Ipotesi della regina rossa: corri e sopravvivi o ti fermi e ti estingui?

Nel 1865, la brillante mente di un noto scrittore inglese, Lewis Carroll, diede alla luce uno dei più famosi romanzi fantastici in grado di segnare l’infanzia di generazioni e generazioni. Stiamo parlando di “Alice nel paese delle meraviglie”.

Le avventure della piccola Alice e del cappellaio matto però non si conclusero qui. Nel 1871, Carroll, per la gioia dei suoi lettori, pubblicò il secondo capitolo del romanzo intitolato “Attraverso lo specchio e quel che Alice vi trovò”. Se ormai la sua fama era ben nota, Carroll non poteva minimamente immaginare che, circa un secolo dopo, questo suo secondo capitolo avrebbe potuto influenzare il mondo della biologia.

Come?

Galeotta fu una frase pronunciata dalla regina rossa, ad attirare l’attenzione, molti anni dopo, di un biologo evoluzionista statunitense: Leigh Van Valen (Fig.1)

biologo evoluzionista che per primo descrisse l'effetto regina rossa
Figura 1: Foto del biologo statunitense Van Valen che per primo, nel 1973, propose l’ipotesi della regina rossa come teoria per definire fenomeni evoluzionistici. Credit to: [https://en.wikipedia.org/wiki/Leigh_Van_Valen]

Ora, in questo luogo, come puoi vedere, ci vuole tutta la velocità di cui si dispone se si vuole rimanere nello stesso posto; se si vuole andare da qualche altra parte, si deve correre almeno due volte più veloce di così!” (Fig.2)

alice e la regina rossa
Figura 2: Raffigurazione grafica di Alice intenta ad ascoltare la frase “incriminata” pronunciata dalla Regina rossa. Credit: [https://wikiita.com/red_queen_through_the_lookingglass]

L’epifania che la lettura di questa battuta determinò in Van Valen, fu talmente forte che da lì a poco ne estrasse una vera e propria ipotesi evolutiva: l’ipotesi della regina rossa.

Ipotesi della regina rossa

L’ipotesi della Regina Rossa venne coniata per la prima volta nel 1973. Anche chiamata Corsa della Regina Rossa, Effetto della Regina Rossa o semplicemente Regina Rossa è un’ipotesi evolutiva in grado di spiegare principalmente due fenomeni:

  1. Il vantaggio della riproduzione sessuale a livello di individui;
  2. Le continue dinamiche evolutive che intercorrono tra specie in concorrenza (es: Preda-predatore, ospite-parassita).

Fu proposta per definire la “Legge dell’estinzione” e come l’evoluzione e la coevoluzione siano spesso necessarie per sopravvivere in presenza di altri organismi che evolvono a loro volta. Inoltre, questa metafora di strategia evolutiva è stata considerata adatta per la descrizione di processi biologici con dinamiche simili ad una corsa agli armamenti evolutiva.

Corsa agli armamenti

In natura, può accadere che un qualsiasi miglioramento stocastico, attuato da alcune specie attraverso l’evoluzione, (es: una mutazione seguita da selezione naturale), si riveli vantaggioso per quella specie rispetto ad altre. Questo fenomeno, può determinare che la specie in questione sia in grado di richiedere ad esempio più cibo, territorio, ecc. Le altre specie, quindi, dovranno rispondere a questo cambiamento migliorando sé stesse. Questo miglioramento può essere visto come una corsa agli armamenti e se una specie non “migliora” abbastanza rapidamente, l’estinzione è alle porte.

Un classico esempio di tale effetto è la corsa agli armamenti tra preda e predatore. Se la preda impara a difendersi meglio attraverso l’evoluzione, il predatore sarà costretto a sviluppare un attacco migliore. Ma non solo, anche il mondo dell’infinitamente piccolo ci offre esempi calzanti. Basti pensare ad un patogeno (batteri, virus, parassiti) ed il sistema immunitario, una storia di coevoluzione ancora in evoluzione.

Proprio l’immagine della corsa, come vedremo nel corso di tutto l’articolo, è l’esatto emblema che meglio afferisce alla dinamica di questi fenomeni. Devi correre, migliorarti e sviluppare armi sempre migliori dei tuoi nemici, per riuscire a sopravvivere.

Semplice ora comprendere quindi come nulla poteva essere più affine al concetto della frase di Carroll.

La corsa della regina rossa e la riproduzione sessuale

È ben noto come al tavolo della biologia evolutiva, la riproduzione sessuale giochi un ruolo fondamentale. La chiave che rende evolutivamente utile questo tipo di riproduzione è il rimescolamento genico. I geni del padre e della madre di ogni individuo vengono mescolati insieme per dare vita ad un nuovo individuo geneticamente diverso.  

Questo fenomeno si definisce variabilità genetica e risulta importante in quanto, più variabilità è presente all’interno di una specie, più possibilità c’è che almeno un individuo sia caratterizzato da una mutazione vantaggiosa. Quest’ultima potrebbe renderlo in grado di evolversi più rapidamente di fronte ad un cambiamento, consentendo alla specie di adattarsi ed essere più veloce alle variazioni nella nicchia ecologica che vuole continuare a tenere occupata.

La dinamica preda-predatore

Traslando questo discorso nella dinamica Preda-predatore, un esempio molto interessante è la coevoluzione tra pipistrelli e falene. Gran parte delle falene della famiglia Noctuidae, prede frequenti di pipistrelli, per riuscire a sfuggire al loro predatore, hanno sviluppato un vero e proprio apparato di recettori uditivi in grado di percepire gli ultrasuoni prodotti dal loro nemico. Non essendo infatti, in grado di avvistare un pipistrello con sufficiente anticipo in un contesto notturno, questi lepidotteri hanno sviluppato tali particolari recettori. Questi sono situati ai lati del torace dell’insetto, subito sotto le ali, e sono in grado di individuare la direzione dalla quale sta sopraggiungendo il predatore e la distanza alla quale si trova.

Questo è il risultato di anni e anni di evoluzione e di variabilità genetica che a poco a poco, sotto lo slancio della pressione evolutiva, hanno permesso la selezione di individui che casualmente presentavano questi prototipi recettoriali e che si sono mostrati poi vantaggiosi per permettere alla falena (la preda) di scappare e non farsi mangiare dal pipistrello (Predatore). Queste falene con tale caratteristica perciò sono sopravvissute e si sono riprodotte permettendo alle generazioni successive di mantenere e forse anche migliorare questo apparato.

La dinamica ospite-parassita

La corsa agli armamenti, definita nell’ipotesi della regina rossa, non si limita però solo a definire relazioni tra organismi in grado di riprodursi in maniera sessuata. Come sappiamo infatti, in natura, esistono tutt’ora organismi in grado di moltiplicarsi e riprodursi in maniera asessuata ed il semplice fatto che ancora esistano, sta a significare che anch’essi, ad oggi, siano in grado di armarsi in maniera adeguata per sopravvivere.

Un esempio molto attuale è definito dai virus. I virus sono dei parassiti intracellulari obbligati che necessitano dell’ospite per riprodursi. Poche copie del virus entrano all’interno di una cellula e sfruttando i sofisticati apparati cellulari danno origine a milioni di copie di sé stessi. Stando a quanto detto finora, potremo erroneamente asserire che i virus, come altri microrganismi, non godano di una certa ricombinazione genetica. Sappiamo però, che nella realtà, non è cosi, basti pensare alle cosiddette varianti virali di cui tanto abbiamo sentito parlare in questi tempi.

Ipotesi della Regina rossa: la corsa dei virus

Tutti gli organismi posseggono dei meccanismi che si attivano per andare a riparare eventuali errori che avvengono durante la fase di sintesi del DNA, compreso l’uomo ed i virus.

Più l’organismo è complesso, più questi meccanismi sono affidabili ed efficienti e minore il tasso di mutazione (che comunque è presente). Basti pensare all’uomo, un organismo complesso, con un ciclo biologico più lungo, meno cicli di sintesi del DNA, sistemi di correzione estremamente più efficienti e quindi geneticamente più stabile con frequenze di mutazione più basse. La complessità umana ha permesso di poter probabilmente scegliere di mirare su strategie più sopraffine per attaccare e difenderci in questa guerra. Abbiamo trovato vantaggio nell’ergere barriere di protezione (epidermide, muco, ecc.), nel creare un esercito di cellule immunitarie e via dicendo.

I virus invece sono stati selezionati evolutivamente per essere dotati di complessi di riparazione meno efficienti ed accurati, a volte inesistenti. Il risultato è che il tasso di errore è di un nucleotide per migliaia di basi in quelli a DNA e, per alcuni virus con genoma a RNA, di una mutazione ogni cento basi. Più mutazioni, più variabilità, più probabilità di ottenere una variante vantaggiosa.

Ipotesi della regina rossa: la corsa dell’uomo

Il virus corre e si arma per essere sempre più efficientemente infettivo, e l’ospite? L’ospite deve correre tanto quanto se vuole sopravvivere. Che arma principale è stata attuata dai mammiferi, ad esempio, per difendersi dai patogeni?

Il sistema immunitario. Anni e anni di evoluzione e coevoluzione, hanno portato i mammiferi, tra cui l’uomo, a sviluppare cellule in grado di difendersi da questi attacchi, addirittura a cellule in grado di “ricordare” un attacco precedente ed agire in maniera ancor più efficace ad un secondo incontro. Una corsa continua, in cui nessuno può fermarsi, da sempre.

La coevoluzione nel tempo di sistema immunitario e patogeni però ha dato origine anche ad un ulteriore concetto davvero interessante: la tolleranza. Il nostro esercito infatti, come quello di altri organismi, non reagisce solo attaccando. Nella storia dell’evoluzione, la coesistenza con i microrganismi ha generato anche una sorta di armistizio fra le due fazioni, in modo tale da poter sopravvivere entrambe. Un esempio potrebbe essere l’uomo ed il suo microbiota, ma non solo.

Vi siete mai chiesti perché ad esempio i pipistrelli possano fungere da serbatoi di diverse e molteplici malattie? Una delle motivazioni è proprio la tolleranza. Il sistema immunitario dei pipistrelli risulta estremamente tollerante verso diverse tipologie di virus, ad esempio i coronavirus, in questo modo il pipistrello risulta asintomatico o paucisintomatico, senza grandi ritorsioni a livello di sopravvivenza e fitness, ed il virus riesce comunque a mantenersi all’interno del suo ospite.

La corsa agli armamenti tipica dell’effetto della regina rossa, quindi, non si esplica solo tramite il conflitto, ma anche con la furbizia e l’adattamento.

L’effetto della regina rossa vale solo per i virus?

Assolutamente no. Un altro modello calzante e preoccupante allo stesso tempo è, ad esempio, la resistenza agli antibiotici. L’insorgenza di geni resistenti a determinati antibiotici in molte specie batteriche è frutto di un effetto regina rossa. L’uomo crea antibiotici (arma dell’ospite) che somministra ai pazienti infettati, il batterio all’interno del paziente si replica ed accade che in queste replicazioni casualmente si sviluppa una mutazione su di un gene che permette di essere immuni all’azione battericida dell’antibiotico (arma del patogeno). Mentre tutti i suoi simili sopperiranno all’azione del farmaco, il batterio dotato della mutazione, sopravvivrà, replicherà, perpetuando l’infezione nell’ospite che, a sua volta, dovrà essere pronto a trovare una nuova soluzione se non vorrà sopperire e perdere la battaglia.

Ed i parassiti?

Anche in questo ambito la parola della regina rossa vale. Ne siamo un esempio proprio noi, e di come abbiamo trovato l’escamotage di renderci immuni alla malaria sfruttando l’anemia falciforme in forma eterozigote, ad esempio. Ma non dimentichiamoci anche del mondo vegetale. Anche le piante infatti sono dei master nello sviluppo di meccanismi di difesa contro i parassiti. Un esempio sono le piante da frutto e gli afidi (i cosiddetti pidocchi delle piante). Recenti studi mostrano come le piante attaccate dagli afidi, siano in grado di attivare alcuni geni coinvolti nella sintesi di sostanze volatili attrattive per i nemici naturali degli afidi stessi. L’afide attacca la pianta, la pianta richiama il predatore degli afidi, una corsa davvero interessante.

Come possiamo notare, l’effetto della regina rossa è applicabile ad ogni sistema biologico. Sia le specie animali che vegetali solo evolvendo di continuo riescono a sopravvivere in un contesto in costante cambiamento. Chi non sarà al passo con gli altri, non arriverà lontano.

In conclusione per richiamare in causa Carroll, nel nostro mondo biologico, che tu sia un uomo, una gazzella, una pianta da frutto o un virus, poco importa.

Ogni mattina, devi correre e non puoi aspettare, perché come ben dice il bianconiglio: “Non c’è tempo, Non c’è tempo!!

Ilaria Bellini

Fonti:

1- https://it.abcdef.wiki/wiki/Red_Queen_hypothesis

2- https://www.youtube.com/watch?v=6ogxhNGdOOo

3- Revisiting Van Valen’s Red Queen Hypothesis. Ricard Sol´e. Preprint. 2021. doi:10.20944/preprints202104.0436.v1.

4- immagine 1: https://en.wikipedia.org/wiki/Leigh_Van_Valen

5- immagine 2: https://wikiita.com/red_queen_through_the_lookingglass

6- immagine in evidenza: https://scarletboulevard.com/2015/03/05/ten-movie-trivia-alice-in-wonderland/red-queen-helena-bonham-carter-in-alice-in-wonderland_vf/

Foto dell'autore

Ilaria Bellini

Laureata in biologia e biotecnologie mediche presso l'università di Perugia, attualmente sto svolgendo il dottorato in Microbiologia, Sanità Pubblica e Malattie Infettive presso l' Università La Sapienza di Roma. Come facilmente intuibile dalla mia carriera universitaria sono affascinata dal sistema "uomo" e da tutto ciò che possa eludere i suoi meccanismi di difesa così finemente perfetti (o forse no?). Tengo attiva la mente e la fantasia, studiando l'eterna lotta tra sistema immunitario e patogeni e, al contrario di quanto si possa credere della scienza, mi diverto molto. Il team di Microbiologia Italia mi ha permesso di divulgare la mia passione, distruggere lo stereotipo del ricercatore "topo di laboratorio" ed aprire le porte della scienza ad un pubblico sempre più vasto. Tenere tutta questa ricchezza solo per gli addetti al settore sarebbe un gran peccato.

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