L’evoluzione delle ali non solo ha permesso agli antichi insetti di diventare le prime creature della Terra a prendere il volo, ma ha anche spinto la loro ascesa a diventare una delle grandi storie di successo della natura, secondo un nuovo studio.
Comprendendo fino a 10 milioni di specie viventi, gli insetti oggi possono essere trovati in tutti i sette continenti e abitano ogni nicchia terrestre immaginabile. Ma secondo il record fossile, erano scarsi prima di circa 325 milioni di anni fa, superati dai loro cugini artropodi gli aracnidi (ragni, scorpioni e acari) e miriapodi (centopiedi e millepiedi).
Il più antico fossile di insetti confermato è quello di una creatura senza ali, simile a un pesce d’argento che visse circa 385 milioni di anni fa. Non è fino a circa 60 milioni di anni dopo, durante un periodo della storia della Terra noto come il Pennsylvanian, che i fossili di insetti diventano abbondanti.
“C’è stato un bel po’ di mistero su come gli insetti sono sorti per la prima volta, perché per molti milioni di anni non c’era nulla, e poi all’improvviso un’esplosione di insetti”, ha detto il primo autore dello studio Sandra Schachat, uno studente laureato alla Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).
Molte idee sono state proposte per spiegare questa curiosa lacuna nel record fossile insetto, che gli scienziati hanno soprannominato il Hexapod Gap.
Secondo un’ipotesi popolare, le dimensioni e l’abbondanza degli insetti erano limitate dalla quantità di ossigeno disponibile nell’atmosfera terrestre durante il tardo periodo Devoniano.
La prova più forte per questa teoria è un modello di ossigeno atmosferico durante gli ultimi 570 milioni di anni che il defunto geologo di Yale Robert Berner ha sviluppato confrontando i rapporti di ossigeno e carbonio in antiche rocce e fossili.
Secondo il modello di Berner, il livello di ossigeno atmosferico circa 385 milioni di anni fa durante l’inizio dell’Hexapod Gap era inferiore al 15%, così basso che gli incendi sarebbero stati insostenibili. (Per confronto, la concentrazione di ossigeno atmosferico di oggi è di circa il 21%.)
Un’altra possibilità è che gli insetti erano abbondanti prima di 323 milioni di anni fa, ma non compaiono nel record fossile perché i tipi di sedimenti terrestri in grado di conservarli non sono sopravvissuti.
Niente scuse
Nel nuovo studio, pubblicato questa settimana sulla rivista Royal Society Proceedings B, Schachat e i suoi colleghi hanno testato entrambi questi argomenti – che il basso ossigeno ha limitato gli insetti o che le rocce non erano adatte a conservare i fossili. In primo luogo, il team ha aggiornato il modello quasi decennale di Berner utilizzando record di carbonio aggiornati.
Quando hanno fatto questo, il tuffo nell’ossigeno atmosferico durante il tardo Devoniano scompare. “Ciò che questo studio mostra è che l’inibizione ambientale da basso ossigeno può essere esclusa perché non è compatibile con i dati più attuali”, ha detto il coautore dello studio e paleontologo della Terra di Stanford Jonathan Payne.
Per testare l’ipotesi delle “rocce cattive”, il team ha analizzato un database pubblico di tipi di roccia nordamericana per diversi periodi della storia della Terra e non ha trovato nulla di insolito nei sedimenti del tardo Devoniano. “Le rocce avrebbero potuto contenere fossili di insetti. Il fatto che non lo facciano indica che la scarsità di insetti durante questo periodo è reale e non solo un artefatto di sfortuna con la conservazione”, ha detto Schachat, che è anche un collega della Smithsonian Institution di Washington, DC.
Un effetto trasformativo
Non solo le due spiegazioni più popolari per l’Hexapod Gap sembrano essere infondate, gli scienziati hanno detto che uno studio del record fossile degli insetti suggerisce che lo stesso Hexapod Gap potrebbe essere un’illusione.
Come parte del nuovo studio, il team ha riesaminato il record fossile degli insetti antichi e non ha trovato prove dirette di ali prima o durante l’Hexapod Gap. Ma non appena le ali appaiono 325 milioni di anni fa, i fossili di insetti diventano molto più abbondanti e diversificati.
“Il record fossile appare proprio come ci si aspetterebbe se gli insetti fossero rari fino a quando non si sono evolute le ali, a quel punto sono aumentati molto rapidamente in diversità e abbondanza”, ha detto Payne.
Schachat ha detto che è notevole che i primi due insetti alati nel record fossile sono un insetto libellula e un insetto cavalletta-come. Questi rappresentano i due principali gruppi di insetti alati: le libellule hanno “vecchie ali”, che non possono ripiegare sul loro addome, e le cavallette hanno “nuove ali”, che sono pieghevoli.
“I primi due insetti alati nel record fossile sono circa il più diverso l’uno dall’altro come ci si potrebbe aspettare”, ha detto Schachat. “Questo suggerisce che, una volta che gli insetti alati hanno avuto origine, si sono diversificati molto, molto rapidamente. Così rapidamente che la loro diversificazione sembra, da una prospettiva geologica e dalle prove disponibili nel record fossile, essere stata istantanea.”
Nuove nicchie
Essere i primi e unici animali capaci di volare sarebbe stato estremamente potente. Il volo ha permesso agli insetti di esplorare nuove nicchie ecologiche e ha fornito nuovi mezzi di fuga. “All’improvviso, la tua abbondanza può aumentare perché puoi scappare dai tuoi predatori molto più facilmente”, ha detto Schachat. “Puoi anche mangiare le foglie che si trovano in cima a un albero senza dover risalire tutto l’albero.”
Gli insetti volanti potrebbero anche creare nicchie che prima non esistevano. “Immaginate un insetto onnivoro che vola in cima agli alberi per nutrirsi”, ha detto Schachat. “Improvvisamente, c’è una nicchia per un predatore che può volare in cima all’albero per mangiare quell’insetto”. Le ali hanno permesso agli insetti di espandere la serie di nicchie che possono essere riempite. È stato davvero rivoluzionario.”
Mentre il nuovo studio collega l’evoluzione del volo all’ascensione degli insetti, solleva nuove domande su come e perché si sono evoluti ali in primo luogo, ha detto il coautore dello studio Kevin Boyce, un professore associato di scienze geologiche a Stanford Earth. “Nel Devoniano, c’erano solo pochi insetti, tutti senza ali”, ha detto Boyce. “Ma si esce dall’altra parte e abbiamo il volo. Cosa è successo in mezzo? Bella domanda.”
Payne è anche un membro di Stanford Bio-X e un affiliato dello Stanford Woods Institute for the Environment. Il documento include anche coautori dello Smithsonian Institution, dell’Ohio State University e dell’Università dell’Iowa.
Il finanziamento dello studio è stato fornito dalla National Science Foundation.