Le alterazioni dei globuli rossi dei pesci delle caverne forniscono prove di adattamento alla riduzione dell'ossigeno sotterraneo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 3735 (2022) Citare questo articolo

3212 Accessi

3 citazioni

108 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Gli animali che vivono in ambienti estremi offrono la potente opportunità di esaminare l’evoluzione adattiva in risposta a diverse pressioni. Una di queste pressioni è l’ossigeno ridotto, comunemente presente in ambienti ad alta quota e sotterranei. Gli animali che vivono nelle caverne devono anche fare i conti con l’oscurità e la fame, entrambi rigorosamente studiati come forze chiave che guidano l’evoluzione dei tratti associati alle caverne. È interessante notare che l’ipossia come pressione ambientale ha ricevuto meno attenzione. Qui abbiamo esaminato fenotipi presumibilmente adattivi che si evolvono in un pesce teleosteo d'acqua dolce, Astyanax mexicanus, che comprende sia forme di superficie che di caverna. Questo sistema modello offre anche l’opportunità di identificare risposte convergenti all’ipossia, a causa della presenza di numerose popolazioni di caverne naturali e colonizzate in modo indipendente, insieme a conspecifici di superficie strettamente imparentati. Il focus di questo studio è l’emoglobina, una molecola essenziale per il trasporto e la consegna dell’ossigeno. Abbiamo scoperto che più popolazioni di caverne ospitano una maggiore concentrazione di emoglobina nel sangue, che coincide con un aumento delle dimensioni degli eritrociti morph delle caverne rispetto ai pesci di superficie. È interessante notare che sia i morph di caverna che quelli di superficie hanno un numero comparabile di eritrociti per unità di sangue, suggerendo che l'emoglobina elevata non è dovuta alla sovrapproduzione di globuli rossi. In alternativa, a causa dell'aumento dell'area cellulare degli eritrociti nei pesci delle caverne, riteniamo che contengano più emoglobina per eritrocito. Questi risultati supportano l’idea che i pesci delle caverne si siano adattati all’ipossia nelle caverne attraverso la modulazione sia della produzione di emoglobina che della dimensione degli eritrociti. Questo lavoro rivela un’ulteriore caratteristica adattativa del pesce delle caverne Astyanax e dimostra che cambiamenti coordinati tra l’architettura cellulare e i cambiamenti molecolari sono necessari per gli organismi che si evolvono sotto un’intensa pressione ambientale.

La nostra comprensione delle complesse interazioni tra condizioni ambientali estreme e risposta dell’organismo a queste pressioni rimane incompleta. Un potente modello naturale per studiare l'adattamento in ambienti estremi è il pesce delle caverne messicano cieco, Astyanax mexicanus (Fig. 1a). Questa specie consente confronti diretti tra due morfotipi esistenti, un morph "di superficie" che dimora nel fiume e morph "di grotta" sotterranei obbligati. Trenta popolazioni di caverne esistenti1 sono distribuite attraverso reti di grotte sotterranee all'interno del carso calcareo esposto della regione della Sierra de El Abra nel nord-est del Messico (Fig. 1a). Cambiamenti fenotipici hanno accompagnato questa transizione dalla superficie alla grotta, per un periodo stimato da circa 20 a 500 mila anni2,3, inclusa la perdita degli occhi, la pigmentazione e il miglioramento dei sensi non visivi. Negli 8 decenni trascorsi dalla loro scoperta4, sono stati compiuti notevoli progressi verso la comprensione dei meccanismi alla base delle caratteristiche regressive, tuttavia le pressioni ambientali del sistema carsico di El Abra hanno esaminato principalmente gli effetti della luce e della nutrizione limitate5.

Molteplici popolazioni di pesci delle caverne Astyanax mexicanus hanno concentrazioni più elevate di emoglobina rispetto ai pesci di superficie. Astyanax mexicanus è costituito da morfotipi di grotta e di superficie. I morfi delle caverne sono distribuiti in numerose grotte della Sierra de El Abra nel nord-est del Messico, mentre i morfi superficiali risiedono nei fiumi, torrenti e laghi vicini (a). Ciascuna delle tre popolazioni di pesci delle caverne mostrava concentrazioni di emoglobina più elevate in modo statisticamente significativo rispetto al morph superficiale conspecifico (b, Chica WRS p = 0,005, Tinaja WRS p = 0,0005, Pachón WRS p = 0,0001). Le concentrazioni di emoglobina sono state misurate tramite analisi spettrofotometrica (c). Non sono stati rilevati valori anomali.

Una pressione ambientale comunemente presente nelle grotte sotterranee, ovvero i ridotti livelli di ossigeno, ha ricevuto molta meno attenzione. Gli ambienti sotterranei di tutto il mondo hanno spesso livelli di ossigeno ridotti rispetto agli ambienti terrestri circostanti a causa della respirazione degli organismi6, dell'assenza di input fotosintetici6 e della limitata miscelazione dell'aria con l'atmosfera superficiale7. Misurazioni empiriche dell'ossigeno disciolto sono state condotte in due grotte di El Abra, Pachón e Tinaja, che dimostrano livelli di ossigeno significativamente più bassi nelle piscine delle grotte rispetto alle acque superficiali circostanti (DO = 2,97 mg/L nella grotta di Pachón rispetto a 8,20 mg/L in nell'ambiente di superficie (Rascón); 59% di saturazione nella grotta di Tinaja rispetto all'80% di saturazione nell'ambiente di superficie (Nacimiento del Río Choy)8,9. Sebbene questa caratteristica ambientale abbia molto probabilmente influenzato l'evoluzione del pesce delle caverne Astyanax, pochi studi hanno affrontato le presunte caratteristiche adattative che mitigano questa pressione10,11,12.