Per decenni, molti biologi evoluzionisti hanno considerato gran parte dell’evoluzione molecolare come sorprendentemente tranquilla. L’idea era che molti dei cambiamenti genetici che si diffondono nelle popolazioni non siano né utili né dannosi. Semplicemente si propagano in natura senza attirare molta attenzione da parte della selezione naturale.
Uno studio dell’Università del Michigan mette in discussione questa visione. Guidata dal biologo evoluzionista Jianzhi Zhang, la ricerca suggerisce che le mutazioni utili potrebbero essere molto più comuni di quanto previsto dalla teoria consolidata. Ma c’è un problema. Molte di queste mutazioni utili potrebbero non durare abbastanza a lungo da diventare permanenti.
Una delle principali teorie evoluzionistiche affronta una nuova prova
Durante l’evoluzione, le mutazioni si verificano per caso. Alcune scompaiono. Altre si diffondono fino a quando ogni membro di una popolazione non le porta, un processo noto come fissazione.
Per oltre mezzo secolo, una delle idee più influenti nell’ambito dell’evoluzione molecolare è stata la Teoria Neutrale dell’Evoluzione Molecolare. Proposta per la prima volta negli anni ’60, questa teoria sostiene che la maggior parte delle modifiche genetiche fisse a livello di geni e proteine siano neutre. In quest’ottica, le mutazioni dannose vengono solitamente eliminate dalla selezione naturale, mentre le mutazioni realmente benefiche sono così rare che ci si aspetta che la maggior parte dei cambiamenti molecolari duraturi siano neutri.
Zhang e i suoi colleghi si sono proposti di esaminare un presupposto fondamentale alla base di questa teoria. Le mutazioni benefiche sono davvero così rare?
I loro risultati suggeriscono che la risposta potrebbe essere no.
Le mutazioni utili potrebbero essere sorprendentemente comuni
Utilizzando ampi set di dati di scansione mutazionale profonda provenienti dal proprio laboratorio e da altri, il team ha esaminato gli effetti di numerose mutazioni in organismi modello come il lievito e l’Escherichia coli. Nella scansione mutazionale profonda, gli scienziati creano molte mutazioni in un gene o in una regione del genoma e poi misurano come tali cambiamenti influenzano l’organismo.
I ricercatori hanno monitorato gli organismi per molte generazioni e li hanno confrontati con il tipo selvatico, ovvero la versione più comune in natura. Misurando la crescita, hanno potuto stimare se una mutazione fosse vantaggiosa, svantaggiosa o avesse un effetto minimo.
Hanno scoperto che oltre l’1% delle mutazioni che modificano gli amminoacidi, da loro esaminate, erano benefiche. Può sembrare poco, ma nella teoria evolutiva è enorme. Se così tante mutazioni sono utili, il team ha calcolato che oltre il 99% delle sostituzioni di amminoacidi dovrebbe essere adattativo. L’evoluzione genetica dovrebbe inoltre avvenire molto più rapidamente di quanto gli scienziati osservino effettivamente in natura.
Questa discrepanza ha costretto i ricercatori a riconsiderare uno dei loro presupposti. Il problema, hanno concluso, potrebbe risiedere nel fatto che gli ambienti non rimangono statici.
L’evoluzione insegue un bersaglio in movimento
Una mutazione può essere utile in un contesto e dannosa in un altro. Se l’ambiente cambia prima che una mutazione benefica si diffonda in tutta la popolazione, tale mutazione potrebbe perdere il suo vantaggio o addirittura diventare uno svantaggio.
“Affermiamo che il risultato è stato neutrale, ma il processo non lo è stato”, ha dichiarato Zhang, professore di ecologia e biologia evolutiva presso l’Università del Montana. “Il nostro modello suggerisce che le popolazioni naturali non sono realmente adattate ai loro ambienti perché questi cambiano molto rapidamente e le popolazioni sono sempre alla ricerca di nuove condizioni ambientali.”
Il team chiama questo modello “Tracciamento adattivo con pleiotropia antagonistica”. In parole semplici, significa che le popolazioni possono rispondere costantemente ai cambiamenti ambientali, mentre molte mutazioni comportano dei compromessi che dipendono dall’ambiente.
Una mutazione che oggi aumenta la fitness potrebbe ridurla domani. Di conseguenza, l’evoluzione può essere ricca di cambiamenti benefici che però non diventano mai permanenti.
Gli esperimenti con il lievito mostrano cosa succede quando cambiano le condizioni
Per verificare questa ipotesi, il team di Zhang ha confrontato due gruppi di lievito per oltre 800 generazioni. Un gruppo si è evoluto in un ambiente stabile, l’altro in un ambiente dinamico composto da 10 diversi terreni di coltura.
Il gruppo sottoposto a variazioni ambientali ha trascorso 80 generazioni nel primo mezzo, poi 80 nel successivo e così via, fino a completare anch’esso 800 generazioni. (Ogni generazione è durata 3 ore)
I ricercatori hanno riscontrato un numero di mutazioni benefiche nettamente inferiore nel gruppo esposto a condizioni variabili. Le mutazioni utili si verificavano comunque, ma spesso non avevano il tempo sufficiente per diffondersi nella popolazione prima che le condizioni cambiassero nuovamente.
“È qui che nasce l’incoerenza. Sebbene osserviamo molte mutazioni benefiche in un dato ambiente, queste mutazioni benefiche non hanno la possibilità di stabilizzarsi perché, man mano che la loro frequenza aumenta fino a un certo livello, l’ambiente cambia”, ha affermato Zhang. “Quelle mutazioni benefiche nel vecchio ambiente potrebbero diventare dannose nel nuovo ambiente.”
Perché un adattamento perfetto potrebbe essere fuori dalla nostra portata
I risultati indicano una visione più instabile dell’evoluzione. Anziché progredire costantemente verso una perfetta corrispondenza tra gli organismi e i loro ambienti, le popolazioni potrebbero spesso rimanere bloccate nella ricerca di condizioni in continuo cambiamento.
Zhang ha affermato che l’idea ha ampie implicazioni per gli esseri viventi, compresi gli esseri umani.
“Penso che questo abbia ampie implicazioni. Ad esempio, per gli esseri umani. Il nostro ambiente è cambiato così tanto e i nostri geni potrebbero non essere i più adatti all’ambiente odierno perché abbiamo attraversato molti ambienti diversi. Alcune mutazioni potrebbero essere state vantaggiose nei nostri vecchi ambienti, ma non sono adatte a quelli odierni”, ha affermato Zhang.
Ha aggiunto che il grado di adattamento osservato in una popolazione può dipendere da quanto recentemente è cambiato il suo ambiente.
“Ogni volta che si osserva una popolazione naturale, a seconda di quando si è verificato l’ultimo grande cambiamento ambientale, la popolazione potrebbe essere molto poco adattata o relativamente ben adattata. Ma probabilmente non vedremo mai una popolazione completamente adattata al suo ambiente, perché un adattamento completo richiederebbe più tempo di quanto quasi qualsiasi ambiente naturale possa rimanere costante.”
Un cambiamento più radicale nel modo in cui gli scienziati studiano le mutazioni
La teoria neutrale è emersa in un momento cruciale della biologia. Prima degli anni ’60, gli scienziati studiavano spesso l’evoluzione esaminando la forma, la struttura e le caratteristiche fisiche di un organismo. Con l’avvento del sequenziamento delle proteine e, successivamente, dei geni, i ricercatori hanno potuto studiare l’evoluzione a livello molecolare.
Questo cambiamento ha rivelato schemi che la Teoria Neutrale spiegava bene, tra cui il motivo per cui molte differenze genetiche sembrano accumularsi costantemente nel tempo. Lo studio del Michigan non cancella questa storia. Piuttosto, offre un modo per conciliare due osservazioni che sembrano contraddirsi.
Da un lato, molte modifiche molecolari che si stabilizzano appaiono comunque neutre quando gli scienziati confrontano i genomi. Dall’altro lato, gli esperimenti suggeriscono che le mutazioni benefiche possono essere abbondanti in un dato ambiente. Il team di Zhang sostiene che entrambe le affermazioni possono essere vere se le mutazioni benefiche sono spesso temporanee.
Recenti ricerche nel campo della genetica evolutiva hanno continuato a sottolineare l’importanza degli ambienti mutevoli. Una revisione del 2026 sull’adattamento in condizioni in rapida evoluzione ha evidenziato come le variazioni nelle frequenze alleliche e nei tratti dipendano fortemente dalla variabilità genetica disponibile. Altre ricerche sui lieviti hanno inoltre dimostrato che l’adattamento può essere influenzato dallo stress ambientale e che mutazioni utili in un contesto possono comportare svantaggi in altri.
Nel loro insieme, questi risultati rafforzano un tema sempre più rilevante nella biologia evolutiva. L’effetto di una mutazione non può sempre essere compreso isolatamente. Può dipendere dall’ambiente circostante, dalla storia dell’organismo e dalla velocità con cui le condizioni cambiano.
Avvertenza e domanda successiva
Zhang ha evidenziato un limite importante. Gran parte dei dati utilizzati nello studio proveniva da lievito ed E. coli , organismi unicellulari che rendono più facile misurare gli effetti delle mutazioni sulla fitness. Saranno necessari ulteriori dati di analisi mutazionale approfondita su organismi multicellulari per verificare se gli stessi modelli si applicano ad animali, piante ed esseri umani.
Il team intende inoltre indagare sul perché gli organismi impieghino così tanto tempo ad adattarsi completamente, anche quando l’ambiente rimane costante.
Lo studio è stato finanziato dai National Institutes of Health statunitensi ed è stato pubblicato su Nature Ecology and Evolution. Tra gli altri autori figurano gli ex studenti laureati dell’Università del Michigan Siliang Song e Xukang Shen e l’ex ricercatrice post-dottorato della stessa università Piaopiao Chen.
Per ora, questo lavoro indica una possibilità sorprendente. L’evoluzione potrebbe assomigliare meno a una scalata costante verso la perfezione e più a una corsa dietro a un mondo in continuo movimento.
Abstract
La teoria neutrale dell’evoluzione molecolare, che postula che la maggior parte delle sostituzioni di amminoacidi nell’evoluzione delle proteine siano neutre, è supportata da un’ampia mole di dati genomici comparativi. Tuttavia, in questo studio dimostriamo che il presupposto chiave della teoria – ovvero che le mutazioni benefiche siano estremamente rare – risulta violato. Dati di scansione mutazionale approfondita relativi a 12.267 mutazioni che alterano gli amminoacidi in 24 geni procariotici ed eucariotici rivelano che oltre l’1% di queste mutazioni sono benefiche, prevedendo che oltre il 99% delle sostituzioni di amminoacidi sia adattativo. Questa osservazione richiede una nuova teoria compatibile sia con l’elevato tasso di mutazioni benefiche sia con i dati genomici comparativi considerati coerenti con la teoria neutrale. Proponiamo una teoria di questo tipo, denominata tracciamento adattativo con pleiotropia antagonistica. In questa teoria, praticamente tutte le mutazioni benefiche osservate sono specifiche dell’ambiente. I frequenti cambiamenti ambientali e la pleiotropia antagonistica delle mutazioni tra i diversi ambienti rendono la maggior parte delle mutazioni benefiche osservate in un dato momento deleterie poco dopo e quindi raramente fissate. Di conseguenza, nonostante il verificarsi di un adattamento dinamico – un adattamento continuo a un ambiente in cambiamento alimentato da mutazioni vantaggiose – prevalgono le sostituzioni neutre. Dimostriamo che questa teoria è supportata da simulazioni di genetica di popolazione, osservazioni empiriche ed evoluzione sperimentale e ha implicazioni per l’adattabilità delle popolazioni naturali e per il ritmo e la modalità dell’evoluzione.
Materials provided by University of Michigan. Note: Content may be edited for style and length.
Siliang Song, Piaopiao Chen, Xukang Shen, Jianzhi Zhang. Adaptive tracking with antagonistic pleiotropy results in seemingly neutral molecular evolution. Nature Ecology, 2025; 9 (12): 2358 DOI: 10.1038/s41559-025-02887-1
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