Fisica e genetica per spiegare l’evoluzione dello sviluppo

Non solo di geni è fatta la biologia. Già da qualche tempo questa consapevolezza si è diffusa nei laboratori di ricerca, incoraggiando lo studio di nuovi tratti in grado di spiegare la complessità della natura: sistemi biologici, fattori epigenetici, vincoli di sviluppo sono fra gli elementi principali di questo nuovo approccio il cui obiettivo non è certo quello di sconfessare


Non solo di geni è fatta la biologia. Già da qualche tempo questa consapevolezza si è diffusa nei laboratori di ricerca, incoraggiando lo studio di nuovi tratti in grado di spiegare la complessità della natura: sistemi biologici, fattori epigenetici, vincoli di sviluppo sono fra gli elementi principali di questo nuovo approccio il cui obiettivo non è certo quello di sconfessare quello gene-centrico, bensì di completarlo. In quest’ottica si inserisce l’articolo uscito in una sezione speciale dell’ultimo numero di Science, dedicata alle Forze dello Sviluppo. L’articolo è firmato da Stuart Newman, biologo dello sviluppo al New York Medical College, ed è significativo già dal titolo: Physico-Genetic Determinants in the Evolution of Development. 

Durante le prime fasi di sviluppo, le cellule che compongono l’embrione non solo si dividono e si differenziano ma effettuano anche tutta una serie di movimenti che generano cavità, invaginazioni, protuberanze. I tessuti in via di formazione si allungano, si ripiegano, si segmentano, si dispongono su strati diversi, formano appendici, il tutto grazie a diverse proteine come le caderine (necessarie per l’adesione fra cellule diverse) o il collagene (responsabile dell’elasticità cellulare). Secondo Newman, questi tipi di movimento sono estremamente simili a quelli generati dalle interazioni fisiche fra materiali viscoelastici e chimicamente attivi; questa è la basa sulla quale, nel 2009, lo scienziato americano elaborò la definizione di “dynamical patterning modules”, cioè quei moduli fisico-genetici in grado di regolare lo sviluppo embrionale, basati sull’integrazione fra processi fisici e geni codificanti per le proteine che li rendono possibili. È a questo punto importante sottolineare che tali funzioni di interazione e sviluppo sono state acquisite da queste proteine solo con l’emergere della multicellularità; molto probabilmente, esse svolgevano altre funzioni in quei progenitori ancestrali unicellulari la cui aggregazione ha dato origine ai primi esseri multicellulari. 

Da qui l’affascinante ipotesi di Newman: il vantaggio selettivo dato dalla multicellularità avrebbe consentito a tali proteine di venir tramandate in virtù del loro “nuovo” ruolo. Col passare delle generazioni, quindi, la pressione selettiva avrebbe stabilizzato questo pool genico – di cui fanno parte anche noti geni dello sviluppo come Wnt, Hedgehog, Notch – facendo sì che i processi di sviluppo dipendessero sempre più da essi piuttosto che dai processi fisici, diversamente da quanto era accaduto in origine. Diversi aggregati multicellulari ancestrali, provvisti quindi di diversi geni e diversi pattern di sviluppo, avrebbero generato diversi piani corporei e, di conseguenza, portato all’evoluzione parallela delle “infinite forme bellissime”. Un modello, questo, che contribuirebbe a spiegare diversi aspetti ancora poco chiari delle prime fasi dell’evoluzione degli animali: l’esplosivo aumento di forme complesse avvenuto fra 540 e 640 milioni di anni fa; l’uso dello stesso kit di geni dello sviluppo in tutte le specie di animali; la presenza ricorrente di un limitato set di motivi morfologici in tutte le forme corporee e degli organi. 

Risulta quindi evidente che la proposta teorica di Newman contribuisce a rivoluzionare gli studi sull’evoluzione, scardinando alcuni capisaldi della Sintesi Moderna come il gradualismo adattativo e portando nuove argomentazioni a favore di una Sintesi Estesa, che sempre più appare necessaria per tentare di comprendere la complessità della natura e le dinamiche con cui essa si è evoluta e continua a evolversi.

Michele Bellone


Riferimenti:
Stuart A. Newman. Physico-Genetic Determinants in the Evolution of Development. Science, 12 October 2012: 217-219 DOI: 10.1126/science.1222003