In che modo le uova hanno assunto la loro forma?

L'evoluzione dell'uovo amniotico - completo di membrana e guscio - è stata la chiave per i vertebrati per lasciare gli oceani e colonizzare la terra e l'aria.

Ora, 360 milioni di anni dopo, le uova degli uccelli hanno tutta una serie di forme e dimensioni, dalle uova quasi perfettamente sferiche della civetta sparviero a quelle a forma di goccia del piovanello. La domanda è, come e perché si è evoluta questa diversità nella forma? La risposta a questa domanda può aiutare a spiegare come gli uccelli si sono evoluti e risolvere un vecchio mistero nella storia naturale.

Un team internazionale di scienziati condotto da dei ricercatori dell'Università di Harvard e Princeton, con colleghi nel Regno Unito, Israele e Singapore, ha adottato un approccio quantitativo a questa domanda. Utilizzando metodi e idee dalla matematica, dalla fisica e dalla biologia, hanno analizzato la forma delle uova di circa 1.400 specie di uccelli e hanno sviluppato un modello che spiega come la membrana dell'uovo determina la sua forma.

Utilizzando il quadro evolutivo, i ricercatori hanno scoperto che la forma dell'uovo è correlata con la capacità di volo, suggerendo che gli adattamenti al volo possono essere stati essenziali alla variazione della forma dell'uovo negli uccelli. La ricerca è pubblicata su Science.

"Il nostro studio ha adottato un approccio unificato per comprendere la forma dell'uovo, ponendo tre domande: come quantificare la forma dell'uovo e fornire una base per il confronto tra le forme tra le specie, quali sono i meccanismi biofisici che determinano la forma dell'uovo, e quali sono le implicazioni della forma dell'uovo in un contesto evolutivo ed ecologico", ha dichiarato l'autore principale della ricerca, L. Mahadevan, Lola England de Valpine Professor of Applied Mathematics alla John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), professore di Biologia Organizzativa e Evoluzionistica e Fisica ad Harvard.

"Abbiamo dimostrato che le forme dell'uovo variano fortemente tra le specie, e che sono determinate dalle proprietà della membrana piuttosto che dal guscio, e infine che vi è una forte correlazione che collega gli uccelli che hanno uova ellittiche e asimmetriche con una forte capacità di volo, l'ultima scoperta è stata una vera sorpresa".

Mahadevan è anche un membro della Facoltà del Wyss Institute of Bioinspired Engineering all'Università di Harvard.

I ricercatori hanno iniziato a mappare la forma - definita come asimmetria polo a polo ed ellitticità - di circa 50.000 uova, che rappresentano il 14% delle Specie in 35 Ordini, tra cui due Ordini estinti.

I ricercatori hanno scoperto che la forma dell'uovo era un continuum - con molte specie che si sovrappongono. Le forme passavano da uova quasi perfettamente sferiche a uova coniche.

Quindi, come si genera questo diverso spettro di forme?

I ricercatori sanno da tempo che le membrane dell'uovo svolgono un ruolo importante nella forma dell'uovo stesso - dopo tutto, se un guscio d'uovo viene immerso in un acido debole, come l'aceto, l'uovo effettivamente mantiene la sua forma. Ma in che modo le proprietà della membrana contribuiscono alla forma dell'uovo?

Pensate a un palloncino, dice Mahadevan. Se ha uno spessore uniforme ed è fatto di un solo materiale, diventerà sferico quando verrà gonfiato. Ma se non è uniforme, è possibile ottenere tutti i tipi di forme.

"Guidati da osservazioni che dimostrano che lo spessore della membrana varia da polo a polo, abbiamo costruito un modello matematico che considera l'uovo come un guscio elastico pressurizzato che cresce e dimostra che possiamo catturare l'intera gamma di forme di uova osservate in natura" dice Mahadevan.

Le variazioni nella forma derivano dalla variazione dello spessore della membrana, dalle proprietà del materiale e dal rapporto tra la pressione differenziale e l'elasticità della membrana.

La prossima domanda è, queste forme come sono legate al funzionamento dell'uccello?

I ricercatori hanno esaminato le correlazioni tra la forma dell'uovo e i tratti associati alla specie di uccello, inclusi il tipo e la posizione del nido, le dimensioni della covata (il numero di uova deposte), la dieta e la capacità di volo.

"Abbiamo scoperto che il volo può influenzare la forma dell'uovo", ha affermato Mary Caswell Stoddard, Assistente Professore di Ecologia e Biologia Evoluzionistica dell'Università di Princeton e ex collega Junior della Harvard Society of Fellows. "Per mantenere i corpi agili e aerodinamici per il volo, gli uccelli sembrano deporre uova più asimmetriche o ellittiche. Con queste forme di uova, gli uccelli possono massimizzare il volume dell'uovo stesso senza aumentarne la larghezza - questo è un vantaggio con ovidotti stretti".

Così un albatro e un colibrì, due uccelli molto diversi, potrebbero avere evoluto uova simili per forma, perché entrambe le specie sono volatori ad alta potenza.

"È evidente dal nostro studio che la variazione nella dimensione e nella forma delle uova degli uccelli non è semplicemente casuale ma è invece correlata a differenze nell'ecologia, tra cui la quantità di calcio nella dieta e in particolare la misura in cui ogni specie è progettata per volare in modo potente" dice il coautore Dr. Joseph Tobias dell'Imperial College, Regno Unito.

In futuro, i ricercatori sperano di osservare i processi di deposizione in tempo reale, di confrontarli e di perfezionare il loro modello.

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