Prosopopea

E’ abbastanza ovvio da come conduco il blog e la pagina di Facebook di Prosopopea che una delle cose che mi piace di più in assoluto è trovare roba insolita e fagocitarla ad un ritmo impressionante.

Ma ancora più di trovare strani fattoidi, una cosa che mi piace è trovare buone domande. E, nella mia assolutamente personale definizione, una buona domanda è spesso una domanda che si nasconde in piena vista: qualcosa che dovrebbe averti provocato curiosità in qualche  modo durante le vicissitudini della vita, ma se ne è sempre stata ben acquattata nei recessi della mente.

L’altra notte stavo cercando qualche specie rettiloide per niente pucciosa per un blogpost, finché, leggendo della Vipera Cornuta di Matilda, un serpente scoperto in Tanzania del 2011 al cui veleno non esiste antidoto, l’impulso ha finalmente raggiunto la corteccia prefrontale, ed è arrivata la domanda:

Ma il veleno dei serpenti, come diavolo si è evoluto ?

Un bel primo piano Atheris matildae, la vipera cornuta di Matilde, che prende il nome della figlia di Tim Davenport, che è anche il possessore del copyright di questa foto.

La prima mia reazione è stata correre alla mia istruzione. Da qualche parte, in qualche corso, devono avermi insegnato qualcosa a proposito, suvvia. A che diavolo serve laurearsi in Biologia se neppure ti insegnano come si sono evoluti i serpenti velenosi ? Pur rovistando nella memoria, però, non mi sovviene nulla. E’ anche vero che io sono sempre stato un pessimo studente, quindi è probabile che me lo sia perso io.

Andiamo a rovistare nella libreria, dunque. Cerco il mio libro di testo di Zoologia, ma inutilmente: e riaffiora il ricordo di  come l’ho rivenduto usato dopo aver sostenuto l’esame, che tra l’altro avevo odiato profondamente. Ottimo lavoro, cervello, sempre a sabotare il mio futuro dal passato.

Ripiego sul mio testo di evoluzione. Magari come esempio, in un paragrafo, qualcosa riesco comunque a tirar fuori. Nell’indice analitico non c’è nulla. Non c’è serpente, non c’è veleno, non c’è alcuna parola chiave sinonima che riesca ad immaginare, nonostante gli anni di pratica con google . 47 Euro, 700 pagine, e niente che parli di serpenti. Qualcuno deve decisamente rivedere le sue priorità.

Andiamo, invece, attraverso lo straordinario potere di internet, nella letteratura primaria. Ed è una cosa che si può fare anche se non avete accesso a banche date universitarie o intenzione di pagare 15 $ (quando va bene) per accedere a sei pagine di articolo: basta cercare roba open access.

Questo articolo, ad esempio, è un po’ datato, ma mi educe sull’evoluzione delle ghiandole del veleno e di quelle siringhe ipodermiche che hanno attaccate alla bocca per iniettarlo con la massima efficacia.

Non sorprendentemente, i serpenti velenosi si sono evoluti da antenati non velenosi: l’invenzione dei denti per iniettare veleno risale a più o meno 60 milioni di anni fa. Per vedere la sua modificazione, dobbiamo andare a considerare tre distinte famiglie di serpenti moderni e com’è fatta la loro bocca: abbiamo i viperidi (tipo, uh, le vipere), gli elapidi (tipo il cobra reale) e i colubridi, che hanno la bocca più “primitiva”.

Questo Oxybelis aeneus incazzoso spalanca la bocca per attaccare, ma dove sono i denti ?! Se aguzzate la vista potete notare che ci sono, ma sono delle specie di dentelli su tutta la bocca, e non siringone letali. Photocredits: Rich Wagner | WildNaturePhotos

I colubridi generalmente non sono velenosi, e conseguentemente mancano di apparati per iniettare il veleno. Generalmente, perché ci sono eccezioni:

Dispholidus typus è un serpente africano che, come si può benissimo vedere da questa foto rubata a guenterleitenbauer su flickr, ha i denti sul retro della bocca. Sono piccini, ma iniettano comunque un veleno letale.

I colubridi, sostanzialmente, devono avere già la preda in bocca e immobilizzata prima di potergli iniettare il veleno. E’ abbastanza poco pratico per un predatore, che, già di suo, non ha artigli,  o zampe potenti per colpire: le due specie nelle foto risolvono il problema piombando sulla vittima giù dagli alberi su cui abitano.

Questa tipo di dentatura è probabilmente la più antica, e da questa, per modificazioni successive, si è arrivati alla morfologia della bocca dei serpenti moderni, anche per quanto riguarda la formazione della ghiandola del veleno:

Una serie di modificazioni contemporanee della dentatura e della ghiandola di Duvernoy, una ghiandola boccale presente solo nei colubridi, che hanno portato alle due famiglie di serpenti più “moderne”, Viperidi ed Elapidi, con vere e proprie ghiandole del veleno.

L’articolo da cui ho preso l’immagine, in realtà, è leggermente obsoleto: l’evoluzione dei denti, è, stando a ben più recenti studi embriologici, separata dall’evoluzione della ghiandola del veleno: in tutti i gruppi i denti veleniferi durante lo sviluppo embrionale si originano nel retro della bocca, ed è la crescita differenziale delle altre ossa della mascella a spostarli avanti e indietro. La ghiandola del veleno si è evoluta indipendentemente dai denti necessari per iniettarlo, in sostanza.

Il fatto che la ghiandola di Duvernoy sia una ghiandola orale presente solo nei Colubridi e non negli altri due gruppi faceva pensare, almeno nell’86, che il veleno si fosse evoluto per modificazione da proteine presenti nella saliva: per un colubride, che ha una preda viva fino in fondo alla bocca, una secrezione anche leggermente tossica dalla ghiandola di Duvernoy sarebbe sicuramente utile. Secondo il paper, questo creava un paradosso: i Colubridi sarebbero “sulla strada per diventare” serpenti velenosi, ma hanno già denti posteriori sviluppatissimi. Ma, come detto nel paragrafo sopra, l’evoluzione dei denti e del veleno sono in realtà questioni più distinte di quanto si pensasse.

Quindi il veleno dei serpenti si è generato per semplice accrezione, con il tempo, secondo un noiosissimo gradualismo darwiniano ? Un’altro tipo di indagine che non si utilizzava trent’anni fa, l’indagine molecolare su larga scala, è perentoria: il veleno viene prima dei serpenti.

Questa ricerca sostiene che, genoma alla mano, i geni per il veleno dei serpenti sono 100 milioni di anni più antichi dei serpenti stessi: comparando 9 geni in 19 specie di serpenti e lucertole. L’albero genealogico che se ne ricava mette bene in luce che i serpenti sono più strettamente imparentati con lucertole velenose, tipo il mostro di Gila, che con specie non velenose, come i comuni Gecko.

Un bellissimo mostro di Gila, che prende il nome dal fiume Gila in Arizona. Dalla saliva velenosa di questa creatura sono stati estratti una grande quantità di composti bioattivi, tra cui l’exendin-4, trasformata nel farmaco per il diabete Exenatide, e l’helodermina, su cui si lavora da 20 anni nel tentativo di trasformarla in un farmaco efficace contro il tumore ai polmoni. Photocredits: Friends Of Saguaro National Park

Ma le tossine dei serpenti moderni da che diavolo di geni vengono, indipendentemente da quanto sono vecchi ? Sono proteine della saliva modificate oppure no ? La ghiandola boccale cosa diavolo secerne ?

La ragione per cui i veleni sono così interessanti per la ricerca di nuove molecole bioattive è che, lì in mezzo, c’è letteralmente un po’ di tutto. Due particolari famiglie di tossine, le CRISP (Cystein Rich Secretory Protein, proteine ricche di cisteina che, come veleno, vanno ad interferire con le contrazioni muscolari) e le callicreine (Enzimi che tagliano altre proteine, presenti nella saliva, nelle lacrime, nei succhi pancreatici)  hanno origine dalla modificazione di proteine che normalmente sono già espresse in tessuti collegati al tubo digerente.

Ma ci sono anche cose prese da tessuti completamente diversi. Il termine tecnico è “reclutamento”: un gene che ha una sua funzione fondamentale in un’altra parte dell’organismo comincia ad essere espresso in un altro posto. Se questo gene subisce una duplicazione, una delle due versioni può diventare sostanzialmente quello che vuole, tipo un veleno ben più letale, senza danneggiare l’altra copia del gene, indispensabile per lo sviluppo. Un esempio: nel veleno di molte vipere è presente una proteina quasi identica all’NGF-β, la proteina scoperta dalla Montalcini che normalmente regola la crescita e lo sviluppo dei neuroni. Agisce sugli stessi recettori, accendendoli, tanto che con le giuste dosi e modificazioni biochimiche, si potrebbe utilizzare come farmaco neurotrofico.  E’ un fatto al limite dell’alchimia: estrarre una proteina da un veleno neurotossico e farla diventare un farmaco che migliora la crescita dei neuroni. Che figata non è?!

Oppure, la crotamina, la tossina tipica del serpente a sonagli, viene da una modificazione della crotasina, una proteina simile, e le due sono il risultato l’una di una duplicazione dell’altra. A cosa serve la crotasina ? Non lo sappiamo, ma ha una struttura tridimensionale analoga a quella delle beta difensine, proteine antimicrobiche che vengono espresse da un sacco di vertebrati sulla pelle, come potenti antibiotici ad ampio spettro. Forse il crotalo ha preso una proteina che usava per uccidere i suoi microbici “predatori”, e l’ha rivoltata per ammazzare le sue prede.

La tossina del mamba viene da una proteina che contrae i muscoli dello stomaco durante la peristalsi; il Cobra Venom Factor (che ha anche un nome che sembra uscito da un cartone animato giapponese) si è evoluto dalla proteina C3 del sistema del complemento, una parte del sistema immunitario dei vertebrati; potrei andare avanti di questo passo per altre 1500 parole.

E’ facile lasciarsi trarre in inganno, e non rendersi conto che spesso siamo noi ad imporre un ordine e una logica, che non esiste realmente nella natura: “Oh, beh, il veleno viene da una ghiandola boccale, quindi avrà reciclato geni di proteine salivari per costruire geni del veleno “. E poi ci trovi fattori di crescita per il cervello. ” Oh, beh, l’evoluzione dei denti veleniferi va di pari passo con l’evoluzione della ghiandola del veleno “. E poi scopri che alcuni geni del veleno sono 140 milioni di anni più vecchi dei denti veleniferi.

La morale di questo articolo è abbastanza semplice: l’evoluzione ha ben più fantasia dei biologi.