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Conceptual Papers

Sequenze di geni capaci di dirigere un processo di auto-assemblaggio – quello che accade, concretamente, in embriologia!

Rinaldo Octavio Vargas, sociologo,  Eugenia D’Alterio, biologa, Sara Palma, studentessa di biologia

■■ È IL DNA UN PROGETTO PER COSTRUIRE UN CORPO?

Un argomento ormai aneddotico nel mettere in dubbio l’evoluzionismo è quello di contestare la proposizione che da una singola cellula si possa sviluppare un organismo umano complesso con trilioni di cellule che compongono ossa, muscoli e nervi, un cuore che pompa senza sosta per decen­ni, chilometri e chilometri di vasi sanguigni e tubu­li renali e un cervello capace di memorizzare, pen­sare e agire. Haldane,[1] come racconta Dawkins,[2] ha dato a questa contestazione una tagliente ri­sposta: e ci vogliono soltanto 9 mesi perché ciò accada! Questa notizia curiosa ci rimanda ad una nozione comune: quella di pensare che l’embrio­logia “crea”. Ma, quale immagine emergerebbe, se sottoponiamo questa inveterata nozione comune ad una “decostruzione” che ci schiuda nostri pre­giudizi circa ciò che accade in embriologia alla luce della conoscenza odierna?

Partiamo dall’inizio dell’embriologia. Esso è se­gnato dal contrasto tra due dottrine opposte: il preformismo e l’epigenesi. Rivisitate oggi, ci strappano qualche sorriso. I preformisti ‘ovisti’ erano convinti che l’ovulo contenesse un bam­bino in miniatura. Lo stesso succedeva con gli ‘spermisti’ convinti che fosse lo spermatozoo a contenerlo. Secondo questa concezione, nell’ovu­lo o nello sperma erano contenute tutte le parti del bambino al loro posto, disposte correttamen­te le une rispetto alle altre e aspettavano solo di crescere. Tale pensiero pone, oggi, ovvi problemi. Esso assumeva qualcosa che oggi tutti sappiamo essere falso, ossia che ereditavamo il bambino in miniatura solo da uno dei genitori, dalla madre per gli ovisti, dal padre per gli spermisti. Una si­mile tesi costringeva i preformisti iniziali ad una regressione lunga fino a riportarci ad Eva (o ad Adamo per gli spermisti). L’unico modo di sfuggire alla regressione sarebbe stato ‘costruire’ il bam­bino miniatura di nuovo ad ogni generazione pro­cedendo alla scansione dell’organismo dell’adulto della generazione precedente. Questa “ereditarie­tà” dei caratteri acquisiti”, però, non si verifica, altrimenti i culturisti concepirebbero bambini con addominali, pettorali e glutei scolpiti.

I preformisti cercarono di determinare le conse­guenze logiche della regressione. Almeno alcuni di loro immaginavano, davvero, che la prima donna (o il primo uomo) contenesse embrioni miniatu­rizzati di tutti i propri discendenti, annidati gli uni dentro gli altri. E dovevano crederci almeno in un senso, un senso cui vale la pena accennare, per­ché anticipa il perno di questa argomentazione. Infatti, se si crede che Adamo sia stato “creato” senza nascere da un utero, si presume che Adamo non avesse geni o almeno non ne avesse bisogno per svilupparsi. Egli non aveva embriologia ma co­minciò ad esistere così, d’emblée. Il fatto, però, che Adamo non fosse passato per un utero pone problemi seri all’embriologia d’oggi.

L’alternativa storica al preformismo, cioè l’epige­nesi, si incentra, però, sull’idea del progetto. I manuali di biologia d’oggi, tuttavia, non fanno che ripetere che il DNA[3] non è un progetto per co­struire un corpo. E, logicamente, non lo è. Un progetto, per esempio, di un aereo o di un hotel comporta una corrispondenza biunivoca tra il di­segno del progettista sullo schermo (o, ieri, sul­la carta) e il prodotto finito. Ne consegue, come afferma Dawkins,[4] che è reversibile, potendo ri­tornare, seguendo l’esempio, anche dall’aereo al progetto. Nel caso dell’organismo animale, per quante misure dettagliate si prendano non se ne può ricostruire, se non risalire, al DNA. Perciò vie­ne affermato che il DNA non è un progetto. Di­versamente da Adamo, che fu forgiato (secondo il creazionismo) direttamente nella forma adul­ta, tutti gli organismi umani si sviluppano a partire da un’unica cellula, attraverso stadi in­termedi dell’embrione, del feto, del neonato, del bambino e dell’adolescente.

Secondo la teoria dell’epigenesi un organismo si sviluppa per progressiva differenziazione da un insieme inizialmente indifferenziato. Ed è proprio in questa nozione di sviluppo “progressivo” dove si nasconde il punto debole dell’argomentazione. Se accettiamo questa nozione, come fa, infatti, l’or­ganismo a svilupparsi progressivamente? Come “fa”, un insieme inizialmente indifferenziato, a dif­ferenziarsi in maniera progressiva se non seguen­do un progetto? Il suggerimento di Dawkins[5] per cercare di argomentare che il DNA non è un progetto è quello di utilizzare la distinzione tra progetto architettonico e auto-assemblaggio.

■■ AUTO-ASSEMBLAGGIO E ASSENZA DI PIA­NO GENERALE: DISTINZIONE TRA EMBRIO­LOGIA E PROGETTO

L’idea del progetto architettonico è relativamente chiara perché vedendo i palazzi ed altre strutture intorno a noi, diamo per scontato che siano stati ideati, voluti, pianificati ed eseguiti, in tal modo, da qualcuno. L’auto-assemblaggio, invece, è un’i­dea che richiede spiegazioni. Nel campo dello sviluppo, l’auto-assemblaggio occupa una po­sizione analoga a quella che occupa la selezione naturale nell’evoluzione, anche se non sono la stessa cosa. Entrambi i processi ottengono, con mezzi automatici, non volontari e non stu­diati, risultati che, di primo impatto, parrebbe­ro minuziosamente programmati.

Che una singola cellula dia origine al corpo umano in tutta la sua complessità è un’asserzio­ne che va ragionata, in parte, facendo riferimento alle “istruzioni genetiche”. E ancora rimane dif­ficile immaginare istruzioni scritte per comporre un corpo nel modo in cui il corpo viene di fatto composto, ossia attraverso un processo di “auto-assemblaggio”, analogo al modello informatico bottom-up e opposto al modello top-down.

Un esempio, però, può aiutare a rendere la di­stinzione tra embriologia e progetto. Un ar­chitetto progetta un grattacielo, cioè l’immagina nel suo concetto e predispone, anticipatamente, quanto necessario alla sua realizzazione. Attra­verso una catena gerarchica di comando la co­struzione viene organizzata in varie sezioni, che a loro volta comprendono ulteriori sottosistemi finché gli ordini sono trasmessi ai singoli murato­ri, carpentieri, idraulici, elettricisti e via dicendo, i quali lavorano finché il grattacielo viene completa­to somigliante al disegno originale dell’architetto. Questa è la procedura top-down, dall’alto al bas­so. La procedura bottom-up, dal basso ver­so l’alto senza seguire un progetto generale, quella dell’embriologia, funziona in maniera completamente diversa. Ed è questo che acca­de nella costruzione di un termitaio, un formica­io o nello sviluppo dell’embrione. È questo a rendere l’embriologia diversa da quanto è stato realizzato nel campo umano della costruzione di edifici e manufatti per cui le metafore riguardo costruzioni e manufatti non sono applicabili all’embriologia.

Il concetto chiave è che, come nel volo degli stor­mi, non ci sono né coreografi né capi. Ordine, organizzazione, struttura emergono come effetti collaterali di regole a cui si obbedi­sce molte volte localmente, non globalmente. È così che funziona l’embriologia.[6] Si proce­de in base a regole locali, a vari livelli ma in particolare al livello della singola cellula. Dunque, questo elimina l’idea che dietro l’embriolo­gia vi sia un coreografo, un architetto, un de­signer, un’intelligenza che ha già concepito ogni stadio del processo. Nel campo dello sviluppo o della manifattura, l’equivalente di questo tipo di programmazione è l’auto-assemblaggio.

I corpi di un essere umano, di un’aquila, di un delfino, una rana leopardo ci sembrano così ma­gnificamente assemblati che viene quasi auto­matico credere che i geni responsabili del loro sviluppo funzionino in base ad un progetto, un disegno, un piano generale. Ma così non è: tut­to viene fatto da singole cellule che obbedi­scono a regole locali. Il mirabile corpo emerge come conseguenza di regole cui obbediscono, localmente, singole cellule, senza alcun rife­rimento a qualcosa che si possa definire un piano globale complessivo. Le cellule dell’em­brione in via di sviluppo volteggiano le une intor­no alle altre come stormi di storni. Vi sono dif­ferenze importanti, tuttavia. Diversamente dagli storni, le cellule sono fisicamente unite in foglietti e blocchi, e i loro “stormi” sono chiamati “tessuti”. Esse volteggiano come uccelli in miniatura, con la conseguenza che, a mano a mano che i tessu­ti si invaginano (ossia si ripiegano in dentro) in risposta ai movimenti delle cellule, o si dilatano o riducono, in base agli schemi locali di crescita o morte cellulare, si formano figure tridimensio­nali. I raffronti con i processi di manifattura umani sono decisamente inadeguati per fare analogie riguardo l’embriologia.[7]

■■ “ANALOGIE” DELL’EMBRIOLOGIA CON L’IDEA DELLO SVILUPPO A PROGETTO

È difficile trovare analogie adeguate con lo svilup­po del tessuto vivente, ma se ne trovano alcune, parziali, su particolari aspetti del processo. L’ana­logia della ricetta, ad esempio, è più indicata per rendere un’idea di ciò che accade all’embriologia, in quanto la ricetta, diversamente dal progetto, è irreversibile. Se si segue passo dopo passo una ricetta di un dolce, suggerisce Dawkins,[8] si finisce per avere un dolce, ma gli ingredienti non possono essere recuperati per ricostruire la ricetta.

Altre similitudini con l’arte umana di fabbricare cose potrebbero elencarsi per chiarire la speci­ficità dei processi in embriologia. Nella scultura vi è una rassomiglianza con un particolare pro­cesso embriologico, l’apoptosi, cioè la morte cellulare programmata che entra in azione, ad esempio, nello sviluppo delle dita delle mani e dei piedi. Nell’embrione umano, le dita delle mani e dei piedi sono tutte unite. Infatti, nell’utero, tutti noi, avevamo mani e piedi palmati. Le mem­brane sono scomparse grazie alla morte cellulare programmata. Questo fenomeno ricorda il modo di procedere dello scultore quando elimina mate­ria finché quello che resta è la forma desiderata. Forse il lavoro a maglia costituisce anche esso un’analogia valida, in quanto l’intera forma della maglia viene costruita a partire da molti singoli punti, un po’ come accade con le singole cellule nello sviluppo.

L’assemblaggio di un’auto o di complicati mac­chinari nella catena di montaggio di un’industria può fornire un’analogia più idonea. Come l’elimi­nazione di materia con lo scalpello e la confezione a maglia, il montaggio di parti prefabbricate è un modo efficiente di produrre cose. In un’industria automobilistica, i componenti sono prefabbricati, spesso mediante stampi predisposti per la gettata in fonderia. Poi i componenti prefabbricati sono sistemati su una catena di montaggio e avvitati, saldati e incollati insieme secondo un piano pre­stabilito. L’embriologia, però, non ha niente a che vedere con il piano prestabilito,[9] ma vi sono somiglianze nel processo di ordinato assem­blaggio di componenti prefabbricati.

Anche i virus costituiscono analogie per chiarire cosa accade in embriologia. Se si osservano certi virus, come ad esempio, il virus del mosaico del tabacco, l’adenovirus e il batteriofago, ciò che si nota in gran parte è il contenitore proteico del materiale genico e, nel caso del batteriofago, l’ap­parato proteico per infestare l’ospite. Questi mo­delli rendono l’idea dell’auto-assemblaggio. Ogni virus viene “montato” a partire da diverse mole­cole proteiche. Ciascuna di queste molecole si è precedentemente auto-assemblata in una ca­ratteristica “struttura terziaria” seguendo le leggi della chimica che valgono per la sua particolare sequenza di aminoacidi. Poi, nel virus, le moleco­le proteiche si uniscono a formare la cosiddetta “struttura quaternaria”, sempre attenendosi alle regole locali. Come Dawkins insiste, non c’è piano globale, non c’è progetto.[10]

Le sub-unità proteiche, che si legano come mat­toncini di Lego a formare la struttura quaternaria, si chiamano capsomeri. Queste ‘piccole costruzio­ni’ esibiscono una perfetta geometria. L’adenovi­rus ha esattamente 252 capsomeri, disegnati nel modello dell’adenovirus come palline disposte in un icosaedro. L’icosaedro è un solido perfetto con venti facce triangolari. I capsomeri sono disposti in un icosaedro non perché seguano un piano o un progetto generale, ma perché semplicemente obbediscono tutti alle leggi locali dell’attrazio­ne chimica quando si imbattono nei loro simili. È così che si formano i cristalli e, in effetti, l’ade­novirus si potrebbe definire un minuscolo cristallo cavo. La “cristallizzazione” dei virus è un esempio di quell’”auto-assemblaggio” a cui ci si riferisce definendolo uno dei maggiori principi in base ai quali si formano le creature viventi.

Un’altra analogia utile a rendere chiaro ciò che accade in embriologia è quella dell’origami. Nell’”embriologia dell’origami” pieghiamo la carta, ma non seguiamo affatto un progetto di costruzio­ne né dei suoi stati intermedi. Seguiamo una serie di regole di piegatura che non paiono avere alcun nesso con il prodotto finale, affinché emerga la forma ricercata. L’analogia con l’origami consente, in parte, di cogliere l’importanza delle “regole locali” rispetto al piano generale. È efficace an­che perché il ripiegamento, l’invaginazione e l’estroflessione sono alcuni dei “trucchi” prefe­riti dai tessuti embrionali durante lo sviluppo di un organismo. L’origami si presta particolarmente a illustrare i primi stadi embrionali, ma ha i suoi difetti, di cui due evidenti. In primo luogo, occor­rono mani umane per piegare la carta. In secondo luogo, l’”embrione” di carta in via di sviluppo non diventa più grande: quando arriva allo stadio fina­le, ha lo stesso peso iniziale.

I due difetti però si neutralizzano a vicenda. I fo­glietti di tessuto, che si piegano, invaginano ed estroflettono nell’embrione, al tempo stesso cre­scono, ed è proprio la crescita a fornire parte della forza motrice che nell’origami è data dalla mano umana. Se si volesse fare un origami con un fo­glietto di tessuto vivente, anziché con carta inani­mata, vi sarebbero buone probabilità che il fogliet­to, crescendo nel modo giusto, cioè in maniera non uniforme, ma più velocemente in alcune parti, pos­sa assumere, automaticamente, una certa forma e perfino possa piegarsi, invaginarsi ed estroflettersi in un particolare modo, senza bisogno di mani a tirarlo e piegarlo e senza seguire piani generali, ma solo regole locali. Anzi le probabilità sarebbero più che buone, perché questo accada davvero. Ciò è quel che accade nell’”auto-origami embriologi­co”. Come fa in pratica a funzionare l’auto-origami embriologico? Funziona perché quando nell’em­brione reale cresce un foglietto di tessuto le cellule si dividono. La crescita differenziale delle differenti parti del foglietto di tessuto si verifica perché, in ciascuna parte, le cellule si dividono a un ritmo stabilito da regole locali. Così, con un giro a sorpresa tortuoso, questa espo­sizione, seguendo la traccia di Dawkins,[11] torna alla questione fondamentale delle regole locali bottom-up rispetto alle regole globali top-down. In sostanza, ai primi stadi dello sviluppo em­brionale opera un’intera serie di versioni molto più complesse di questo semplice principio.

■■ I PRIMI STADI DELLO SVILUPPO DEI VER­TEBRATI

Ecco come funziona l’origami embrionale ai primi stadi dello sviluppo dei vertebrati: la singo­la cellula uovo fecondata (o embrione) attua un processo di segmentazione (che può avvenire in maniera radiale o spirale), si divide in due cellule, queste si dividono in quattro e così via, sicché in poco tempo il numero di cellule raddoppia, si qua­druplica ecc. Dopo un certo numero di divisioni cellulari, l’embrione si presenta come un aggrega­to di cellule tondeggianti che presentano l’aspetto di una morula. All’interno di questa morula si crea una cavità (o invaginazione) detta blastocele da cui ha origine il nome dell’embrione, ovvero bla­stula. Lo stadio successivo è la gastrulazione.

La gastrulazione è una sorta di “terremoto mi­crocosmico”,[12] che sconvolge la superficie della blastula e ne rivoluziona l’intera forma. I tessu­ti embrionali si riorganizzano completamente. In genere, il processo consiste in una invaginazio­ne della blastula, la quale diventa una struttura a due estratti con una cavità e un’apertura verso il mondo esterno mediante il blastoporo. L’embrio­ne così acquista la forma di un sacco che pren­de il nome di gastrula.[13] Lo strato esterno della gastrula è chiamato ectoderma, lo strato interno endoderma, mentre le cellule migrate nello spazio tra i due vanno a formare il mesoderma. Ciascuno di questi tre strati è destinato a fabbricare parti importanti dell’organismo. Per esempio, la cute e il sistema nervoso provengono dall’ectoderma, l’intestino e altri organi interni dall’endoderma, i muscoli e le ossa dal mesoderma.

Lo stadio successivo dell’origami embrionale si chiama neurulazione. Nella neurulazione, come nella gastrulazione, l’invaginazione è molto eviden­te. Infatti, il sistema nervoso trae origine da una sezione dell’ectoderma che si invagina (arretrando a poco a poco lungo il corpo, come una cerniera lampo), poi si arrotola a tubo e viene chiusa ai lati dalla “lampo”, sicché finisce per correre lungo tut­to l’embrione tra lo strato esterno e la notocorda. Quel tubo è destinato a diventare il midollo spina­le, il principale tronco nervoso del corpo. La sua estremità anteriore ‘si gonfia’ fino a trasformarsi in cervello, tutti gli altri nervi derivano, per successi­ve divisioni cellulari, da questo tubo primordiale.

La gastrulazione e la neurulazione che avvengo­no all’inizio dello sviluppo embrionale, influenza­no l’intera forma dell’embrione. L’invaginazione e altre manovre da “origami inflativo” agiscono in questi stadi iniziali dell’embriologia e, assieme ad altri meccanismi analoghi, partecipano a fasi suc­cessive dello sviluppo, quando si formano organi specializzati come gli occhi e il cuore. Ma visto che nessuna mano ripiega i fogli, per quale processo meccanico si ottengono questi movimenti dina­mici? In parte, come già detto, ciò avviene per semplice espansione.[14] Le cellule si moltiplicano in tutto il foglietto di tessuto, la cui area, quindi, aumenta e, non avendo altro luogo dove andare, può solo scegliere di deformarsi o invaginarsi. Il processo però è più controllato ed è stato decifra­to da un gruppo di scienziati associati al biologo e matematico George Oster. Il processo è quello del modellamento delle cellule come storni.

I modelli di Oster[15] relativi a singole cellule hanno documentato, a livello sperimentale in laboratorio, la gastrulazione della blastula e l’invaginazione del­la cellula sollecitata mediante la manipolazione dei filamenti contrattili fino alla formazione di ciò che potrebbe essere un “tubo neurale”. Pur se questi modelli non siano precisi al 100% in ogni detta­glio, consentono di documentare quanto sia facile simulare vari aspetti del comportamento cellulare allo stadio iniziale dello sviluppo dell’embrione. Gli esperimenti di Oster documentano il tipo ge­nerale di principio alla base dell’interazione tra cellule, ovvero le cellule fabbricano un or­ganismo in assenza di piani generali di rap­presentazione dell’organismo. Le introflessioni e le estroflessioni in “stile origami” dei modelli di Oster sono solo alcuni degli artifici più semplici per sviluppare embrioni.

Altri accorgimenti più elaborati entrano in gio­co a uno stadio più avanzato dello sviluppo em­brionale. Esperimenti condotti da Roger Sperry[16] hanno documentato per esempio che, quando si formano dal midollo spinale o dal cervello, i neu­roni raggiungono l’organo bersaglio non seguendo un piano generale, bensì per attrazione chimi­ca. Secondo i modelli di Sperry, nel normale svi­luppo embrionale accade che, appena si originano dal midollo spinale, alcuni assoni (lunghi “fili” che rappresentano la sottile estensione tubolare di ogni neurone) “fiutano l’aria” come l’animale maschio alla ricerca della femmina in calore. Questi esperi­menti indussero Sperry a formulare la sua ipotesi della “CHEMIO AFFINITÀ”[17] secondo la quale il sistema nervoso si fissa non in base a un piano ge­nerale, ma in base al fatto che ogni singolo assone cerca gli organi bersaglio con cui ha una particolare affinità. Seguendo il ragionamento di Dawkins[18] in materia, ancora una volta, abbiamo piccole uni­tà locali che seguono regole locali. Le cellule, in genere, pullulano di “etichette”, targhe chimiche che permettono loro di trovare i “partner” giusti.

Tornando con Dawkins alla sua analogia dell’ori­gami, troviamo un altro processo in cui il princi­pio dell’etichettatura torna utile. L’origami di car­ta fatto dall’uomo non usa la colla, ma potrebbe. E l’origami dell’embrione, con il quale l’organismo animale si auto-assembla in effetti usa qualcosa di equivalente alla colla o meglio alle colle, perché ve ne sono molte, ed è proprio qui che l’etichettatu­ra dà trionfale prova della sua efficacia. Le cellule hanno sulla propria superficie un complesso repertorio di “molecole di adesione” per mez­zo delle quali si attaccano ad altre cellule. L’A­DESIONE CELLULARE[19] svolge un ruolo importan­te nello sviluppo embrionale di tutte le parti del corpo. Le molecole di adesione cellulare sono assai più ingegnose di una colla, anzi, si potrebbe dire più precise. Diversamente dalle nostre colle ar­tificiali, che si attaccano alla maggior parte delle su­perfici, si legano solo ad altre molecole dello stesso identico tipo. Si noti ancora una volta che questi processi implicano non un piano generale, ma solo un insieme frammentario di regole locali.

■■ L’AUTO-ASSEMBLAGGIO E REGOLE LOCALI

Dopo aver considerato che interi foglietti di cel­lule fanno il gioco dell’origami nel plasma­re l’embrione, consideriamo, adesso, la cellula dove vediamo all’opera lo stesso principio di auto-avvolgimento e auto-ripiegamento, solo su scala molto più piccola, la scala della singo­la MOLECOLA PROTEICA. Le proteine sono di vitale importanza. La vita, infatti, ovunque sia, risulterà essersi evoluta attraverso un processo connesso con la selezione naturale dei geni. E, ovunque sia, la vita farà cospicuo affidamento sul­le proteine e su molecole che, come le proteine, siano capaci di piegarsi assumendo un’enor­me varietà di forme.[20] Le molecole proteiche sono delle virtuose dell’arte auto-origamica, su una scala assai più piccola di quella dei foglietti di cellule a cui ci siamo riferiti finora. Esse sono otti­mi esempi di quello che si può ottenere quando si obbedisce a regole su scala locale.

Le PROTEINE sono catene di molecole più piccole, gli AMMINOACIDI, che, come i foglietti di cellule, si avvolgono in modi altamente determinati, benché su scala assai più piccola. In generale il codice gene­tico specifica 20 amminoacidi standard; le proteine sono così composte da questo repertorio amminoa­cidico. Le molecole proteiche, limitandosi a se­guire le leggi della chimica e la termodinamica, assumono spontaneamente e automaticamen­te precise configurazioni tridimensionali. Qua­lunque sequenza data di amminoacidi detta un particolare schema di avvolgimenti che deter­minerà la funzione della proteina. La sequenza amminoacidica, che è a sua volta determinata dalla sequenza di lettere del codice genetico, determina la forma di una “struttura terziaria”[21] che ha importantissime conseguenze chimiche nel processo di auto-assemblaggio.

L’auto-origami o auto-assemblaggio con cui le catene proteiche si ripiegano e avvolgono è governato dalle leggi dell’attrazione chimica e dalle leggi che determinano l’angolo secondo il quale gli atomi si legano l’uno con l’altro. In quale esatto modo le leggi della chimica determi­nano la struttura terziaria di una proteina non si sa ancora bene.[22] Tuttavia vi sono prove che la struttu­ra terziaria (che rappresenta l’ulteriore ripiegamen­to spaziale della catena polipeptidica secondaria) sia deducibile dalla sequenza di amminoacidi. È un fatto documentato che una particolare sequenza di amminoacidi si avvolga sempre in una forma par­ticolare o in una delle forme di una serie discreta di forme alternative. Inoltre, e questo è un concet­to particolarmente importante per l’evoluzione, la sequenza amminoacidica è a sua volta total­mente determinata, attraverso l’applicazione delle regole del codice genetico, dalla sequen­za di “lettere” di un gene (le triplette). Anche se non è facile per i chimici prevedere come una par­ticolare mutazione genetica cambierà la forma di una proteina, resta il fatto che, una volta avvenuta la mutazione, il conseguente mutamento di forma sarà in linea di principio prevedibile. Molto proba­bilmente lo stesso gene mutante produrrà la stessa forma proteica alterata (o una serie discreta di for­me alternative). Solo questo importa alla selezione naturale.[23] La selezione naturale non ha bisogno di capire perché un cambiamento genetico ha una determinata conseguenza. Basta che ce l’abbia. Se questa conseguenza influisce sulla sopravvivenza, il gene mutato vincerà o perderà nella competizione per dominare il pool genico, sia che noi capiamo sia che noi non capiamo l’esatto percorso attraverso il quale influisce sulla proteina.

Una volta accertato che la forma della proteina è immensamente versatile (dalla struttura primaria alla quaternaria, la più complessa, data dall’unione di più catene polipeptidiche) e che è determinata dai geni, ci si potrà chiedere come mai abbia tan­ta importanza. L’importanza è dovuta al fatto che le proteine hanno ruoli diversi nell’organismo. Ad esempio, le proteine fibrose (tra gli amminoacidi della struttura primaria si instaurano legami idro­geno che ne provocano la torsione, struttura secon­daria), come ad esempio il collagene, si uniscono in corde molto resistenti che chiamiamo legamenti e tendini. Ma le proteine non sono solo fibrose e assu­mono, avvolgendosi in ulteriori ripiegamenti spa­ziali della catena polipeptidica (struttura terziaria), la caratteristica forma globulare, come ad esem­pio l’emoglobina. Infine, il livello di organizzazione superiore è nella struttura quaternaria, data dall’u­nione di più catene polipeptidiche dette sub-unità, che consente a queste proteine di svolgere attivi­tà biologiche complesse, quali quelle enzimatiche. L’ENZIMA proteico ha un ruolo di CATALIZZATORE. Il catalizzatore è quindi una proteina che accelera di un miliardo o addirittura un trilione di volte la reazione chimica tra altre molecole specifiche. Il ca­talizzatore emerge dal processo immutato e pronto a catalizzare di nuovo una specifica nuova reazione. Infatti, gli enzimi sono campioni di catalisi per via della loro specificità.

La cellula vivente è come un laboratorio chimi­co con il suo magazzino di sostanze chimiche. Que­ste, però, invece di essere tenute in vasi e flaconi come in un laboratorio, sono tenute assemblate insieme. Le molecole però non reagiscono insieme in tutte le combinazioni possibili. Esse reagiscono soltanto se vi è presente l’enzima giusto.[24] Le cellule contengono un’infrastruttura di membrane tra le quali e all’interno delle quali continuano ad avvenire reazioni chimiche, ma solo un enzima è adatto a catalizzare la reazione specifica. Quando si avvolge come una collana magnetica, l’enzima assume una forma precisa, con numerose cavità e rientranze ciascuna delle quali ha forma pre­cisa. Ogni enzima ha un cosiddetto “sito attivo”, che di solito è una particolare fessura o tasca, le cui proprietà chimiche gli conferiscono la sua specificità. In ogni modo, come accade quando ci si trova davanti all’enigma di come abbiano avuto origine, nell’ambito dell’evoluzione, fenomeni assai complessi, come quello dell’enzima giusto, è errato assumere che la “perfezione” finale che vediamo oggi ci sia sempre stata.

■■ GENI ED AUTO-ASSEMBLAGGIO LOCALE EMBRIONALE

Ecco dunque, nei termini di Dawkins,[25] cosa ac­cade in embriologia. Una cellula è come una fabbrica chimica capace di sfornare massicce quantità delle sostanze più disparate, la scelta delle quali dipende dall’enzima presente e tale scelta si compie attraverso il gene che viene at­tivato. Come la cellula è una vasca piena di varie sostanze chimiche, di cui solo poche reagiscono tra loro, così ogni nucleo cellulare contiene l’intero genoma, ma con un numero ristretto di geni attivati. Quando, per esempio, si attiva un gene di una cellula, la sua sequenza di lette­re in codice determina, direttamente, la sequenza di amminoacidi di una proteina, e la sequenza di amminoacidi determina la forma in cui la proteina si avvolge e, a sua volta, la forma in cui la pro­teina si avvolge determina il cosiddetto “sito atti­vo” o fessura con le proprietà chimiche specifiche dell’enzima proteico che catalizzerà la reazione chimica tra molecole specifiche e solo quelle.[26]

Ogni cellula, con poche eccezioni come i globuli rossi che non hanno nucleo, contiene i geni per svi­luppare tutti gli enzimi. Ma in qualsiasi cellula solo alcuni geni vengono attivati in qualsiasi momento dato (dopo il differenziamento). Nelle cellule della tiroide, per esempio, si attivano i geni per gli enzi­mi che catalizzano la produzione dell’ormone tiroi­deo. Alla fine, le reazioni chimiche intracellulari determinano la forma e il comportamento della cel­lula e il modo in cui essa partecipa alle interazio­ni “origamiche” con le altre cellule. Così l’intero corso dello sviluppo embrionale è controllato, attraverso una complessa sequenza di eventi, dai geni. Sono i geni che determinano le se­quenze amminoacidiche, le quali determinano le strutture delle proteine, le quali determinano la chimica cellulare, la quale determina il comporta­mento “da storno” della cellula nello sviluppo em­brionale. Le differenze nei geni possono, quindi, all’origine della complessa catena di eventi, causa­re differenze nel modo in cui si sviluppano gli em­brioni, e di conseguenza differenze nella forma e nel comportamento degli adulti. La sopravvivenza e il successo riproduttivo di questi adulti influiscono poi sulla sopravvivenza nel pool genico dei geni che fanno la differenza tra successo e fallimento. Que­sta è la selezione naturale.

L’embriologia è complicata ma l’aspetto su cui si vuole insistere è che in EMBRIOLOGIA ci si tro­va costantemente davanti a PROCESSI DI AU­TO-ASSEMBLAGGIO LOCALI. Comunque, per rendere un’idea comprensiva di ciò che accade in embriologia, dobbiamo esplorare il processo di at­tivazione dei geni. Infatti, visto che (quasi) tutte le cellule contengono tutti i geni, in che modo si decide quali geni vengono attivati in ogni particolare tipo di cellula?

■■ IN CHE MODO SI DECIDE QUALI GENI VEN­GONO ATTIVATI IN OGNI PARTICOLARE TIPO DI CELLULA?

Se un dato gene sia attivato o no in una data cellula in un momento dato è determinato dall’ambiente chimico cellulare, spesso at­traverso una cascata di altri geni chiamati geni interruttori o geni regolatori. Le cellule della ti­roide sono assai diverse dalle cellule muscolari e così via, anche se i loro geni sono gli stes­si. Questo non stupisce nessuno se lo sviluppo dell’embrione è in corso e i vari tipi di tessuto, come quelli tiroidei e muscolari, esistono già, ma ogni embrione inizia come una singola cellula. Le cellule tiroidee e muscolari, le cellule epatiche e ossee, le cellule pancreatiche e cutanee derivano tutte da un’unica cellula uovo fecondata, attra­verso un albero filogenetico ramificato. È un al­bero filogenetico cellulare che risale al momento del concepimento e non ha nulla a che vedere con l’albero evolutivo, le cui radici risalgono a milioni di anni fa. In questa storia cellulare dello sviluppo embrionale i tipi di cellula cambiano di forma e carattere mano a mano che si allontanano gli uni dagli altri nell’albero filogenetico embrionale.

Gli studi di S. Brenner sul nematode Caenorhabdi­tis elegans, hanno portato a conoscere il suo intero genoma e sappiamo esattamente dove si trova nel suo corpo ognuna delle 558 cellule (nella larva) e così l’esatta storia familiare di ognuna di esse nel corso dello sviluppo embrionale. Così è stato possibile dare un singolo nome specifico ad ogni cellula del nematode, cellule che risultano essere cugine tra loro (di primo, secondo o terzo grado) a causa della comune ascendenza. Certo, ciò è sta­to reso possibile nel nematode poiché il numero di generazioni cellulari (10) che separa i tessuti dalla cellula uovo non è così grande. Il numero di generazioni cellulari per le cellule umane è di gran lunga molto più grande. L’esperienza sul nemato­de ha mostrato come i tipi di cellula cambiano di forma e carattere man mano che si allontanano gli uni dagli altri nell’albero filogenetico embrionale.

Sebbene il numero di generazioni cellulari delle cel­lule umane che separano la cellula uovo originaria sia immensamente grande, in linea di principio si po­trebbe elaborare un albero filogenetico per ciascuna cellula del trilione (circa) di cellule che permettesse di risalire ogni volta alla cellula uovo fecondata.

Nel nematode, al punto di biforcazione tra un clo­ne che è destinato, diciamo, a diventare cellula della faringe e un “cugino” clone che è destinato a diventare cellula del ganglio dell’anello nervoso, deve esserci qualcosa che permette di distinguerli, altrimenti come si attiverebbero via via geni diver­si? La risposta è che,[27] quando l’antenato comune più recente dei due cloni si divise, le due metà della cellula prima della divisione erano differen­ti. Così quando la cellula si divise, le due figlie, benché identiche nei geni (ciascuna cellula figlia riceve una serie completa di geni) non avevano intorno le stesse “sostanze” chimiche. Ciò significa che non vennero attivati gli stessi geni, e questo cambiò il destino delle cellule discendenti. Lo stes­so principio vale per tutta l’embriologia, compreso il suo inizio. In tutti gli animali, la chiave della differenziazione è la divisione cellulare asim­metrica.

Nel nematode, ciascuna delle dieci divisioni cellulari che hanno dato vita ad una cellula nervosa come ad ogni altra cellula è stata una divisione asimme­trica, in conseguenza della quale potevano attivarsi geni diversi in ciascuna delle cellule figlie. In tutti gli animali, questo è il principio in base al quale si dif­ferenziano i tessuti, anche se le cellule contengono gli stessi geni.

■■ CONCLUSIONE

In conclusione, non esiste un piano generale di sviluppo, non c’è nessun progetto, nessun pia­no architettonico. Lo sviluppo dell’embrione, e in ultima analisi dell’adulto, si realizza grazie a re­gole locali attuate dalle cellule, le quali interagi­scono con altre cellule su base locale. Analogamente, quanto avviene dentro le cellule è governato da re­gole locali che si applicano alle molecole, soprattutto alle molecole proteiche all’interno delle cellule e delle membrane cellulari, interagenti con altre molecole affini. Anche in questo caso le regole sono locali.

Questo modo di generare strutture ampie e complesse tramite l’esclusiva applicazione di regole locali si differenzia nettamente dal modo di produrre cose in base a un progetto generale. Se il DNA fosse un programma lineariz­zato, sarebbe un’operazione relativamente banale programmare un computer a leggere le lettere e disegnare l’animale. Ma non sarebbe affatto facile, anzi sarebbe praticamente impossibile, che l’ani­male si fosse evoluto.

Considerando che i geni controllano il processo di sviluppo embrionale e che la selezione naturale non costruisce piccole mani, ma l’embriologia sì, in che modo la selezione naturale plasma il corpo e il comportamento degli animali? In altre parole, come agisce sugli embrioni manipolandoli in ma­niera di farli diventare sempre più abili nel fabbri­care organismi di successo dotati di mani, pinne, foglie, carapaci, pungiglioni, tentacoli o qualunque cosa occorra loro per sopravvivere?

La selezione naturale è la sopravvivenza dif­ferenziale dei geni di successo anziché di geni alternativi di minor successo nei pool genici. Essa non sceglie i geni direttamente. Sceglie invece i loro delegati, i singoli organismi, e questi corpi sono scelti, naturalmente, in maniera automatica e senza atto deliberativo, in base al fatto che sopravvivano per riprodurre copie di quegli stessi geni. La sopravvivenza di un gene è intima­mente connessa alla sopravvivenza degli or­ganismi che esso contribuisce a fabbricare, perché il gene viaggia al loro interno e muore con loro. È lecito prevedere che copie di qualsiasi gene dato viaggino all’interno di un gran numero di corpi, sia simultaneamente in una popolazione di contemporanei, sia consecutivamente a mano a mano che le generazioni si susseguono. Sotto il profilo statistico, quindi, un gene che tende, in me­dia, ad avere un buon effetto sulle prospettive di sopravvivenza degli organismi in cui viene a tro­varsi, tenderà ad aumentare di frequenza nel pool genico. Così, in media, i geni che incontriamo in un pool genico sono quelli più abili nel costruire corpi.

Le pressioni selettive che favoriscono o meno un gene sono molto complesse. Possono riguardare la selezione sessuale, magari dovuta alla preferenza estetica di partner sessuali. Un’elaborata combina­zione di pressioni selettive, che vengono a con­flitto o a compromesso le une con le altre in un quadro sconcertante di complessità, ha un’influen­za sul successo statistico di quel particolare gene man mano che esso si propaga nel pool genico, ma il gene non sa nulla di tutto questo! All’inter­no di corpi diversi e nel corso di generazioni successive, esso si limita a manipolare una rientranza scolpita con cura in una molecola proteica. Il resto della storia segue, automatica­mente, in cascate ramificate di conseguenze locali dalle quali, alla fine, emerge un intero organismo.


[1] J.B.S. Haldane, biologo evoluzionista e genetista accreditato con un ruolo centrale nello sviluppo del neo-darwinismo.

[2] Richard Dawkins, Il più grande spettacolo della Terra, Mondadori, Milano 2011, p. 179

[3] Si ricorda che il DNA o l’acido desossiribonucleico è un acido nucleico che contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine, molecole indispensabili per lo sviluppo e funzionamento della maggior parte degli organismi viventi. Il DNA, però, non sa nulla né si cura di nulla. Esso non costituisce un piano prestabilito. Il DNA semplicemente è.

[4] Ivi, p. 181

[5] Ivi, p. 183

[6] Ivi, p. 186

[7] Ivi, p. 186

[8] Ivi, p. 187

[9] Dawkins, op. cit. p. 189

[10] Ibid

[11] Ivi, p. 191

[12] Ivi. P. 192

[13] Il termine gastrula sta ad indicare che in esso è comparsa una cavità(intestino primitivo)che si apre all’esterno mediante un blastoporo(ano).

[14] Ivi, p. 193

[16] Premio Nobel per la medicina nel 1981

[17] R. W. Sperry, Chemoaffinity in the orderly growth of nerve fiber patterns and connections, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, October 1963, 50(4): 703-710

[18] Dawkins, op. cit. p. 198

[19] Ibid

[20] Ivi, p. 199

[21] Ivi, p. 200

[22] Ivi, p. 201

[23] Ibid

[24] Ibid

[25] Dawkins, op. cit.

[26] Ivi, pp. 203-205

[27] Ivi, p. 209

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