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Flessibilità e plasticità nello sviluppo degli organismi

di Bruno D’Udine

Da tempo una domanda impegna scienziati di diversa formazione: genetisti molecolari, biologi evolutivi, antropologi, neuroanatomi, neurochimici, psicologi comparati e dello sviluppo, sociologi… Il quesito riguarda un punto fondamentale del processo dello sviluppo umano, ossia quale sia la reale nostra plasticità in rapporto ai contesti fisici e culturali in cui ci troviamo inseriti e cresciamo.

Ci si chiede dunque, da una pluralità di punti di vista, quale è la capacità degli organismi, e degli esseri umani in particolare, di adattarsi ed eventualmente di mutare le caratteristiche fisiche e comportamentali nel corso della propria vita.

I processi studiati da ciascuna delle sopra elencate discipline ci indicano tutti elementi di plasticità e flessibilità. Si sono infatti notate negli organismi, con grande frequenza, alterazioni sistematiche nella struttura e/o nella funzione nel corso del tempo. Sappiamo inoltre che cambiamenti in un processo di sviluppo derivano da e contribuiscono a cambiamenti in altri processi correlati.

Mentre dunque il potenziale per la plasticità sembra essere presente quasi ovunque, esso ha pure dei limiti e la varietà di strutture e funzioni in cui ciò si manifesta diviene più limitata con l’età. Da queste ricerche multidisciplinari derivano implicazioni importanti per possibili interventi atti a migliorare la salute umana nel corso delle varie fasi del processo dinamico della vita.

Storicamente il concetto di plasticità negli studi sullo sviluppo è molto variato nel corso del secolo passato. Nel Dictionary of Philosophy and Psychology del 1901, edito da James Marc Baldwin, esso viene definito come: «…la proprietà di una sostanza vivente o di un organismo che è in grado di alterare la sua forma sotto condizioni di vita mutate». A quel tempo, sotto l’ancora recente influenza del pensiero di Darwin, la discussione sulla plasticità era principalmente incentrata sulle sue origini e il suo ruolo nell’evoluzione.

Negli anni ’30 e ’40 la plasticità, o modificabilità, era di nuovo al centro dell’attenzione. Lo si doveva a Karl Lashley con il suo concetto di plasticità cerebrale così come agli studi sulla prima infanzia e sugli effetti negativi della deprivazione ambientale con i possibili benefici derivanti da programmi compensatori di recupero.

Gli anni ’70 e ’80 vedono un rinnovato interesse per la nozione di plasticità e la ricerca, anziché essere ristretta all’infanzia, si estende alla psicologia gerontologica quando si inizia a comprendere che l’invecchiamento non è un processo fisso e generale di declino, ma che invece anche gli organismi anziani hanno ancora considerevoli potenzialità di variabilità e plasticità.

Ci sono più modi per interpretare questo continuo e in costante trasformazione interesse per il concetto di plasticità. Secondo Richard M. Lerner, autore del volume On the Nature of Human Plasticity (1984) questi sviluppi sono la diretta espressione di alcune tensioni di base che sono inerenti alle discipline che si occupano di processi di sviluppo. Da un certo punto di vista, infatti, lo studio dello sviluppo è caratterizzato dalla ricerca di processi universali e dei meccanismi del cambio ontogenetico. D’altra parte, appena si verifica una spinta verso lo stabilirsi di processi fortemente regolamentati di sviluppo ci si trova di fronte ad una controspinta intellettuale che sfida l’idea di queste universalità.

Principalmente ci si deve confrontare con la nozione che appena si sono trovati e capiti meccanismi per lo sviluppo si manifesta anche una graduale percezione delle condizioni che controllano questi meccanismi, in una crescente spirale di complessità, di azioni e retroazioni. Pertanto le conoscenze sul corso e i meccanismi dello sviluppo ci forniscono anche delle conoscenze sulle loro alterazioni e cambiamenti.

I nuovi approcci sistemici alle reti della vita offrono ora una prospettiva molto stimolante per capire, o forse anche concepire, un nuovo modello interattivo e olografico dei sistemi viventi che tenga conto delle loro pressoché infinite modulazioni e interazioni.
Ma forse la ragione più importante del ricorrente interesse per il concetto di plasticità è dovuta al fatto che il campo dello sviluppo comportamentale ha anche, intrinsecamente, un valore applicativo.

Lo studio dei processi di sviluppo non riguarda quindi solo la descrizione e la spiegazione dei fenomeni osservati, ma tende anche alla modificazione e ottimizzazione dei percorsi evolutivi degli organismi in generale e, in particolare, per nostro specifico interesse, di quelli concernenti la specie umana. Di conseguenza molti studiosi si dedicano non solo allo studio di come avvengono i processi di sviluppo, da dove provengono o in quale direzione vanno, ma cercano di indicare anche che cosa può accadere se e quando le condizioni di sviluppo variano in modi più o meno prevedibili. In questa molteplice prospettiva le ricerche sulla plasticità reale o potenziale degli organismi sono una pietra miliare per una conoscenza più approfondita dei processi di sviluppo.

Fatta questa premessa storico-teorica vorrei concentrarmi su una esperienza di personale coinvolgimento in una ricerca condotta con colleghi di varia provenienza disciplinare che hanno costituito, da alcuni anni, un gruppo di studio sui temi dell’ontogenesi e della plasticità, principalmente in riferimento alla salute umana.
Alcune conclusioni teorico-sperimentali elaborate dal nostro gruppo sono state pubblicate in un articolo apparso sulla rivista «Nature» nel luglio 2005 e da cui ora cito e riassumo.

Sappiamo, da tempo, che molte piante e animali sono capaci di svilupparsi in vari modi, dotandosi di caratteristiche che ben si adattano agli ambienti in cui vivono. È documentato che ad esempio, in circostanze avverse, una piccola dimensione e un metabolismo lento possono facilitare la sopravvivenza, mentre un metabolismo più veloce e una dimensione maggiore hanno successo nella riproduzione quando le risorse sono abbondanti.
Queste caratteristiche spesso sono state indotte all’inizio della vita degli organismi o persino determinate da segnali ambientali a cui sono stati esposti i loro genitori o antenati. Gli individui che, nel corso del loro sviluppo, si sono adattati ad un ambiente possono comunque essere a rischio quando vengono in contatto con un altro ambiente differente o quando, nella fase della maturità, vanno incontro agli inevitabili processi di invecchiamento. L’evidenza biologica e la conoscenza di questi processi può essere però molto rilevante per la comprensione dello sviluppo umano e anche per la predisposizione alle malattie.

Alcune evidenze sorprendenti, che provengono da un certo numero di discipline afferenti allo studio dei processi di sviluppo, hanno focalizzato l’attenzione degli studiosi sull’azione reciproca esistente tra l’organismo in sviluppo e i condizionamenti metabolico-ambientali in cui esso si trova ad operare.
Settori di ricerca molto diversi come l’ecologia evolutiva, lo sviluppo del comportamento, la teoria della storia della vita, la biologia molecolare e l’epidemiologia medica, sono tutti arrivati alla scoperta-chiave che un dato genotipo può dare origine a diversi fenotipi e questo in relazione alle condizioni ambientali in cui si imbatte durante l’ontogenesi. Moltissimi organismi sono infatti in grado di dare risposte specifiche di adattamento al loro ambiente. Tali risposte possono includere cambiamenti immediati e a breve termine sia nella fisiologia che nel comportamento e, in genere, sono prevalentemente espresse nella prole piuttosto che direttamente nei genitori.

Un esempio classico è rappresentato dal crostaceo d’acqua dolce Daphnia. La prole di una madre che sia stata esposta alle tracce chimiche di un predatore nasce con un ‘elmetto’ difensivo che la protegge. Questa struttura può comunque rappresentare uno svantaggio in un ambiente senza predatori, dove il suo costo di costruzione riduce il successo competitivo rispetto ad individui privi di elmetto. Tali cattive combinazioni tra il fenotipo della prole e il suo ambiente attuale possono essere costose in termini sia di sopravvivenza, sia di successo riproduttivo.

Un altro esempio classico di plasticità e flessibilità dello sviluppo è fornito dalla locusta del deserto (Schistocera gregaria). In condizioni di bassa densità la locusta è mimetica, timida, notturna e sedentaria. In condizioni di affollamento gli individui diventano gradualmente più appariscenti, gregari e diurni per diverse generazioni per poi emigrare in enormi branchi.

Entrambi gli esempi di cui sopra dimostrano come l’impatto dell’ambiente vissuto da una generazione può dar forma allo sviluppo e al comportamento di quella successiva.
Quindi, come precedentemente sostenuto, un genotipo, a seconda delle stimolazioni e modulazioni ambientali a cui è sottoposto, può esprimere nel corso del suo sviluppo, fenotipi diversi dimostrando così un alto livello di plasticità e flessibilità di risposta.

Non tutti gli effetti dell’ambiente si possono però adattare. La variazione di una specie può, ad esempio, essere influenzata dalla temperatura, dall’acidità, dalla disponibilità di sostanze nutritive e di acqua, dalla densità della popolazione, dalla presenza di patogeni o predatori e dall’esposizione alle tossine. I diversi fenotipi possono dunque riflettere inevitabili ‘costrizioni’ fisiche o chimiche.
Ad esempio, tassi metabolici ridotti di un organismo, causati dalla bassa temperatura ambientale, influenzeranno il tasso di crescita e la dimensione del corpo.

Eventi ambientali possono anche disgregare i processi di sviluppo, portando a delle anomalie. Se le condizioni dello sviluppo non sono ottimali l’individuo, in alcuni casi, può ancora farcela, ma a costo di compromettere il suo futuro successo riproduttivo.

Un fenotipo spesso può anche svilupparsi differentemente da quello che si sarebbe espresso in condizioni ottimali e mal si potrà quindi adattare alla sua futura vita di adulto. Nei topi, ad esempio, la limitazione di cibo può di fatto rallentare l’invecchiamento aumentando così la conservazione cellulare e i processi di riparazione, ma nel contempo si riduce, diminuisce, o cessa del tutto, la fertilità.

Percorsi di sviluppo diversi, provocati da eventi ambientali, possono essere indotti durante ‘periodi sensibili’, spesso brevi, nel corso del processo di crescita. Al di fuori di questi periodi un influsso ambientale che può definire o ridirigere le caratteristiche di un individuo può avere scarso o anche nessun effetto.

Le ragioni per cui la plasticità sembra essere circoscritta e limitata ad un particolare periodo della vita possono essere ascritte alle difficoltà a ridirigere troppo i processi di sviluppo per i possibili costi, in termini di sopravvivenza e anche di successo riproduttivo, necessari per cambiare le caratteristiche dell’organismo adulto.

Le femmine di alcuni uccelli, ad esempio, sono in grado di alterare molti aspetti della composizione dell’uovo, comprese le sostanze nutritive, ormoni, antiossidanti, immunoglobuline e persino il sesso dell’embrione, in risposta alla disponibilità ambientale di cibo, ai livelli di competizione e alla qualità finale dei loro piccoli. Questi effetti materni possono essere il risultato dell’influenza anche di un solo particolare fattore ambientale che la femmina ha percepito e che si ripercuote dunque sullo sviluppo fenotipico. Tale effetto sarà, a volte, persistente per un certo numero di generazioni, anche se il fattore stesso si è alterato o è scomparso del tutto. Ad esempio, le femmine di mammiferi che in periodo fetale sono state soggette ad una nutrizione povera spesso nella loro vita riproduttiva produrranno una prole relativamente di minor peso.

Queste ampie considerazioni, derivate da molti settori della biologia evolutiva, sono importanti per comprendere anche alcune variazioni critiche negli esseri umani.

Il neonato risponde infatti alla denutrizione, alla disfunzione della placenta e ad altre influenze negative cambiando la traiettoria del suo sviluppo e rallentando la crescita. Nonostante si fosse a lungo pensato che il feto fosse ben protetto dalle oscillazioni ambientali all’interno del grembo materno, una sempre maggiore evidenza suggerisce che la morfologia e la fisiologia del piccolo vengono influenzate dallo stato nutritivo della madre.
È perciò possibile pensare che la maturazione dell’organismo umano possa prediligere particolari modelli di sviluppo attraverso segnali che determineranno una crescita individuale rapportata al tipo di ambiente dove esso probabilmente si troverà a vivere.
Gli individui possono dunque essere influenzati negativamente nel corso del loro sviluppo se la ‘previsione ambientale’ fornita dalla madre, e di conseguenza anche le condizioni della prima infanzia, si dimostreranno sbagliate.

Ad esempio, madri che vivono in tradizionali condizioni di scarsità alimentare producono feti più piccoli avvolti da placente più ampie, come se per compensare la dieta carente il feto cercasse di assorbire quanti più nutrienti dalla madre. Si è rilevato infatti, da estesi studi epidemiologici svolti prevalentemente in India, che gli individui il cui peso alla nascita era vicino al limite minimo della norma, qualora poi vengano cresciuti in ambienti con diete divenute per cambiamenti sociali abbondanti, corrono un forte rischio di sviluppare precocemente malattie cardiache a carico delle coronarie, diabete di tipo 2, ipertensione e forme di obesità precoce. Al contrario, individui nati con peso maggiore alla nascita e cresciuti in ambienti egualmente opulenti presentano un rischio minore di contrarre le patologie sopra citate.

La velocità del cambiamento socio-alimentare se apparentemente migliora nell’immediato le condizioni di vita dell’organismo in crescita può altresì danneggiarlo, in quanto in contrasto con la ‘previsione ambientale’ di scarsità della madre e per cui era stato in definitiva programmato.

A questo punto ci inoltriamo nel campo delle patologie dovute alla civilizzazione e nel terreno dei recenti sviluppi della medicina darwiniana che richiama l’attenzione sulla storia della nostra specie nei contesti ambientali di cacciatori-raccoglitori in cui fino al sorgere dell’agricoltura, circa diecimila anni fa, ci siamo sviluppati e quindi in definitiva adattati. L’evoluzione culturale ha poi seguito un ritmo incalzante di tempi brevi che non sono necessariamente quelli delle regole dell’evoluzione biologica degli organismi, che in realtà originano e provengono da una storia di ‘tempo profondo’ che ha miliardi di anni alle spalle dalla formazione del nostro pianeta.
La plasticità degli organismi, quindi, è certamente un meccanismo potente ma non onnipotente, specialmente nei tempi brevi.

Per citare e concludere con un esempio concreto, corredato da ormai robusti dati epidemiologici, l’emergere di una nuova classe media ricca nel sub-continente indiano ha cambiato rapidamente le diete povere di circa duecentocinquanta milioni di indiani portandoli in contesti alimentari ricchi o, forse, troppo ricchi per chi da tempo aveva adattato l’organismo alla scarsità. Uno dei costi di questo indubbio miglioramento alimentare è la drammatica previsione, in tempi brevi, di circa cinquantasette milioni di diabetici!

© Riproduzione riservata

Bruno D'Udine

Bruno D’Udine, etologo ed ecologo, è docente di Etologia e Comunicazione della scienza presso l’Università di Udine. È giornalista scientifico del quotidiano "La Stampa" di Torino.

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