Darwin oggi: biologia evolutiva dello sviluppo (EVO-DEVO) e genoma

 Carlo Alberto Redi

L’ultimo argomento contro il darwinismo è noto come “disegno intelligente”. I sostenitori di questo argomento credono che la vita, animale e vegetale, sia così complessa che non possa essere spiegata dall’azione casuale della selezione naturale in una visione materialista: può solo essere stata diretta da un creatore. Più precisamente, le visioni meno fondamentaliste di questo pensiero arrivano anche ad accettare l’idea di evoluzione, ma diretta da una Mente esterna superiore. A un certo momento dell’evolvere del vivente (tutto ciò che evolve è comunque opera di Dio), l’opera di Dio si manifesta anche con l’immissione di un’anima razionale e immortale in un organismo vivente. L’evoluzione si arricchisce dunque di un salto qualitativo voluto e diretto da Dio. Si verifica una discontinuità nel procedere casuale dei meccanismi evolutivi, discontinuità diretta dall’esterno di quel mondo materiale che per tentativi ed errori fa emergere il più adatto, per selezione naturale, all’ambiente. Si manifesta un disegno intelligente. Negli USA questo è un tema ricorrente da decenni, nonostante una decisione della Corte suprema del 1972 abbia decretato che non è possibile escludere l’insegnamento dell’evoluzione, ovvero attribuire al creazionismo medesimo statuto scientifico.

È da molto tempo che negli USA i creazionisti hanno ingaggiato una vera e propria battaglia per escludere l’insegnamento dell’evoluzione biologica dalle materie di studio, e negli ultimi anni il tentativo è avvenuto anche in Italia. Recentemente, gli amministratori di una scuola di Dover, in Pennsylvania, hanno preteso che gli insegnanti dichiarino che la teoria di Darwin è solo una teoria, e una teoria non è un fatto. L’uso disinvolto del termine “teoria” è già chiaro, ed è un tema ricorrente da parte dei creazionisti. E dunque vale la pena di ricordare che nell’ambito scientifico un’idea può costituire una teoria e rappresentare un fatto allo stesso tempo. Stephen J. Gould (Evolution as Fact and Theory, 1981) ha più volte ben chiarito questo aspetto, ormai da ben più di venticinque anni!

«L’evoluzione è una teoria. Ma è anche un fatto. E fatti e teorie sono cose ben diverse. I fatti sono i dati del mondo. Le teorie sono strutture concettuali, di idee, che spiegano e interpretano i fatti. E i fatti non si dissolvono quando gli scienziati dibattono teorie che rivaleggiano nello spiegarli. La teoria della gravitazione di Einstein ha sostituito quella di Newton, ma non per questo le mele si sono sospese per aria, sono sempre attaccate ai rami dell’albero. “Fatto” non significa certezza assoluta. Le prove finali della logica e della matematica discendono deduttivamente da prestabilite condizioni e acquistano certezza solo perché non si riferiscono al mondo dei dati empirici. Gli evoluzionisti non hanno mai preteso di aver raggiunto verità con validità perpetua; al contrario i creazionisti regolarmente fanno ciò e poi falsamente accusano gli evoluzionisti di impiegare questo stile di argomentazione che essi stessi favoriscono. Nell’ambito scientifico “fatti” può significare solo conferme a un grado di certezza cui sarebbe perverso rifiutare di concedere un provvisorio consenso. Credo che le mele possano nascere domani, ma certamente questa possibilità non meriterebbe di essere considerata nell’insegnamento della fisica o della matematica. Gli evoluzionisti hanno sempre ammesso di sapere quanto lontani noi si sia da una completa conoscenza dei meccanismi (la teoria) attraverso i quali l’evoluzione (il fatto) occorre. Darwin ha sempre sottolineato la differenza tra questi due aspetti: da un lato stabilire il fatto evolutivo e dall’altro proporre una teoria, la selezione naturale, per spiegare il meccanismo dell’evoluzione».

Questa breve premessa per ricordare qual è la materia del contendere. Oggi, con il completamento del sequenziamento del genoma umano e con le possibilità tecniche d’indagine che ci sono permesse a livello molecolare sia del funzionamento dei genomi sia della loro composizione, siamo in grado di dissezionare finemente i meccanismi molecolari alla base dei processi biologici che portano ai cambiamenti morfofunzionali del disegno animale (e vegetale) nel corso dello sviluppo ontogenetico e filogenetico: la nostra provvisoria certezza ha raggiunto un buon livello di soddisfazione. Vediamo i fatti.

Un famoso detto di Feodor Dobžanskij dice che «niente in biologia ha un senso se non nella prospettiva evolutiva»; Peter Brian Medawar, Nobel 1960 per la medicina, aggiunge che «per un biologo l’alternativa a non pensare in termini evolutivi è non pensare del tutto». Alla luce delle attuali conoscenze biologiche, Gabriel Dover ha aggiornato i motti in «niente in evoluzione ha un senso se non nella prospettiva della biologia dello sviluppo e dello studio del genoma», così completando e attualizzando le riflessioni di Dobžanskij e Medawar. In effetti, grazie ai progetti di sequenziamento di vari genomi, negli ultimi decenni le conoscenze biologiche hanno prodotto diversi cambiamenti nei paradigmi concettuali che oggi impieghiamo per spiegare la complessità del vivente ai diversi livelli organizzativi e funzionali.

Uno dei paradigmi concettuali più nuovi e promettenti, conosciuto da specialisti e grande pubblico con l’acronimo di EVO-DEVO, biologia evolutiva dello sviluppo (Evolutionary Developmental Biology), costituisce oggi una delle aree più attive della ricerca biologica. Ciò è dovuto al fatto che si è capito come tutti i fenomeni biologici, dallo sviluppo all’acquisizione delle forme, dai processi fisiologici alle alterazioni patologiche, a qualsivoglia livello di organizzazione del vivente (dal livello molecolare a quello organismico e di popolazione) siano meglio indagabili grazie ai due approcci sperimentali, la biologia evolutiva e quella dello sviluppo, che contribuiscono alla nascita di questa nuova disciplina.

Intorno agli anni ’90 la fusione dei due approcci, quello che studia i meccanismi (genetici) dell’evoluzione e della comparsa di nuovi organismi e quello che studia come i geni controllano lo sviluppo embriologico, dall’attivazione della cellula uovo e la fecondazione sino al completamento della organogenesi e la formazione del nuovo individuo, ha dato luogo formalmente alla nascita di EVO-DEVO. Il concetto di fondo si può riassumere ricordando che i fossili ci informano su come la vita sulla Terra è cambiata ed evoluta nel corso del tempo, ma solo lo studio di come i geni funzionano durante lo sviluppo di un organismo permette di capire come si originano novità nel disegno animale e quindi di capire appieno la storia evolutiva.

Il fenotipo si riferisce alle caratteristiche fisiche dell’organizzazione e del comportamento di un organismo durante il suo ciclo vitale. Il genotipo si riferisce ai fattori ereditari che regolano la produzione di molecole la cui interazione, insieme agli stimoli ambientali, genera e mantiene il fenotipo. I processi che legano il genotipo al fenotipo sono noti come sviluppo. Essi intervengono nella genesi delle novità fenotipiche a partire dalle mutazioni genetiche, intese nel senso più ampio del termine (non solo mutazioni puntiformi di un gene). Le vie evolutive dipendono quindi dallo sviluppo e a cascata, in un modello di controreazione, lo influenzano creando una relazione circolare conosciuta come EVO-DEVO.

La cronologia che porta ad EVO-DEVO si può far iniziare con gli studi di embriologia comparata di von Baer e di Haeckel, prima del 1900; se valutato dalla prospettiva attuale, in questo periodo vi è una netta separazione tra biologia evolutiva e biologia dello sviluppo. Vi è poi un momento, attorno al 1930-1940, in cui prevale lo studio dei meccanismi evolutivi, la nascita della “sintesi moderna” che indaga principalmente i meccanismi genetici alla base del processo evolutivo. Vi è poi un periodo immediatamente successivo, 1950-1970, ove prevale lo studio dei geni che regolano lo sviluppo e responsabili dei “processo-patterns”. Infine, negli anni ’80, lo studio degli homeobox genes e lo studio comparativo dell’espressione spazio-temporale dei geni che regolano lo sviluppo porta alla formalizzazione di EVO-DEVO e alla formulazione dei concetti base della nuova disciplina.

Questi si possono sinteticamente riassumere in tre proposizioni: (1) i geni che controllano lo sviluppo giocano un ruolo “chiave” nella evoluzione; (2) le mutazioni che avvengono nei geni che controllano lo sviluppo embrionale possono originare rapidamente novità fenotipiche; (3) tra le novità fenotipiche alcune hanno possibilità di adattamento evolutivo.

Si delineano in tal modo due spazi, due intorni concettuali i cui contorni sono definiti l’uno da eventi molecolari (intorno molecolare: mutazioni, in senso lato, e comparsa delle novità fenotipiche) e l’altro da eventi ambientali (intorno darwiniano: interazioni sovracellulari, interazioni genoma-ambiente e viceversa, selezione naturale) che si sovrappongono nella transizione cellulare-organismico o ancora in quella dei segnali intrinseci-segnali estrinseci al genoma, non escludendosi mutualmente, ma al contrario essendo l’uno fortemente dipendente dall’altro. Certo, sarà poi il mondo darwiniano a stabilire la permanenza sul pianeta di ogni novità fenotipica! E a noi sarà permesso di apprezzare la fantastica biodiversità che tanto ci affascina, come ha affascinato Charles Darwin, con la spiritualità che emana dalla consapevolezza di sapere l’esistenza di tante diverse specie animali e vegetali essere basata sulla comune origine da un antenato comune, LUCA (Last Universal Common Ancestor, un organismo RNA dipendente!), e ancora tutte unite pressoché dalla medesima costituzione genetica.

I biologi si sono sempre interessati dell’origine delle specie e delle novità fenotipiche giungendo con Darwin a proporre una teoria evolutiva centrata sulla comprensione che i diversi fenotipi costituiscono le unità su cui agisce la selezione naturale. L’elaborazione d’una teoria evolutiva esaustiva deve però considerare non solo le forze che dall’esterno del fenotipo agiscono nel plasmarlo (forze ambientali), ma anche quelle che dall’interno producono le sue variazioni (forze genomiche). Oggi sappiamo, infatti, che i sistemi genetici (i genomi) sono ridondanti e modulari e soggetti a un continuo rimaneggiamento (turnover genomico) nella loro composizione e organizzazione. Questo rimaneggiamento dipende da, ed è dovuto a, meccanismi che potremmo definire di metabolismo del DNA, la capacità cioè di alcune porzioni del DNA di muoversi da una parte all’altra del genoma (trasposizione) o di convertirsi in nuovi geni (conversione genetica) o ancora di ripartirsi in modo ineguale nei discendenti durante la duplicazione cellulare delle cellule germinali (crossingover ineguale) o altri ancora quali la capacità di rispondere a stimoli ambientali interagendo con essi via la trasudazione di segnali ambientali al genoma. Tale turnover genomico è capace di contribuire in modo significativo alla origine di novità fenotipiche nel disegno animale, novità che si formano abbastanza casualmente per effetto del metabolismo del DNA e che vengono quindi sottoposte al vaglio della selezione naturale. Sino a che non conosceremo in dettaglio le regole di trasformazione che connettono lo spazio genotipico allo spazio fenotipico non potremo mai essere soddisfatti di una teoria dell’evoluzione basata sulle conoscenze dei geni e del loro funzionamento. In altre parole, la questione centrale di qualsivoglia teoria evolutiva è quella di capire come uno specifico fenotipo si origina, e si riproduce, da uno specifico assortimento di geni, ereditati dai suoi parenti, in costante dialogo con l’ambiente.

Per la ricerca di schemi e principî di validità generale (aspetto fondamentale in tutte le discipline scientifiche), in EVO-DEVO gli studi più rilevanti sono stati quello dei polimorfismi dell’identità segmentale in Drosophila melanogaster, la variazione intraspecifica del numero di segmenti in alcuni artropodi (centopiedi viventi a diverse altitudini), i pattern di pigmentazione delle ali e degli occhi delle farfalle e lo sviluppo degli occhi.

Una panoramica dei temi generali affrontati dai ricercatori nell’indagine EVO-DEVO, in dipendenza chiaramente dalla prospettiva specifica dei due approcci e dell’inclinazione concettuale degli specialisti dei due settori, vede in primo piano lo studio della natura delle variazioni che si presentano nel corso dello sviluppo embrionale, il ri-uso dei geni nel corso dello sviluppo e quali sono i fattori che promuovono i cambiamenti evolutivi. Ciascuno di questi tre temi ha al suo interno dei concetti specifici: gli errori e le mutazioni che accadono e che sono in grado di portare alla riprogrammazione dello sviluppo embrionale lungo nuove vie morfofisiologiche; il ri-uso di cassette (moduli) di geni che controllano lo sviluppo e che vengono differentemente impiegate in diversi gruppi tassonomici o la cooptazione di geni per un diverso uso; o ancora, tra i fattori capaci di promuovere cambiamenti evolutivi, la duplicazione genica, la divergenza genica, la modularità dell’impiego di diversi geni, il trasferimento orizzontale (da un organismo all’altro) di geni.

Dagli studi di EVO-DEVO è emerso un dato di carattere generale: la conservazione a livello evolutivo dei geni che determinano strutture e proprietà funzionali ritenute evolutivamente indipendenti quali, ad esempio, la segmentazione del corpo degli artropodi e dei cordati o la formazione di arti e appendici nei vertebrati e negli insetti. Più in generale, i risultati di questi lavori indicano che nel corso dell’evoluzione le divergenze biologiche e i cambiamenti morfologici sono accompagnati da un alto grado di conservazione dei moduli genetici (porzioni di genoma) che li determinano, dal che si deduce che le risposte alle domande evolutive sono da cercare fondamentalmente nei meccanismi che regolano l’espressione genica e la composizione del genoma. Oggi sappiamo che i geni sono straordinariamente stabili, anche quando si considerino specie diversificate tra loro da milioni di anni: se ad esempio consideriamo il gruppo di geni Hox, quello che controlla lo sviluppo segmentale del corpo degli animali, questo si è mantenuto essenzialmente lo stesso nell’uomo e in organismi che da questo si sono diversificati da più di 700 milioni di anni.

Lo studio di questi geni dai due punti di vista, della biologia evolutiva e della biologia dello sviluppo, permette di capire meglio come gli organismi si sviluppano, dalla cellula all’uovo adulto, e su quali basi genetiche si instaurano i meccanismi che portano alla comparsa di novità fenotipiche che a volte possono originare nuovi organismi, nuove specie. EVO-DEVO è dunque un campo interdisciplinare di studio basato sulla biologia dello sviluppo, la genomica comparata, la regolazione genica e la biologia evolutiva e il cui concetto chiave è il seguente: l’evoluzione e la diversificazione degli animali e delle piante può essere spiegata dai cambiamenti funzionali dei geni che controllano lo sviluppo. Per questa disciplina l’interesse centrale è capire quali meccanismi determinano la variazione, e la conservazione, della composizione e dell’organizzazione dei genomi come prerequisito a una migliore comprensione dei cambiamenti evolutivi dei geni deputati al controllo dello sviluppo e di quelli che controllano la regolazione della loro espressione e della loro interazione.

Un grande impulso agli studi di EVO-DEVO è stato determinato dal sequenziamento dei genomi. Quando all’inizio degli anni ’80 iniziò l’era del sequenziamento dei genomi, i ricercatori pensavano di poter trovare quali geni producono i diversi organismi grazie alla conoscenza di tutte le basi del DNA che compongono un genoma. Ora che disponiamo d’una buona quantità di genomi completamente sequenziati la nostra visione è cambiata grazie a una fondamentale sorpresa: la genomica comparata mette in evidenza non tanto geni diversi tra i vari organismi quanto piuttosto una grande conservazione di intere famiglie geniche. Il dato più sorprendente che emerge non è costituito dalle differenze, ma piuttosto dalle somiglianze tra le composizioni dei diversi genomi: in altre parole, è emerso che ciò che fa una rana una rana o una mosca una mosca ha poco a che vedere con la presenza di geni specifici dell’uno o dell’altro organismo, ma è in realtà determinato dal modo in cui è regolata l’espressione (nel corso del tempo dello sviluppo e del tempo evolutivo) degli stessi geni presenti nei diversi organismi. O ancora, il DNA funzionalmente cruciale per portare alla formazione d’un insetto o d’un vertebrato emerge come una sorta di arcipelago di sequenze di DNA, geni, conservati nel tempo evolutivo; arcipelago che si trova sopra un mare di DNA (non genico) di dimensioni, composizione e organizzazione diverse tra le tante specie e gruppi tassonomici animali e vegetali. Dal comune lievito, con circa 6.000 geni, all’uomo, con circa 20-30.000 geni, la cassetta genetica è pressoché sempre quella.

È emozionante vedere nella riflessione filosofica, ma anche in quella artistica e letteraria (si pensi a Omero e all’Iliade quale fonte di ispirazione di Francesco Redi per gli esperimenti che lo portarono a confutare la generazione spontanea), la capacità d’intuire ciò che solo dopo molto tempo si riesce a dimostrare scientificamente: già Giordano Bruno nel De monade numero et figura scriveva: «Ma nulla impedisce di essere come gli uomini di una volta che potevano, con i loro sensi, montare fino al livello ove apprendevano a comparare [e riconoscere] le tracce che rischiarano di forte luce il volto della natura dalla quale nasce ogni cosa».

Inoltre, il semplice numero dei geni non correla con la complessità degli organismi, così come intuitivamente possiamo valutarla: il moscerino della frutta Drosophila melanogaster ha meno geni del vermicello nematode Caenorabditis elegans (peraltro molto simili, omologhi). La gran parte della vita animale sul pianeta Terra impiega in differenti modi la stessa collezione basica di geni per produrre organismi molto diversi grazie alla modulazione dell’espressione di quei geni: quando e dove (anatomicamente) un gene si attiva nel corso dello sviluppo embrionale e fetale di un organismo è più rilevante ai fini della diversità animale della presenza di un cambiamento in un aminoacido in una sua proteina. Il “quando” e il “dove” introducono due ulteriori dimensioni nell’elaborazione d’un unico quadro concettuale di sintesi del paradigma darwiniano attuale. E così spesso, un poco per amore di confronto con la grande tradizione della fisica e un poco per segnalare delle intrinseche specificità concettuali che rendono ragione dell’unicità della biologia e della sua autonomia quale disciplina scientifica, i biologi che si occupano di EVO-DEVO amano ricordare che Einstein doveva preoccuparsi di quattro dimensioni per la costruzione della sua Weltanschauung dello spazio e del tempo, mentre i biologi devono fare i conti con ben cinque dimensioni nel tentativo di catturare simultaneamente l’azione dei processi ontogenetici e filogenetici: le tre dello spazio dell’embrione in via di sviluppo e le due temporali, quella dello sviluppo embrionale e quella dell’evoluzione.

Da questo tipo di considerazione nasce l’esigenza di conoscere la composizione e il significato funzionale del DNA regolativo, quel DNA non genico che non codifica per proteine e che a volte è ancora definito DNA spazzatura o DNA ignorante o DNA egoista, termini ormai non più accettabili. Un solo esempio può aiutare a mettere a fuoco la centralità concettuale occupata oggi in biologia dagli studi sul DNA regolativo: l’embrione dei vertebrati abbozza gli arti nella sede ove è espresso il gene per il fattore di crescita dei fibroblasti (FGF). Se si blocca l’espressione del FGF si blocca la formazione degli arti; se si attiva l’FGF in un’altra sede anatomica, l’arto si abbozza nella nuova sede. Nelle mosche, cambiando l’espressione del gene Ultrabithorax è possibile convertire i bilancieri in ali o ottenere delle zampe al posto delle antenne.

Ma per chiudere una volta per tutte le argomentazioni incontrovertibili contro il creazionismo, e dedicare le nostre energie intellettuali a indagare ciò che ancora necessita di affinamenti conoscitivi senza altre perdite di tempo, basterà ricordare due lavori pubblicati su prestigiose riviste nel corso del 2005. Paul Brakefield (Università di Leida) e Vernon French (Università di Edimburgo) riportano su Nature del 3 febbraio 2005 le modalità attraverso le quali diverse specie evolvono differenti caratteristiche fisiche pur impiegando gli stessi “attrezzi” molecolari. In questo caso, i cambiamenti molecolari nella sequenza di DNA d’una regione regolatrice di uno stesso gene producono differenti schemi di pigmentazione e di colorazione nelle ali di diverse specie di insetti. Ma forse più chiara e ultimativa, anche per l’impatto emotivo che comporta, è la chiarificazione dell’origine delle diverse forme dei becchi dei famosi fringuelli delle Galápagos, gli stessi studiati da Darwin e che si collocano nello sviluppo concettuale del pensiero di Darwin al cuore del paradigma evolutivo. Arhat Abžanov e i suoi colleghi del Dipartimento di Genetica della Harvard Medical School di Boston hanno chiarito, e pubblicato su Science, gli eventi molecolari che portano alla formazione delle diverse forme di becco: queste si originano in conseguenza dei cambiamenti dell’espressione d’un unico gene, il gene Bmp4 (quello che controlla la produzione della proteina morfogenetica dell’osso numero 4). Cambiamenti dell’espressione che accadono nel tempo dello sviluppo embrionale e nello spazio anatomico degli organi dell’embrione delle diverse specie danno origine alle varie forme di becco nelle diverse specie di fringuelli. Inoltre, hanno dimostrato la validità del dato manipolando e ingegnerizzando nel pollo lo stesso gene Bmp4, così da portare alla formazione d’un tipo di becco specifico di una specie di fringuello! Si tratta d’una vera e propria prova molecolare d’una parte importante della teoria di Darwin, con buona pace dei suoi detrattori.

È certamente possibile affermare che Darwin sarebbe oggi ben soddisfatto del proprio lavoro: dalla geologia alla paleontologia, dalla botanica alla zoologia e, ora, la biologia molecolare ci dicono che siamo sulla strada giusta per capire da dove veniamo, e forse dove stiamo andando. Stiamo ben preparando la festa per il bicentenario della nascita (2009) di zio Darwin, nonostante i pallidi tentativi d’oscurare la grandezza d’un pensiero che ci aiuta ad acquisire un forte senso di comune appartenenza a un meraviglioso mondo naturale, tutti in modo eguale e senza distinzioni di razze o appartenenze qualsivoglia aggettivate.

L’Autore

Carlo Alberto Redi è professore di Zoologia all’Università di Pavia. Il testo è tratto, col consenso dell’autore, dal volume di Ernesto Capanna, Telmo Pievani, Carlo Alberto Redi Chi ha paura di Darwin, Como-Pavia, Ibis 2006.

http://www.uaar.it/uaar/ateo/archivio/2008_2_art1.html

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