Ricostruito l’inizio della storia evolutiva degli insetti alati: risolto il “problema dei Paleopteri”

Con oltre un milione di specie viventi formalmente descritte, gli insetti sono il gruppo di animali più ricco di specie sulla Terra. L'evoluzione degli insetti alati (Pterigoti) è tra gli eventi più trasformativi dell'evoluzione terrestre. Tuttavia, la tempistica dell'origine degli insetti alati e le relazioni filogenetiche tra i tre principali lignaggi di pterigoti, Efemerotteri (efemerotteri), Odonati (libellule e damigelle) e Neotteri (insetti con ali pieghevoli), sono rimaste irrisolte per oltre un secolo, rendendo il “problema dei Paleopteri” un problema di lunga data nella ricostruzione dell'albero filogenetico degli insetti.

Il  nuovo studio “Phylogenomics confirms Palaeoptera monophyly and illuminates the origin of winged insects”, pubblicato su PNAS da un team di ricercatori cinesi e statunitensi guidato da Cai Chenyang dell'Istituto di Geologia e Paleontologia di Nanchino dell'Accademia Cinese delle Scienze (NIGPAS) e da Zhou Changfa dell'università Normale di Nanchino, ricostruisce la storia evolutiva iniziale degli insetti alati e fornisce nuove stime su quando sono emersi i loro principali lignaggi,  supportando l'ipotesi che le effimere (Ephemeroptera) e le libellule e damigelle (Odonata) formino un unico gruppo evolutivo, i Palaeoptera, che è il gruppo fratello dei Neoptera, il lignaggio che comprende gli insetti capaci di ripiegare le ali sul corpo.

All'Accademia Cinese delle Scienze spiegano che «Per affrontare il problema dei Paleopteri, i ricercatori hanno sequenziato 16 nuovi genomi di effimere cinesi e integrato dati genomici e trascrittomici provenienti da oltre 100 specie di insetti, ottenendo una copertura senza precedenti di questo lignaggio chiave storicamente poco studiato e colmando sostanzialmente le lacune nel campionamento di taxa e geni riscontrate negli studi precedenti. I ricercatori hanno innanzitutto costruito due grandi supermatrici di amminoacidi utilizzando geni nucleari ortologhi universali a copia singola. Hanno poi esaminato sistematicamente i segnali filogenetici utilizzando metodi di concatenazione e coalescenza multispecie, molteplici modelli evolutivi, test topologici, analisi del segnale a livello di sito e analisi di simulazione. I risultati ottenuti da questi diversi approcci filogenomici supportano in modo coerente la monofilia dei Palaeoptera. I dati genomici indicano inoltre fortemente che Ephemeroptera e Odonata sono gruppi fratelli, che insieme formano i Palaeoptera, il clade fratello dei Neoptera. Questi risultati suggeriscono che le ali non pieghevoli dei Palaeoptera e le ali pieghevoli dei Neoptera siano entrambe caratteristiche nuove, acquisite indipendentemente da insetti alati ancestrali, risolvendo così in gran parte il problema di lunga data dei Palaeoptera».

I ricercatori hanno scoperto che, durante la rapida radiazione iniziale degli insetti alati, una combinazione di smistamento incompleto dei lignaggi (incomplete lignaggio sorting - ILS) ed errore di stima dell'albero genico (gene tree estimation error - GTEE) ha influenzato circa il 40% degli alberi genici, creando una discordanza topologica tra gli alberi genici e l'albero delle specie. Questo fenomeno ha portato a conclusioni contrastanti tra diversi modelli analitici e spiega perché i precedenti studi filogenomici non sono riusciti a risolvere completamente le relazioni filogenetiche basali degli insetti alati.

Per stimare la tempistica della prima evoluzione degli insetti alati,  i ricercatori hanno anche utilizzato analisi dell’orologio molecolare calibrate con 13 punti di riferimento fossili accuratamente selezionati e i loro risultati indicano che «I Pterigoti, gruppo corona, ebbero origine nel Devoniano inferiore, mentre i Palaeotteri, gruppo corona, comparvero nel Devoniano superiore. Le ali degli insetti si sono evolute una sola volta. Il meccanismo di ripiegamento delle ali dei Neotteri, reso possibile dalla rotazione del terzo sclerite ascellare indipendente per ripiegare le ali posteriori sull'addome, ha fornito le basi morfologiche ed ecologiche per l'esplosiva radiazione dei Neotteri dopo il Carbonifero. Al contrario, sia le effimere che le libellule hanno sviluppato complessi alari rigidi altamente specializzati, adattati al volo planato o al volo predatorio ad alta velocità».

Gli scienziati cinesi concludono che lo scenario evolutivo ricostruito dallo studio dimostra che «Dopo la divergenza iniziale degli insetti alati, i Palaeoptera e i Neoptera si sono rapidamente differenziati e hanno sviluppato strutture alari distinte: i Neoptera hanno sviluppato il loro apparato di ripiegamento alare unico, mentre i Palaeoptera hanno sviluppato basi alari rigide per un volo diretto ad alte prestazioni. Complessivamente, queste innovazioni hanno plasmato la biomeccanica del volo e la diversità di specie degli insetti alati che osserviamo oggi in natura».