L’Evoluzione che Darwin non poteva conoscere
Le scoperte dell’Astrofisica
Il ruolo della Genetica e della Epigenetica
Marco Benelli
Corrado e Giovanna Bartolini
Charles Darwin
Nato il 12 02 1809, nipote del naturalista Erasmus Darwin, m.1802,
studiò, con scarso successo medicina e, poi, si laureò in teologia.
Naturalista dilettante, fu imbarcato, come gentiluomo di compagnia del
nobile giovanissimo comandante, Fitz Roy, sulla nave militare Beagle,
in missione di esplorazione e cartografia attorno al mondo.
Esautorato il naturalista di bordo lo sostituì.
Il viaggio durò 5 anni; Darwin esplorò l’interno del Sud America ed altre terre per mesi.
Charles Darwin
Rientrato in G.B. nel 1836 elabora le sue prime idee. I risultati degli studi sui suoi
reperti, affidati ad esperti di varie discipline, lo inducono ad affidare i suoi primi
pensieri sulla “trasmutazione” delle specie ai suoi taccuini. Nel 1842 stila 35 pagine,
non pubblicate, in cui struttura il suo pensiero. Ma è solo nel gennaio del ‘44 che scrive
all’amico Hooker confidando: “sono quasi convinto (in totale contrasto con la
mia opinione iniziale) che le specie non sono (è come confessare un
assassinio) immutabili”.
La tesi evoluzionista era anche frenata dalla profonda religiosità della amatissima
moglie.
C. Darwin
Charles Darwin
Probabilmente avrebbe dato alle stampe le sue idee sul letto di
morte, come aveva fatto Copernico 3 secoli prima!
Ma nel 1858 ricevette dall’Indonesia una lettera da Alfred Russel
Wallace che lo pregava di presentare alla scienza idee analoghe alle sue.
Gli amici scienziati, che conoscevano la priorità delle sue idee, lo
convinsero a presentare un memoria, coautore Wallace, che fu letta alla
Linnean Society nel luglio 1858, senza grande scalpore. Scalpore che
invece fece il libro L’Origine delle Specie pubblicato
nel novembre 1859.
A. R.Wallace
Charles Darwin
L’Origine delle Specie
Il libro, inizialmente pensato come, ‘memoria scientifica’cercò di
anticipare anche le eventuali critiche
degli oppositori:
“Certamente la geologia non ci
presenta una catena organica con una
così minuziosa serie di gradazioni e
questa è forse la più evidente e la più
seria obiezione che può essere mossa
alla mia teoria. Secondo me la
spiegazione va ricercata nell’estrema
imperfezione della documentazione
geologica.” (Ediz. G: T. E. Newton 2006, p.
274).
Nei 150 anni trascorsi sono stati
trovati potenti supporti alla sua teoria.
Evoluzione
La vita si è ‘evoluta’ per sopravvivere adeguandosi alla competizione ed usando
la collaborazione, simbiosi e simbiogenesi.
“L’insieme dell’evoluzione è aperto e creativo; è una realizzazione di
potenzialità che non si applica secondo un programma prefissato ma
con fantasia creatrice.
Il nesso fra gli eventi evolutivi esiste ma può essere riconosciuto solo
a posteriori e comporta dei salti, almeno con il metro della logica
umana” (Sarà, 2005).
Gould ed Eldredge hanno proposto, negli anni ’70, la
Teoria degli ‘Equilibri Punteggiati’ per giustificare le
lunghe stasi delle specie, seguite da rapidi ‘salti’
evolutivi.
L’epigenetica, che consente un rapido e costante
adeguamento alle mutevoli esigenze ed alle variabili
condizioni ambientali, giustifica, a sua volta, la Teoria.
S. J. Gould
La Terra dista dal Sole
150 milioni di km.
La luce impiega, a 300
mila km/sec., 500 s.
per giungere sulla
Terra.
Un adulto è composto
da circa 70-80 mila
miliardi di cellule. In
media 75 mila miliardi.
In ogni cellula vi sono,
in totale, 2 m di DNA.
Ogni uomo ha quindi
150 miliardi di km di
DNA pari a 500 volte il
percorso di andataritorno Terra – Sole.
L’uomo e lo spazio
EVOLUZIONE
L’EVOLUZIONE E’ UN FATTO CHE INIZIA DALLA MATERIA INANIMATA
Molecole scoperte nelle nubi di gas intersellare
PAHs Idrocarburi
Policiclici Aromatici
Glicoladeide parte dell’RNA
Glicina, il più semplice degli
aminoacidi.
Acetonitrile
precursore di aminoacidi
Gli elementi al Big Bang
Elemento
H
He4
H2
He3
Li7
Massa %
76
24
0.02
2*10-3
1.6*10-8
Formazione degli
elementi
I principali elementi necessari
alla vita sono: H, C, N, O, S e P.
H si formò al momento del Big
Bang, gli altri elementi si
formarono nelle stelle.
C ed O vengono formati dalla
fusione di 3 o 4 He; N dalla
combinazione di C+H; S e P
dalla reazione O+O.
Panspermia
La teoria della panspermia,
recentemente rivitalizzata da Fred
Hoyle e Chandra Wickramasinghe,
prevede che la vita sia nata altrove e
che si sia diffusa nell’Universo; basti
pensare che, nei primi 100 Ma, sulla
Terra possano essere cadute ~ un
miliardo di tonnellate (t) di materiale
organico e che tuttora cadano 100 t
di polveri extraterrestri al giorno.
Inizio della vita sulla Terra
La Terra si è formata nel disco di
accrescimento del Sole 4.5 Ga fa;
Inizialmente bombardata da meteoriti
e comete, divenne, dopo poche
centinaia di milioni di anni,
sufficientemente fredda e stabile per
ospitare la vita. Le più antiche
evidenze di attività vitale si trovano
nelle rocce australiane e sudafricane,
datate 3.5 Ga fa.
Si tratta di stromatoliti fossili, dei
quali si hanno tuttora esempi viventi,
formati da stratificazioni di colonie
batteriche, su precedenti litificate.
Stromatoliti a Shark Bay
Le forme di vita sulla Terra
Circa 2,4 Ga fa il contenuto di ossigeno
nell’atmosfera è iniziato ad aumentare per
l’attività dei cianobatteri.
Per molti degli organismi
anaerobici allora viventi l’ossigeno
era tossico. Per sopravvivere
hanno dovuto attrezzarsi e
collaborare con batteri che,
attraverso la simbiosi, sono
poi divenuti mitocondri
in tutti gli eucarioti e cloroplasti
nelle alghe nelle piante.
I predecessori degli eucarioti si
erano nel frattempo differenziati.
Ne è sopravvissuto un solo modello.
Evoluzione: Genetica ed Epigenetica
I GENI
L’uomo condivide quasi il 99% dei geni con lo scimpanzè ed ha circa lo
stesso numero di geni del topo. I geni, a loro volta, si sono conservati a
lungo immutati. Se si inserisce un gene master, che nel topo guida la
formazione dell’occhio, in un moscerino della frutta (Drosophila),
questo produce un occhio supplementare nella Drosophila, ovviamente
di tipo composito. Topo e Drosophila si sono separati geneticamente più
di 500 milioni di anni fa.
L’evoluzione della forma non dipende molto da quali geni hai ma da
come li usi! (Sean B. Carrol: Infinite forme bellissime, 2006).
Pikaia
Anomalocaris
Evoluzione: Genetica ed Epigenetica
I GENI
E’ stato decodificato il genoma del Riccio di mare (Nov.2006).
E’di grande interesse anche per valutare l’evoluzione dei mammiferi,
perché condividiamo moltissimi geni nonostante 540 Ma di separazione.
Il Riccio può vivere
anche più di 100 anni e
per combattere virus e
batteri possiede un
sofisticato sistema
immunitario, con più
geni dedicati del nostro.
Evoluzione: Genetica ed Epigenetica
I GENI
“Gli insetti, pterosauri, uccelli o pipistrelli non hanno inventato i geni per
le ali, né le farfalle un gene ‘per le macchie’ o l’uomo per il ‘linguaggio
verbale”! (Carrol 2006). La Natura lavora con il materiale a disposizione
facendo del bricolage e non con un progetto come un ingegnere.
EVOLUZIONE: l’occhio
Una delle critiche (infondate) alla ‘teoria dell'evoluzione’ riguarda lo
sviluppo dell'occhio: "una struttura così complessa non può essersi
evoluta a piccoli passi per selezione naturale, dunque ci deve essere un
artefice divino".
Lo stesso Darwin, anticipando le eventuali critiche al suo ‘L’Origine
delle Specie’, ha scritto: “ Supporre che l’occhio, con tutti i suoi
inimitabili congegni per l’aggiustamento del fuoco a differenti distanze,
per il passaggio di diverse quantità di luce e per la correzione della
aberrazione sferica e cromatica, possa essersi formato per selezione
naturale, sembra, lo ammetto francamente, del tutto assurdo”.
Poi però evidenzia, che un lieve miglioramento di
un occhio non perfetto, dà comunque un vantaggio
competitivo al possessore.
E non poteva conoscere tutti i diversi tipi di occhi
che la natura ha sviluppato!
Imm. da: NATURE
EVOLUZIONE: l’occhio
Gli occhi sono costituiti, in gran parte, con
elementi già utilizzati per altri scopi. I vertebrati
usano, per le lenti, proteine che, nei batteri,
alleviano lo stress. Lo specchio riflettente negli
occhi del gatto deriva dalle pinne dei pesci.
La stella marina (brittlestar) ha il carapace
coperto da cristalli di calcite otticamente adattati.
L’occhio del calamaro si forma da una
invaginazione della pelle, ma vede come noi,
nonostante le differenze!
Il pesce Anableps anableps ha 4 occhi in 2 orbite.
Le parti superiori per vedere fuori dall’acqua, le
altre per sotto.
(Testi da NATURE nov, 2008).
(Immagini da Wikipedia).
EVOLUZIONE: l’occhio
Un esempio di semplicità: le larve planctoniche
presentano la macchia oculare, una struttura
volta alla percezione della luce, formata da sole
due cellule, una sensibile e l’altra pigmentata che
le proietta un’ombra per valutare da dove
proviene la luce. (Pikaia 26 11 2008)
L’occhio della libellula è ‘composto’ da 28.500
singoli recettori: è estremamente resistente e
insensibile alle vibrazioni mentre caccia in volo.
(NATURE novembre 2008)
Il gene Pax 6, che sovrintende alla formazione
degli occhi, è comune in moltissimi organismi.
Quello del topo, trapiantato sul moscerino della
frutta, Drosophila m., innesca la formazione di
un occhio extra ’composto’ sul dorso, sull’ala,
zampa, etc. (Shubin: Il pesce che è in noi, 2008, p.185).
EVOLUZIONE: l’occhio
La velenosissima medusa Tripedalia cystophora, cubomedusa, ha 24
occhi di 4 diversi tipi. “Per la maggior parte sono semplici fossette
disseminate sull’epidermide. I pochi occhi restanti sono invece
incredibilmente simili ai nostri, con una specie di cornea, una lente e
persino un sistema nervoso simile a quello umano… Non ha il gene Pax
6 né il Pax 2 che (nei mammiferi) è importante per lo sviluppo
dell’orecchio ma un mosaico dei due geni…Sembra una versione
primitiva di entrambi”. (Shubin: Il pesce che è in noi, 2008, p.203).
Tripedalia cystophora
Evoluzione
Genetica ed Epigenetica
DNA
Genetica
(Hardware)
FENOTIPO
COMPORTAMENTO
Epigenetica
(Software)
Evoluzione: adattamento all’ambiente
I coniugi Peter e Rosemary Grant, dal 1977, hanno trascorso da 2 a 6
mesi ogni anno alle Galàpagos studiando particolarmente i ‘fringuelli di
Darwin’. Le variazioni climatiche hanno cambiato la disponibilità di cibo
ed essi hanno potuto constatare, in tempo reale, l’adattamento dei becchi
dei fringuelli al diverso tipo di cibo. La genetica ha evidenziato il ruolo
del gene BMP4.
La modulazione
epigenetica di tale
gene produce la
variazione della
struttura dei
becchi,
consentendo la
sopravvivenza
delle specie.
EVOLUZIONE: in diretta
Martin Boraas (USA) fece riprodurre in laboratorio l’alga Chlorella
vulgaris per un migliaio di generazioni, poi inserì il loro
Chlorella vulgaris
predatore Ochromonas. In ~10 gg l’alga unicellulare si
associò in gruppi di un centinaio di individui per
evitare la predazione.
Poi gruppi si ridussero a 8 alghe per ottimizzare anche
la fotosintesi. Tolto il predatore dall’esperimento le
alghe hanno continuato a riprodursi raggruppandosi
ancora in blocchi di 8 elementi.
(Neil Shubin: Il pesce che è in noi; Rizzoli Ed. RCS
Libri 2008, Milano, pag. 164.)
(MARTIN E. BORAAS, DIANNE B. SEALE, JOSEPH E.
BOXHORN. (1998). Evolutionary Ecology, 12(2), 153-164. DOI)
Ochromonas vallescia
Evoluzione
Genetica ed Epigenetica
L’assimilazione genetica (e/o epigenetica) è
particolarmente importante nei fenomeni del
comportamento. Il sistema neurosensoriale è
molto ricettivo e plastico nei confronti degli stimoli
ambientali. Le modifiche morfofunzionali apportate
da questi nelle reti neuronali potrebbero essere
facilmente trasmesse mediante ormoni al sistema
genetico e determinarvi nuovi assetti.
In sostanza, i viventi sperimentano il loro
ambiente ed attraverso tale esperienza
elaborano la loro evoluzione. (Sarà, 2005)
Evoluzione
La Vita non si complica la vita
La Vita è stata costretta a passare dai batteri agli
eucarioti e, poi, agli organismi pluricellulari per
fronteggiare le sfide che l’ambiente le poneva.
Quando si è trovata in ambiente protetto, privo di
predatori e forse con cibo limitato, ha ridotto la
complessità e le dimensioni.
Ciò si è verificato per diversi animali nelle isole
(nanismo insulare), come p.e. gli elefanti nani
siciliani di 500 mila anni fa, delle dimensioni di
un grosso cane (leggenda dei Ciclopi).
Si verifica tuttora nelle grotte, prive di luce e
Mitocondrio, già batterio simbionte
competizione, nonché per i parassiti ed i simbionti che sfruttano o
delegano il metabolismo del loro ospite o collaboratore.
Evoluzione: Genetica ed Epigenetica
Il genoma segue uno spartito che è dato dal programma genetico,
ma con variazioni che dipendono dalle esigenze delle cellule e
dell'organismo.
La genetica molecolare ha confermato che la mutazione classica è solo
un aspetto della variabilità del genoma, fonte d'evoluzione (Sarà, 2005).
"Mentre il codice genetico è
universale, il linguaggio del codice
epigenetico, nonchè i fattori adibiti
alla sua decifrazione, differiscono
negli animali, nei funghi e nei
vegetali" (Varotto, 2005).
Un enzima (bianco) allaccia un
gruppo metile (rosso) al DNA.
Da: Nature 2005
Evoluzione: Genetica ed Epigenetica
La metilazione, come imprinting epigenetico, è
trasmissibile alla progenie.
Le esperienze di vita che lasciano un segno
duraturo nell’animale possono essere
consolidate nelle successive generazioni,
dando luogo a comportamenti che chiamiamo
istintivi.
Si comprende quindi l’origine di
questi comportamenti!
Da: www.hwupgrade.it
EVOLUZIONE
Il motore del flagello batterico è troppo complesso per essersi evoluto?
Il sistema di propulsione del flagello batterico è composto da 20 proteine. La
rotazione è prodotta da attrazione o repulsione elettrostatica al passaggio di
protoni (nuclei di idrogeno) attraverso la membrana del batterio.
Immagini da Wikipedia, flagello.
MITOCONDRI
I mitocondri sono organelli presenti nelle cellule eucariote: producono ATP, la
molecola utilizzata come ‘moneta’ energetica universale. Derivano da batteri
ancestrali per simbiogenesi.
L’ATP è formato da ADP+P, utilizzando l’energia rilasciata dal metabolismo del
piruvato (C3 H4O3) prodotto dal glucosio che è sintetizzato principalmente
dall’attività clorofilliana. Liberando un gruppo fosfato (P) dall’ATP, trasformandolo
in ADP, si cede energia.
Immagine da: iprase.tn.it
ATP
Mitocondrio," Microsoft® Encarta®
Enciclopedia Online 2008
http://it.encarta.msn.com
MITOCONDRI
L’assemblaggio ATP+P avviene in complessi rotanti, inseriti nella membrana
interna del mitocondrio.
In un settore dell’ATPase si inserisce l’ADP+P. Con la rotazione si accede all’altro
settore dove nel frattempo si è formato l’ATP che viene espulso per far posto ad un
nuovo ADP+P.
Da: Wikimedia
Commons.
MITOCONDRI
MITOCONDRI
L’immagine evidenzia i
complessi proteici
dell’ATPase.
Il movimento è dato
dall’effetto elettrostatico
a seguito del passaggio
di un protone nella
membrana interna, tra lo
statore ed il rotore.
MITOCONDRI
Le cellule umane ospitano in media 250 mitocondri, che vivono circa 100 gg.
Le cellule di un adulto sono circa 75 mila miliardi.
75000 * 250 : 100 : 24 : 3600 = da sostituire: 2 miliardi al sec.
Considerando quante sono ATPase per mitocondrio, le macchine simili al flagello
batterico dovevano essere tanto comuni da consentirne l’evoluzione!