambiamenti climatici».

Gli autori hanno utilizzato un metodo preso in prestito dalla moderna biologia delle popolazioni della fauna selvatica per spiegare un pregiudizio che affligge da tempo i paleontologi: l'intrinseca incompletezza della documentazione sui fossili, che il secondo autore dello studio, Andrew Du, (5) illustra con un blocco di formaggio svizzero. Se si dovesse perforare un campione di carote attraverso il formaggio, ci sarebbero degli spazi vuoti da dove il nucleo ha colpito un foro nel formaggio. Allo stesso modo, la documentazione fossile di una specie presenta lacune - periodi di tempo in cui non sono stati trovati fossili - intervallati da periodi in cui sono presenti fossili. Ciò rende molto difficile stabilire esattamente quando una specie ha avuto origine nella documentazione fossile e quando si è estinta.

Per aggirare questa limitazione, il dottor Andrew Du ha applicato una tecnica nota come cattura, contrassegno e riconquista, che viene spesso utilizzata dai biologi della fauna selvatica quando esaminano le popolazioni animali: dopo che un animale è stato catturato, viene contrassegnato per l'identificazione e rilasciato di nuovo in natura. Durante un sondaggio successivo, gli scienziati hanno confrontato la proporzione di animali etichettati con animali non etichettati. Applicando le statistiche, questo permette loro di avere un'idea della dimensione e della struttura della popolazione in generale.

Il dottor Andrew Du, un assistente professore presso il Dipartimento di Antropologia e Geografia della Colorado State University, ha spiegato come funziona la tecnica nei sistemi fossili.

«Diciamo di vedere l'apparizione di una nuova specie nella documentazione fossile nel periodo uno, poi troviamo un fossile diverso della stessa specie nel periodo due, ci manca però nel periodo tre, ma lo vediamo di nuovo nel tempo inerente al periodo quattro. Ciò che questo ci dice è che, anche se non abbiamo visto la specie nel periodo di tempo tre, sappiamo che era da qualche parte. Questo ci dà un'idea della qualità della documentazione fossile durante determinati periodi di tempo, e possiamo spiegarlo qualitativamente quando si stimano i tassi di speciazione e di estinzione».

L'unione di tutti questi set di dati ha consentito ai ricercatori di confrontare i modelli di variabilità ambientale e la sua relazione con l'origine delle specie di mammiferi e i tassi di estinzione.

«Nel complesso, c'è stata una tendenza a lungo termine negli ultimi 3,5 milioni di anni di crescente variabilità nell'ambiente», ha affermato il ricercatore. «Questa tendenza tiene traccia della crescente variabilità del volume globale del ghiaccio e delle temperature della superficie del mare in tutta l'Africa. Sovrapposto a quello, abbiamo trovato un'altra tendenza: una volta che entriamo nelle ere glaciali, vediamo più alti e bassi; le oscillazioni diventano sempre più intense riflettendo l'aumento e il declino delle calotte glaciali, e quella variabilità segue i cicli di Milankovic di 400.000 anni».

Nel frattempo, la documentazione fossile sull'origine e l'estinzione delle specie tra i grandi erbivori, e anche i fossili di ominidi, sembra essere disconnessa da queste tendenze di variabilità climatica. Sebbene gli autori riconoscano che l'ipotesi di selezione della variabilità potrebbe essere ancora corretta ma operando su scale diverse, sperano di incoraggiare la comunità scientifica a pensare all'ipotesi di selezione della variabilità in modo più critico.

«piuttosto che accettarla semplicemente come un principio alla base della come guardiamo ai reperti fossili in Africa, e in particolare ai reperti fossili umani. Non diciamo che la variabilità ambientale non sia importante per l'evoluzione umana, ma i dati che abbiamo attualmente compilato sono molto incoerenti con quell'idea. Se la variabilità ambientale fosse così importante come è stato dimostrato, ci aspetteremmo di vedere quella tendenza a lungo termine all'aumento della variabilità rispecchiata nel turnover evolutivo in tutti i tipi di specie, compresi gli ominidi, ma semplicemente non lo vediamo», conclude Cohen.

Riferimenti:

(1) Plio-Pleistocene environmental variability in Africa and its implications for mammalian evolution

(2) Andrew Cohen

(3) University of Arizona Department of Geosciences

(4) Department of Ecology and Evolutionary Biology

(5) Andrew Du

Descrizione foto:

Foto sinistra: Durante la stagione secca, l'acqua evaporando lascia cristalli di trona, che crescono sul fondo del lago Magadi, il lago più meridionale della Rift Valley del Kenya. Una piattaforma di perforazione utilizzata nello studio è vista torreggiare sopra il fondale asciutto del lago. - Credit: Andrew Cohen/University of Arizona.

Foto destra: I lavoratori utilizzano una piattaforma di perforazione per raccogliere campioni di sedimenti lacustri dal sottosuolo profondo. - Credit: Andrew Cohen/University of Arizona.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Study: Climatic variability might not drive evolutionary change as much as previously thought