 Photo Credit: Mike Lucibella |
(Da sinistra a destra) Jacob Idec, Scott Hotaling e JD Gantz cercano larve di moscerino nel muschio in cima a una collina rocciosa su un’isola vicino alla stazione Palmer. |
Cosa possono dirci i geni del piccolo moscerino duro dell’Antartide
Gli scienziati stanno osservando da vicino il più grande animale terrestre dell’Antartide.
È un piccolo insetto chiamato moscerino antartico, e non crescono molto più grandi di un’unghia. Ci sono un sacco di domande persistenti su queste creature, e ricercatori sperano che un ampio studio del loro piccolo genoma può iniziare a rivelare alcune risposte.
Nel corso di febbraio e marzo, un team di scienziati ha navigato sulla nave di ricerca Laurence M. Gould lungo la costa della penisola antartica, conducendo lo studio più ampio del moscerino antartico ancora.
“Siamo stati in grado di raccogliere moscerini che vivono in luoghi diversi e sperimentano ambienti diversi”, ha detto Nicholas Teets dell’Università del Kentucky e ricercatore principale del progetto. “Stiamo andando a guardare il loro trucco genetico sottostante per vedere come il loro trucco genetico differisce in queste diverse parti dell’Antartide.”
Confrontando le loro mappe genetiche, sperano di saperne di più su come questi insetti hanno persistito nel continente più duro per milioni di anni e su cosa potrebbe riservare il futuro per loro.
“Siamo interessati a come queste popolazioni sono arrivate dove sono in tutta la storia dell’Antartide”, ha detto Teets.
Il progetto è sostenuto dalla National Science Foundation, che gestisce il Programma antartico statunitense.
Nessuna formiche in Antartide
Sebbene gli insetti siano onnipresenti in tutto il mondo, sono in qualche modo un’aberrazione in Antartide.
“Gli insetti sono incredibilmente rari in Antartide. Ci sono stati un milione di specie di insetti trovati sul pianeta Terra e solo tre insetti possono essere trovati in Antartide, quindi è un posto davvero difficile per gli insetti vivere”, ha detto Teets. “Siamo interessati a come possono farlo, quali sono gli speciali adattamenti unici che hanno che consentono loro di affrontare questi ambienti antartici estremi.”
Di queste tre specie, solo Belgica antarctica, più comunemente nota come Moscerino antartico, è veramente originaria del continente ghiacciato. Sono creature piuttosto resistenti e devono essere per vivere e prosperare nel continente più duro.
“Sono ciò che consideriamo un poli-estremofilo, il che significa che sono altamente tolleranti di molti diversi tipi di stress”, ha detto Teets.
Vivono e prosperano in condizioni estremamente fredde e secche, ambienti che la maggior parte degli esseri viventi troverebbe decisamente letali.
“Il moscerino antartico pone un limite a molte di queste cose”, ha detto Scott Hotaling, ricercatore post-dottorato presso la Washington State University. “È l’insetto vivente più meridionale del mondo. È uno dei più tolleranti al freddo. È uno dei più tolleranti all’essiccazione. Ha il genoma più piccolo ed è l’unico insetto endemico dell’Antartide.”
I ricercatori stessi stanno lavorando per capire i limiti di che tipo di condizioni estreme moscerini possono tollerare, e come va a farlo.
“Il nostro lavoro è iniziato come tolleranze fisiologiche di base; come sopravvivono qui e cosa sono in grado di tollerare”, ha detto JD Gantz, fisiologo dell’Hendrix College. “si è evoluto nel porre domande su quanto bene questo insetto si disperde, quanto bene è in grado di andare da un luogo all’altro e come ciò influenza il flusso genico tra le popolazioni e anche come ciò corrisponda alle tolleranze fisiologiche in questo animale da popolazione a popolazione.”
Questi insetti si sono evoluti modi per affrontare in qualche modo le temperature sotto zero dell’Antartide. Una delle speranze è che imparando come questi moscerini si sono adattati al congelamento solido per più della metà dell’anno, i ricercatori possono trasferire alcune di queste tecniche per altri scopi.
“Il mio laboratorio è interessato anche alla crioconservazione, o alla capacità di conservare le cose al freddo per lungo tempo”, ha detto Teets. “Parte del nostro obiettivo per studiare gli adattamenti in specie come il moscerino antartico, che sono già veramente bravi a congelare, è vedere se alcune di queste informazioni potrebbero essere applicate per aiutare a congelare altre cose, e forse anche più in futuro, intuizioni da specie come il moscerino potrebbero essere utilizzate per migliorare la crioconservazione di tessuti e organi umani.”
Frigoriferi di moscerini
Per studiare il moscerino antartico, il team ha dovuto prima uscire e trovare alcuni. La squadra sul campo ha navigato sulla nave da ricerca Laurence M. Gould lungo la costa della penisola antartica, fermandosi in più di 20 siti lungo la strada per raccogliere e conservare campioni viventi.
“Questa stagione si è concentrata principalmente sull’ottenimento dei campioni per la genetica delle popolazioni”, ha detto Teets. “erano sulla nave e avevano accesso a tutti questi diversi siti di raccolta che non siamo mai stati prima.”
In ogni sito di campo, il team prendeva una piccola barca a riva e si allontanava, cercando ciuffi rivelatori di crescita di piante o alghe che di solito significava che i moscerini si trovavano sotto. Le larve di moscerino sono esse stesse più piccole di un chicco di riso, ma spesso si riuniscono in ciuffi. Cautamente, con una pinzetta o un aspiratore di aspirazione, si misero a raccogliere diverse dozzine di larve di moscerino da ogni sito.
“È particolarmente utile ottenerne così tanti perché al momento non siamo in grado di allevarli in laboratorio”, ha detto Jacob Idec, uno studente post-laurea all’Hendrix College. “Dove li otteniamo essenzialmente sta raccogliendo.”
Dopo aver raccolto ciò di cui avevano bisogno da un locale, si guardavano intorno per un microambiente diverso, di solito da qualche parte più in alto, più lontano dalla riva o generalmente più asciutto.
“Abbiamo un sacco di siti e un sacco di moscerini”, ha detto Idec. “Abbiamo avuto un sacco di buone giornate e siamo stati in grado di raccogliere un sacco di moscerini in un sacco di posti diversi, che è stato emozionante, e fondamentalmente dovrebbe rendere la genetica che ne deriva più prezioso, avendo più siti e più posizioni.”
Confrontando i moscerini tra ambienti vari e luoghi diversi lungo la penisola, il team spera di vedere quali tipi di differenze genetiche esistono tra le popolazioni e raccogliere alcune informazioni su come si sono adattati alla loro particolare nicchia nel continente.
“Stiamo raccogliendo dati genomici su scala davvero fine da molti individui di ogni popolazione, quindi avremo una buona prospettiva sulla diversità genetica totale all’interno della popolazione e saremo in grado di prendere quei dati e confrontarli tra le popolazioni”, ha detto Hotaling. “C’è un modello di fondamentalmente più sei lontano, più sei geneticamente distinto? Oppure, poiché stiamo campionando cose come una collina più alta rispetto a una piccola valle, o un posto dove c’è un sacco di guano pinguino contro no, la differenziazione genetica si struttura per tipo di habitat? Quindi questi due tradizionalmente nella letteratura genetica sono chiamati isolamento per distanza, sei più lontano quindi sei più diverso, rispetto all’isolamento per ambiente, dove non è distanza, è quanto è simile il tuo ambiente.”
Questa domanda su quali popolazioni siano le più simili tra loro è di particolare interesse perché sebbene i moscerini siano abili, prosperare in Antartide non è uno stile di vita particolarmente glamour. Trascorrono la maggior parte della loro vita di due anni come larve a malapena mobili. Simili a minuscoli vermi scuri, strisciano appena sotto la superficie, di solito in macchie di muschio o alghe terrestri o persino guano pinguino. Per circa otto mesi dell’anno, le larve sono effettivamente congelate, scongelandosi solo per nutrirsi durante i mesi estivi più caldi.
“Trascorrono solo da dieci a 14 giorni da adulti”, ha detto Teets. “Quando sono adulti sono senza ali. Inoltre non hanno parti funzionali della bocca da adulti, non mangiano o bevono nulla, strisciano in giro, cercano un compagno, le femmine depongono le uova e poi muoiono.”
Questo ciclo di vita in gran parte del suolo, combinato con la loro assenza di ali, presenta un puzzle ai ricercatori che cercano di capire come sono stati in grado di diffondersi così ampiamente lungo la lunghezza della penisola antartica.
“Non esiste un meccanismo chiaro per questo insetto di muoversi, di disperdersi da un posto all’altro”, ha detto Gantz. “Gli adulti sono la fase di dispersione che vivono solo pochi giorni. Sono senza ali, non cavalcano le correnti d’aria, almeno dovrei dire che non li abbiamo mai visti cavalcare le correnti d’aria, e l’abbiamo cercato. Non galleggiano particolarmente bene. Non siamo proprio sicuri di come questo insetto sarebbe ottenere da un’isola all’altra.”
Anche se il team non si aspetta di risolvere tutti questi misteri con i loro dati genetici da solo, sapendo quali popolazioni sono più simili possono iniziare a farsi un’idea di quanto siano mobili i moscerini come specie. Ci sono altre domande persistenti su di loro che il team spera di raccogliere alcune informazioni.
Insetti duri
Il parente più prossimo del moscerino proviene dalla regione della Patagonia del Sud America, che l’Antartide si staccò da circa 30 a 40 milioni di anni fa con l’apertura del Passaggio di Drake. Nel corso di quel tempo, il globo ha subito un certo numero di ages glaciali; epoche in cui le calotte glaciali antartiche sono cresciute ancora di più, inghiottendo le poche aree di rifugio prive di ghiaccio del moscerino. Come la specie è stata in grado di sopravvivere attraverso estese gelate profonde per centinaia di migliaia di anni è un altro mistero.
“Sono stati in qualche modo in grado di persistere in Antartide durante questi ripetuti cicli di glaciazione”, ha detto Teets. “Alcuni di questi dati genetici ci aiuteranno a rispondere ad alcune di queste domande su come sono arrivati a essere dove sono.”
Sebbene i moscerini siano riusciti a sopravvivere in alcuni periodi intensamente gelidi sul continente, il futuro sembra più caldo e questo potrebbe significare problemi per gli insetti.
“Uno dei pochissimi stress che non gestiscono bene è l’alta temperatura”, ha detto Gantz. “Almeno da un punto di vista teorico, il cambiamento climatico non sarà una buona cosa, specialmente se, come sospettiamo, non sono molto bravi a disperdersi, quindi non hanno un meccanismo chiaro per spostarsi a sud mentre le cose si scaldano più a nord.”
Inoltre, mentre la penisola si scalda, gli insetti del nord più caldo potrebbero iniziare a farsi strada nel territorio del moscerino antartico e iniziare a spingerli fuori.
“Il nostro primo sito di questo viaggio è stato Byers Peninsula sull’isola di Livingston. Abbiamo trovato un moscerino diverso lì che assomiglia molto a Belgica, ma ha le ali sugli adulti”, ha detto Hotaling. “È abbastanza facile immaginare che se i limiti latitudinali inferiori di quella specie vengono fissati dalle basse temperature, che stanno aumentando, potrebbe disperdersi attivamente a sud e potenzialmente spostare Belgica.”
Alcuni degli studi fisiologici che il team ha pianificato per i moscerini che hanno raccolto potrebbero offrire informazioni su quanto bene il moscerino antartico risponderà alle mutevoli condizioni climatiche. Tuttavia, è particolarmente difficile sapere con certezza cosa succederà quando ci sono ancora molte domande di base senza risposta sui moscerini antartici.
“Sappiamo a malapena dove sono i limiti della loro popolazione, non abbiamo nemmeno nulla vicino a una stima delle dimensioni della popolazione, non sappiamo se stanno aumentando o se stanno diminuendo”, ha detto Gantz.
A causa della lontananza di dove questi moscerini chiamano casa, può essere anni, o addirittura decenni prima che gli scienziati possono iniziare a ottenere una vera e propria maniglia su alcune di queste domande. Debbie Harner, educatrice presso il Living Arts and Science Center di Lexington, Kentucky, si è unita al team sul campo per aiutare a condividere il loro lavoro con il pubblico e ispirare la prossima generazione di scienziati che potrebbero assumere tale carica.
“Ho l’opportunità di condividere con i bambini quello che stanno facendo”, ha detto Harner. “Porterò un programma antartico alla comunità, condividendo ciò che abbiamo fatto in questo viaggio e insegnando ai bambini gli animali antartici come il moscerino e alcuni degli adattamenti che hanno.”
In questo momento, le centinaia di larve raccolte dal team sono divise tra il laboratorio di Teets in Kentucky e il laboratorio di Gantz in Arkansas, mentre il team si prepara a iniziare il loro lavoro genetico e fisiologico. Il team ha in programma altre due stagioni di lavoro sul campo e intende tornare in molti dei loro migliori siti per raccogliere più campioni.
NSF-finanziato la ricerca in questa storia: Nicholas Teets, Università del Kentucky, Premio No. 1850988.