Storia della scienza - Progetto Fahrenheit

Storia della scienza
per le lauree triennali
Prof. Giuliano Pancaldi
2011-12
Modulo 10
Glossario
in coda c’è un
“Il secolo del gene” 2
Dal “gene-cristallo” di Schrödinger (1944)
alla “cellula-bricolage” di Fox Keller (2000)
Carlo II Asburgo re di Spagna (circa 1685) e il caratteristico labbro/mandibola.
I termini del problema attraverso un esempio
Come testimoniano i ritratti della famiglia degli Asburgo nell’arco di tre secoli, il
particolare “labbro” (e la mandibola) degli Asburgo è tornato a caratterizzare alcuni dei
discendenti di Carlo II a distanza di centinaia di anni.
Per la scienza del Novecento – consapevole delle “tempeste chimiche” sempre in corso
nell’instabile mondo microscopico della cellula vivente – era una sfida concepire un
agente fisico (il gene, il DNA?) capace di trasmettere inalterate per centinaia di anni, in
mezzo a quelle “tempeste”, le “informazioni” necessarie per riprodurre quel tipico labbro.
Stimolati da osservazioni e idee come queste, per circa cento anni biologi e fisici hanno
pensato che deve esistere dentro la cellula qualche agente materiale fisso e immutabile
– il gene, il DNA – capace di conservarsi e riprodursi da una generazione all’altra e
garante della stabilità relativa delle forme viventi.
Ecco per esempio come impostava il problema un fisico famoso – uno dei fondatori della
fisica del Novecento, Erwin Schrödinger nel 1944 – in un libro che ha segnato
un’epoca, intitolato Che cos’è la vita?:
“Come si può, dal punto di vista della fisica statistica [la fisica che si occupa
dei “grandi numeri”, per esempio le molecole di un gas], mettere d'accordo il
fatto che la struttura del gene sembra coinvolgere solo un numero
relativamente piccolo di atomi [nel nucleo di una cellula si trovano pochi
atomi, mentre in fisica la stabilità è affidata perlopiù ai grandi numeri] e
che, nondimeno, essa svolge un'attività retta da leggi ben definite e
rigorose, in modo così durevole e dimostrando una stabilità che ha del
miracoloso?
Permettetemi di mettere in rilievo con un esempio questa situazione
veramente sorprendente.
Parecchi membri della dinastia degli Asburgo mostrano una particolare
deformazione del labbro inferiore (labbro asburgico) [...]
Fissando la nostra attenzione sui ritratti di un membro della famiglia nel XVI
secolo e di uno dei suoi discendenti vivente nel XIX secolo, possiamo con
sicurezza concludere che la struttura materiale del gene, responsabile della deformazione, è stata trasmessa da generazione a generazione per secoli
fedelmente riprodotta in ciascuna delle non molto numerose divisioni
cellulari intermedie […]
Ma come si può spiegare il fatto che esso non è stato alterato per secoli
dalla tendenza disordinatrice dei moti di agitazione termica? …”
E. Schrödinger
Per provare a rispondere a questa domanda Schrödinger immaginò che la
“struttura materiale del gene” fosse un cristallo molto speciale, capace di
conservarsi inalterato nelle cellule germinali di più generazioni di individui a
una temperatura tra i 36 e i 37 gradi: una vera “sfida” per la fisica e la
chimica del non-vivente.
Qualcuno in effetti (per esempio Robin Smith, uno studente della University of
Virginia nei primi anni Settanta) ha provato a seguire – attraverso i ritratti – le
tracce del labbro degli Asburgo (i discendenti che lo possedevano sono
rappresentati in nero nell’albero genealogico qui di fianco ) attraverso 34
generazioni della stessa famiglia.
[Nella figura sopra i quadrati indicano i
maschi, i tondi le femmine della famiglia
Asburgo. Le losanghe indicano membri esterni
alla famiglia. L’annerimento indica la presenza
del labbro/mandibola. Le diverse linee di
raccordo indicano rapporti diversi di parentela].
Questa idea del “gene cristallo” risalente a Schrödinger, secondo Evelyn Fox Keller
domina ancora oggi nella divulgazione scientifica e nell’immaginario collettivo.
L’idea del gene-cristallo, che conterrebbe in sé tutte le “istruzioni” per produrre un
essere vivente, sembrò in effetti confermata dalla scoperta, nel 1953, nove anni dopo
il libro di Schrödinger, della struttura a “doppia elica” del DNA (vedi Modulo 9).
[ Per una rappresentazione della doppia elica del DNA come “cristallo animato” vedi:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/81/ADN_animation.gif ]
Allora sembrò che la “doppia elica” del DNA potesse essere il cristallo che
conteneva in sé il “segreto della vita”.
Queste stesse idee, che riconducono al DNA tutta l’informazione genetica, continuano a
orientare – spesso negativamente – il nostro atteggiamento verso lo “strapotere” di chi
avrebbe gli strumenti “scientifici” per svelare il nostro “patrimonio genetico” e
dunque le nostre caratteristiche più nascoste.
Ma le cose in biologia per quanto riguarda i geni – sostiene Fox Keller nel suo libro –
sono cambiate profondamente.
A partire dagli anni Settanta del Novecento, studiando più a fondo come funziona il
DNA, molti biologi si sono resi conto che la stabilità relativa delle forme viventi non
poggia sulle presunte caratteristiche fisse e immutabili del gene o del DNA.
Come scrive Fox Keller (pag. 27):
“La stabilità della struttura del gene risulta essere non il punto di partenza ma il
prodotto finale di un processo dinamico altamente orchestrato, che richiede la
partecipazione di un gran numero di enzimi [=proteine complesse capaci di
promuovere reazioni o processi biochimici] organizzati in reti metaboliche
complesse [= capaci di assicurare il rinnovamento dei materiali della cellula], le
quali regolano e assicurano sia la stabilità della molecola di DNA che la sua
replicazione fedele.”
Come dire: la stabilità relativa dei viventi attraverso le generazioni sembra garantita da
un SISTEMA DI RELAZIONI anziché dalla stabilità di un singolo elemento speciale, il
gene-cristallo di cui parlava Schrödinger.
Questa consapevolezza – che è maturata con l’uso in laboratorio delle tecniche del “DNA
ricombinante” [che, si ricordi, permettono di estrarre un gene da una specie e di
inserirlo nel DNA di un’altra innescando processi mai prima osservati] e con lo studio
dei “sistemi di riparazione” di cui sono dotate le cellule quando sono “sotto stress” – ha
cambiato profondamente – presso molti specialisti - la visione tradizionale che
concepiva il DNA e il gene come oggetti stabili esposti a errori casuali.
Ecco come Evelyn Fox Keller caratterizza, con un disegno, la VECCHIA concezione
del DNA e della sua capacità di riprodursi. E’ la concezione – ancora profondamente
influenzata dall’idea del “gene-cristallo” di Schrödinger – che sembrò trionfare con la
scoperta della “doppia elica” del DNA da parte di Watson e Crick nel 1953:
In questa concezione la replicazione del DNA - e quindi la trasmissione delle
caratteristiche ereditarie di un organismo da una generazione all’altra – è concepita
come l’effetto di uno “stampo” che dà forma al materiale sul quale agisce.
Ed ecco invece un disegno che rappresenta la NUOVA concezione del DNA e della
sua capacità di riprodursi – un processo al quale ora si pensa che concorrano in
misura determinante delle proteine che coinvolgono altre parti della cellula, oltre ai
geni e al DNA – concezione emersa per effetto delle nuove scoperte rese possibili
dalle tecniche del DNA ricombinante e dallo studio dei “meccanismi di riparazione”
delle cellule:
Una rappresentazione dell’RNA messaggero (mRNA), l’acido ribonucleico che collabora alla
“trascrizione” del DNA per produrre proteine coinvolgendo più parti della cellula, non solo del nucleo.
Per un’immagine d’insieme della cellula vedi più sotto in questo stesso modulo.
Qui sotto una rappresentazione della struttura dell’RNA:
Le informazioni necessarie per costruire le proteine – i “mattoni” di cui sono fatti gli
esseri viventi – NON sono dunque racchiuse tutte nel gene o nel DNA, gli speciali
“cristalli della vita” ipotizzati fino a qualche tempo fa.
Il sistema-vita proposto da Evelyn Fox Keller non ha quindi più le caratteristiche di un
“cristallo” speciale, che si conserva inalterato attraverso le generazioni, come
ipotizzavano Schrödinger, Watson e Crick negli anni 1940-1960. Ha semmai le
caratteristiche di un “bricolage” in cui la stabilità relativa è affidata a sistemi di
regolazione, manutenzione e riparazione.
Un bricolage molto sofisticato, i cui singoli pezzi, ingredienti o “strategie” di
sopravvivenza, inoltre, coinvolgono più parti della cellula oltre ai geni e allo stesso
DNA.
E’ quanto Evelyn Fox Keller suggerisce con questa figura in cui la “manutenzione” e
riparazione del DNA è sempre in corso, affidata a enzimi e ad altri meccanismi
(rappresentati nella figura dagli addetti umani) che – ai fini del risultato “vita” – sono
altrettanto importanti della doppia elica del DNA:
A lezione negli anni passati abbiamo provato a trovare una metafora - da contrapporre a
quella classica dello “stampo”, vedi sopra - per cogliere il punto di vista nuovo
proposto da Fox Keller e capire meglio la nuova concezione degli organismi da lei
suggerita.
Le proposte sono state molte e interessanti. Un certo numero di metafore erano ispirate
alla musica: in un certo senso le varie parti della cellula devono “suonare insieme”.
Altre metafore si richiamavano all’architettura. Altre ancora alludevano al tipo di
interazioni che si producono in situazioni come il formicaio o l’alveare. Una proponeva
l’analogia con la varietà degli oggetti che si formano con la creta operando con un tornio.
Un’altra metafora suggeriva la “catena di montaggio”, in quanto allude a un’azione più
complessa rispetto allo “stampo” di cui si è detto. Altri hanno proposto metafore ispirate
all’informatica (sistema operativo, internet).
In questo esercizio ci siamo resi conto di quanto è difficile per noi, parlando della vita,
proporre delle metafore che non sottintendano l’esistenza in natura di un “progetto” o
“disegno” e di un “architetto”. Eppure “progetto”, “architetto” e “disegno” sono
precisamente le nozioni che la concezione darwiniana dell’evoluzione ha bandito
dalla biologia.
A quanto pare – come abbiamo già osservato in altre occasioni – non è facile descrivere
la natura spogliandosi completamente delle nozioni che sembrano più congeniali a noi
in quanto esseri umani.
E in ogni caso, come abbiamo visto, anche Darwin aveva dei problemi al riguardo, per
esempio quando adottava senz’altro nella sua teoria della selezione naturale, riferita a
tutti gli esseri viventi, certi concetti proposti dagli economisti per la sola specie umana.
Implicazioni per la teoria dell’evoluzione:
La nuova concezione dei fenomeni della vita e del DNA, secondo Fox Keller, induce a
modificare in parte alcuni capisaldi della teoria darwiniana dell’evoluzione.
Anziché concepire la “selezione naturale” darwiniana come un processo che agisce
rigorosamente a posteriori [cioè soltanto attraverso la dinamica degli individui e delle
popolazioni soggette alla “lotta per l’esistenza”] sulle variazioni [il termine usato da
Darwin] o le mutazioni [il termine usato nel Novecento] insorte negli organismi al
momento della riproduzione (vedi i punti 3-5 della teoria di Darwin, Modulo 1), si
possono ora concepire dei meccanismi che già al livello molecolare regolerebbero
tanto la stabilità relativa quanto il grado di “EVOLUTIVITA’” degli organismi.
Se è così, evoluzione, genetica, meccanismi cellulari e processi di sviluppo e crescita
degli organismi si combinerebbero in un modo diverso da quello ipotizzato
originariamente da Darwin e dai suoi seguaci nel Novecento.
Si potrebbe infatti ipotizzare – come riconosce anche uno strenuo difensore delle idee di
Darwin, Richard Dawkins – “una sorta di selezione … a favore non della
sopravvivenza [dell’individuo nella lotta per l’esistenza darwiniana] ma
dell’evolutività [cioè di sistemi viventi capaci di regolare, in qualche modo più efficace
rispetto ad altri, la stabilità e il cambiamento già al livello cellulare e nello sviluppo del
singolo individuo].” (Dawkins citato da Fox Keller, p. 33).
Ipotesi sull’origine “simbiotica” della vita
La nuova concezione di come interagirebbero nel vivente meccanismi di stasi e di
cambiamento fa ritenere ad alcuni che la vita, come si è sviluppata sulla Terra nel corso
dell’evoluzione, sia il risultato della fusione – o simbiosi – di due sottosistemi che si
sarebbero evoluti fino a un certo punto in maniera autonoma:
1. un sistema autoreplicante, ma fortemente incline agli errori, fatto di molecole di
acido nucleico e capace di rapidi cambiamenti;
2. un sistema metabolico autocatalitico più conservatore, specializzato
nell’automantenimento.
Del resto, da tempo circolano ipotesi secondo cui gli organismi più complessi potrebbero
essere il risultato della simbiosi di esseri viventi diversi, che hanno trovato opportuno a
un certo punto dell’evoluzione mettersi a “vivere insieme”.
In effetti, le immagini di una cellula animale osservata con il microscopio elettronico
– uno strumento che usa raggi diversi da quelli della luce visibile, introdotto alla fine
degli anni 1930 grazie anche agli sviluppi contemporanei della meccanica quantistica –
sembrano incoraggiare questa concezione “plurale” della vita.
Nelle rappresentazioni riprodotte qui di seguito la cellula può sembrare una “colonia”
di tanti esseri diversi, che oggi si trovano a vivere insieme dentro una stessa
membrana cellulare:
da Longman, A-level Biology, 1997
Schematic of typical animal cell, showing subcellular components. Organelles: (1) nucleolus (2) nucleus
(3) ribosome (4) vesicle (5) rough endoplasmic reticulum (ER) (6) Golgi apparatus (7) Cytoskeleton (8)
smooth ER (9) mitochondria (10) vacuole (11) cytoplasm (12) lysosome (13) centrioles
da: http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_nucleus
Glossario
Questo glossario è utile per comprendere certe argomentazioni che ricorrono nelle discussioni su genetica
ed evoluzione. Non ci si aspetta che lo studente impari le definizioni in quanto tali.
Le definizioni correnti di gene e di genoma sono già state date – in blu – nel Modulo 9, in coda.
Allele
Componente di una coppia di geni responsabili di forme alternative di uno stesso
carattere.
Allosterica
Si dice di una molecola proteica che può combinarsi selettivamente con una o più altre
molecole.
Aminoacidi
Molecole organiche essenziali alla vita, contenenti un “gruppo aminico” e un “gruppo
acido”.
Autocatalitico
Vedi catalitico.
Base
Costituente chimico essenziale del DNA e dell’RNA (vedi).
Cambriano
Epoca della storia della terra caratterizzata dalla rapida apparizione di molte forme
viventi nuove (che sembra correggere l’idea darwiniana di un’evoluzione graduale).
Catalico
Si dice di una sostanza che favorisce una reazione chimica di qualche altra sostanza.
Citoplasma
Parte semisolida della cellula limitata dalla membrana esterna.
DNA
Acido desossiribonucleico contenuto nei cromosomi (vedi Modulo 8), che a partire dagli
anni quaranta del Novecento è stato ritenuto il portatore del “programma genetico” degli
organismi e la cui struttura, dopo il 1953, è stata individuata nella famosa “doppia elica”.
DNA ricombinante
Tecnica introdotta all’inizio degli anni 1970 che permette di estrarre un gene dal
cromosoma di una specie e inserirlo nel cromosoma di un’altra specie.
Entropia
La quantità di “disordine” di un sistema, che in fisica tende ad aumentare.
Enzimi
Proteina complessa in grado di promuovere processi biochimici o reazioni.
Epigenesi
Nei vecchi studi sulla “generazione”, la teoria secondo cui le caratteristiche degli
organismi si sviluppano da capo durante la formazione di ogni nuovo essere vivente
(contrapposta alla teoria della “preformazione” o “preformismo”). Per analogia, una
qualunque tesi analoga che privilegia l’idea dello sviluppo nella biologia contemporanea.
Escissione
Una delle operazioni di “riparazione” di cui è capace la cellula.
Esone
Vedi Modulo 9, in coda: Come è cambiato il concetto di GENE
Eucarioti
Tutti gli organismi costituiti da cellule dotate di nucleo e organelli.
Fenotipo / genotipo
Fenotipo è l’insieme dei caratteri visibili di un individuo o di una popolazione: può
essere l’“espressione”, a livello macroscopico, di più geni e può subire variazioni
collegate allo sviluppo o all’ambiente. Può cambiare durante la vita di un individuo. Il
genotipo invece è il gene o gruppo di geni che sembrano regolare il fenotipo, e che in
linea di massima non variano nel corso della vita.
Filogenesi / ontogenesi
Filogenesi è l’insieme dei rapporti di discendenza che una certa specie ha seguito nella
sua storia evolutiva documentata dai fossili. Ontogenesi è invece lo sviluppo di un
singolo individuo dalla fecondazione dell’uovo allo stadio adulto.
Fisica e biologia
Nel corso del Novecento i fisici scoprirono che alcuni elementi “radioattivi” posso subire
delle trasformazioni “spontanee”. Gli stessi fisici trovano che l’energia assume solo
quantità discrete (quanti di energia; meccanica quantistica). Fisici e biologi sono
affascinati dalla possibilità di stabilire confronti tra questi fenomeni fisici e le variazioni
o mutazioni osservate in biologia, che sono la materia prima su cui agisce la selezione
naturale.
Gene e genoma, vedi Modulo 9, in coda: Come è cambiato il concetto di GENE
Introne
Vedi Modulo 9, in coda: Come è cambiato il concetto di GENE
Metabolismo
L’insieme delle trasformazioni chimiche e di energia che avvengono in una cellula o in
un organismo, assicurando la conservazione e il rinnovamento della materia di cui sono
fatti.
Metazoi
Organismi multicellulari che si sviluppano a partire da embrioni.
Mutagenesi
Processo di produzione di una mutazione (vedi).
Mutazione
Mutamento strutturale che si può produrre in un gene o in un cromosoma (Darwin
parlava di “variazioni”, che interverrebbero per ragioni non ancora note nei processi di
riproduzione: vedi Modulo 1)
Neodarwiniana, teoria
Nel Novecento, dopo la riscoperta delle leggi di Mendel e la nascita della genetica, e
ancora oggi, si chiama teoria neodarwiniana dell’evoluzione la combinazione di concetti
che si è prodotta tra la vecchia teoria della selezione naturale di Darwin (vedi Modulo1) e
le nuove conoscenze in campo genetico, paleontologico (studio dei fossili), ecc.
Nucleotidi
Sono gli elementi chimici che formano il DNA e l’RNA.
Omeostasi
La tendenza di un sistema biologico a resistere al cambiamento e a mantenersi in un
equilibrio statico.
Oocito o ovocito
Cellula germinale femminile.
Operone
Si dà questo nome a un insieme di elementi regolatori e geni strutturali nella cellula.
Peptidi
Una molecola lineare che comprende uno o più aminoacidi (vedi).
Polimorfismo
Molteplicità di forme.
Politenici
Si dicono politenici i grossi cromosomi che si trovano a volte nelle ghiadole salivari di
certi insetti.
Proteina
Un polimero (sostanza chimica che ha molte parti) che contiene molti aminoacidi, può
assumere molte forme e svolge funzioni essenziali nell’architettura e nel funzionamento
degli esseri viventi.
RNA
Acido ribonucleico, sintetizzato “sullo stampo” di alcuni tratti del DNA e coinvolto nella
sintesi delle proteine.
Teleologia
Quel ramo della filosofia che si occupa dei fini (in greco telos) in natura. Kant – nella
Critica del giudizio – provò a farne una trattazione rigorosa. Darwin negava che vi
fossero fini in natura.
Zigote
Ovulo fecondato, primo stadio dello sviluppo embrionale.
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