Nel 1830 un naturalista tedesco di nome Renous fu arrestato a San Fernando, in Cile per eresia. La sua affermazione? Poteva trasformare bruchi in farfalle. Pochi anni dopo, Renous raccontò la sua storia a Charles Darwin, che la notò nel Viaggio del Beagle.,
Imprigionare qualcuno per aver affermato ciò che oggi si qualifica come conoscenza comune potrebbe sembrare estremo, ma la metamorfosi—il processo attraverso il quale alcuni animali trasformano bruscamente i loro corpi dopo la nascita—ha a lungo ispirato incomprensioni e misticismo. La gente ha saputo almeno dai tempi dell’antico Egitto che vermi e larve si sviluppano in insetti adulti, ma l’evoluzione della metamorfosi degli insetti rimane un vero mistero biologico ancora oggi., Alcuni scienziati hanno proposto storie di origine stravaganti, come l’idea di Donald Williamson che la metamorfosi delle farfalle sia il risultato di un antico e accidentale accoppiamento tra due specie diverse—una che si contorceva lungo il terreno e una che fluttuava nell’aria.
La metamorfosi è un processo davvero bizzarro, ma una spiegazione della sua evoluzione non richiede teorie così infondate (per una critica dell’ipotesi di Williamson, vedi questo studio)., Combinando le prove dei reperti fossili con studi sull’anatomia e lo sviluppo degli insetti, i biologi hanno stabilito una narrazione plausibile sull’origine della metamorfosi degli insetti, che continuano a rivedere come nuove superfici informative. I primi insetti nella storia della Terra non hanno metamorfosi; si sono schiusi dalle uova, essenzialmente come adulti in miniatura. Tra 280 milioni e 300 milioni di anni fa, tuttavia, alcuni insetti hanno iniziato a maturare in modo un po ‘ diverso—si sono schiusi in forme che non sembravano né si comportavano come le loro versioni adulte., Questo cambiamento si rivelò notevolmente vantaggioso: giovani e vecchi insetti non erano più in competizione per le stesse risorse. La metamorfosi ha avuto un tale successo che, oggi, ben il 65% di tutte le specie animali del pianeta sta metamorfosando insetti.
L’uovo di un’idea
Nel 1651 il medico inglese William Harvey pubblicò un libro in cui propose che bruchi e altre larve di insetti fossero embrioni liberi che abbandonavano “uova imperfette” povere di nutrienti prima che maturassero., Harvey ha inoltre sostenuto che il bozzolo o crisalide un bruco è entrato durante il suo stadio pupale era un secondo uovo in cui l ” embrione prematuramente covato è nato di nuovo. Ha intrattenuto l’idea che un bruco era una creatura e una farfalla era una bestia completamente diversa.
Alcune delle idee di Harvey erano preveggenti, ma per lo più interpretava male ciò che osservava. Nel 1669 il biologo olandese Jan Swammerdam respinse la nozione di Harvey della pupa come uovo e della farfalla come animale diverso dal bruco., Swammerdam sezionò tutti i tipi di insetti al microscopio, confermando che la larva, la pupa e l’insetto adulto erano fasi nello sviluppo di un singolo individuo, non di creature distinte. Mostrò che si potevano trovare parti immature del corpo di falena e farfalla all’interno di una larva, anche prima che girasse un bozzolo o formasse una crisalide. In alcune dimostrazioni, ad esempio, Swammerdam ha staccato la pelle dai bachi da seta—lo stadio larvale della falena della seta addomesticata (Bombyx mori)—per rivelare le ali rudimentali all’interno.,
Oggi, i biologi sanno che queste strutture adulte derivano da gruppi di cellule chiamate dischi immaginari, che si formano per la prima volta quando un embrione di insetto si sviluppa nel suo uovo. In alcune specie, i dischi immaginari rimangono in gran parte dormienti fino allo stadio pupale, durante il quale proliferano rapidamente e crescono in zampe, ali e occhi adulti, usando cellule larvali disciolte come combustibile e mattoni. In altre specie, i dischi immaginari iniziano a prendere la forma di parti del corpo adulto prima che l’insetto si impupi (vedi Barra laterale: come si trasforma un bruco in una farfalla?,)
Swammerdam ha anche riconosciuto che non tutti gli insetti metamorfosi nello stesso modo. Propose quattro tipi di metamorfosi, che i biologi in seguito distillarono in tre categorie. Gli insetti ametabolici senza ali, come i pesci argentati e le setole, subiscono una metamorfosi minima o nulla. Quando si schiudono dalle uova, sembrano già adulti, anche se piccoli, e semplicemente diventano più grandi nel tempo attraverso una serie di mute in cui perdono i loro esoscheletri., Hemimetaboly, o metamorfosi incompleta, descrive insetti come scarafaggi, cavallette e libellule che si schiudono come ninfe—versioni in miniatura delle loro forme adulte che sviluppano gradualmente ali e genitali funzionali mentre muta e cresce. Holometaboly, o metamorfosi completa, si riferisce a insetti come coleotteri, mosche, farfalle, falene e api, che si schiudono come larve simili a vermi che alla fine entrano in uno stadio pupale quiescente prima di emergere come adulti che non assomigliano alle larve., Gli insetti possono rappresentare tra l ‘ 80 e il 90 per cento di tutte le specie animali, il che significa che dal 45 al 60 per cento di tutte le specie animali del pianeta sono insetti che subiscono una metamorfosi completa secondo una stima. Chiaramente, questo stile di vita ha i suoi vantaggi.
Una nuova generazione
Metamorfosi completa probabilmente si è evoluta da metamorfosi incompleta. I più antichi insetti fossilizzati si svilupparono molto come i moderni insetti ametabolici ed emimetabolici-i loro giovani sembravano adulti. Fossili risalenti a 280 milioni di anni fa, tuttavia, registrano l’emergere di un diverso processo di sviluppo., In questo periodo, alcuni insetti cominciarono a schiudersi dalle loro uova non come minuscoli adulti, ma come creature simili a vermi con corpi paffuti e molte zampe minuscole. In Illinois, ad esempio, i paleontologi hanno portato alla luce un giovane insetto che sembra un incrocio tra un bruco e un grillo, con lunghi peli che ricoprono il suo corpo. Viveva in un ambiente tropicale e probabilmente rovistava tra i rifiuti di foglie per il cibo.,
I biologi non hanno determinato definitivamente come o perché alcuni insetti hanno cominciato a schiudersi in una forma larvale, ma Lynn Riddiford e James Truman, precedentemente dell’Università di Washington a Seattle, hanno costruito una delle teorie più complete. Sottolineano che gli insetti che maturano attraverso metamorfosi incomplete passano attraverso una breve fase della vita prima di diventare ninfe—la fase pro-ninfale, in cui gli insetti guardano e si comportano in modo diverso dalle loro vere forme ninfali., Alcuni insetti transizione da pro-ninfe a ninfe mentre ancora nell’uovo; altri rimangono pro-ninfe per ovunque da pochi minuti a pochi giorni dopo la schiusa.
Forse questo stadio pro-ninfale, suggeriscono Riddiford e Truman, si è evoluto nello stadio larvale della metamorfosi completa. Forse 280 milioni di anni fa, attraverso una mutazione casuale, alcune pro-ninfe non sono riuscite ad assorbire tutto il tuorlo nelle loro uova, lasciando inutilizzata una preziosa risorsa., In risposta a questa situazione sfavorevole, alcune pro-ninfe hanno acquisito un nuovo talento: la capacità di nutrirsi attivamente, di inghiottire il tuorlo in più, mentre sono ancora dentro l’uovo. Se tali pro-ninfe emergessero dalle loro uova prima di raggiungere lo stadio ninfale, sarebbero state in grado di continuare a nutrirsi nel mondo esterno., Nel corso delle generazioni, questi insetti infantili possono essere rimasti in uno stadio pro-ninfale protratto per periodi di tempo sempre più lunghi, crescendo wormier tutto il tempo e specializzandosi in diete che differivano da quelle dei loro stessi adulti—consumando frutta e foglie, piuttosto che nettare o altri insetti più piccoli. Alla fine queste pro-ninfe prepubescenti divennero larve a tutti gli effetti che assomigliavano a bruchi moderni. In questo modo, lo stadio larvale della metamorfosi completa corrisponde allo stadio pro-ninfale della metamorfosi incompleta., Lo stadio pupale sorse in seguito come una sorta di fase ninfale condensata che catapultò le larve contorte nelle loro forme adulte alate sessualmente attive.
Alcune prove anatomiche, ormonali e genetiche supportano questo scenario evolutivo. Anatomicamente, le pro-ninfe hanno una discreta quantità in comune con le larve di insetti che subiscono una metamorfosi completa: entrambe hanno corpi molli, mancano di corazze squamose e possiedono un sistema nervoso immaturo. Un gene chiamato broad è essenziale per lo stadio pupale della metamorfosi completa., Se elimini questo gene, un bruco non forma mai una pupa e non riesce a diventare una farfalla. Lo stesso gene è importante per la muta durante la fase ninfale della metamorfosi incompleta, corroborando l’equivalenza di ninfa e pupa. Allo stesso modo, sia le pro-ninfe che le larve hanno alti livelli di ormone giovanile, che è noto per sopprimere lo sviluppo delle caratteristiche degli adulti., Negli insetti che subiscono metamorfosi incompleta, i livelli di ormone giovanile dip prima che la pro-ninfa muta nella ninfa; in metamorfosi completa, tuttavia, l’ormone giovanile continua ad inondare il corpo della larva fino a poco prima che si impupi. L’evoluzione della metamorfosi incompleta in metamorfosi completa probabilmente ha coinvolto un tweak genetico che bagnava l’embrione nell’ormone giovanile prima del solito e manteneva alti i livelli dell’ormone per un tempo insolitamente lungo.,
Tuttavia la metamorfosi si è evoluta, l’enorme numero di insetti metamorfosi sul pianeta parla del suo successo come strategia riproduttiva. Il vantaggio principale della metamorfosi completa è eliminare la competizione tra giovani e meno giovani. Gli insetti larvali e gli insetti adulti occupano nicchie ecologiche molto diverse. Mentre i bruchi sono occupati a rimpinzarsi di foglie, completamente disinteressati alla riproduzione, le farfalle svolazzano di fiore in fiore alla ricerca di nettare e compagni., Poiché le larve e gli adulti non competono tra loro per lo spazio o le risorse, più di ciascuno può coesistere rispetto alle specie in cui i giovani e gli anziani vivono negli stessi luoghi e mangiano le stesse cose. In definitiva, l’impulso per molte delle trasformazioni sorprendenti della vita spiega anche la metamorfosi degli insetti: la sopravvivenza.