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Legami darwiniani

di Alessandro Minelli

C’era una volta la prima cellula. La prima perché noi, che ci apprestiamo a raccontarne la storia, abbiamo deciso d’autorità che, per essere una cellula, un pezzettino di materia deve avere una serie di proprietà, che sono poi quelle delle cellule degli esseri viventi attuali: degli esseri viventi che di cellule ne hanno miliardi per singolo individuo, come l’uomo o la sequoia, ma anche di quelli che sono fatti di una sola cellula, come l’ameba o il paramecio, o di quelli che hanno cellule più semplici delle nostre, che chiamiamo batteri. Tutto sommato, potremmo riscrivere così l’inizio della nostra storia: c’era una volta un batterio…
Con questo mitico capostipite prende avvio una lunga vicenda di legami. Innanzitutto, legami genealogici, da cellula madre a cellule figlie. Per meritare di chiamarsi cellula (la prima cellula!), il nostro batterio doveva essere in grado di riprodursi. Per farlo, non aveva bisogno di un partner: riproduzione, per un essere vivente unicellulare, significa semplicemente dividersi, così da formare due cellule figlie. Nascono in questo modo i legami che uniscono tra loro tutte le generazioni. Legami che, ad ogni tappa, vedono il moltiplicarsi dei rami di un albero genealogico in cui le sorti imprevedibili della vita producono qua e là potature drastiche o leggere, mentre consentono ai rami superstiti di sopravvivere e di continuare nella loro incessante biforcazione.
Ma la storia genealogica cominciata nel momento in cui la prima cellula si è divisa in due, creando il primo legame, non è solo una questione di numeri o di geometrie, di alberi più o meno regolari che descrivono i legami fra le generazioni. Con il passare del tempo, i rami si fanno sempre più diversi tra loro.
Al darwiniano legame di common descent si sovrappone una storia, non meno darwiniana, di incessanti modifications. È iniziata l’evoluzione.
Uno degli aspetti più affascinanti della storia evolutiva è la sua capacità di inventare nuovi modi di evolversi. E questo è successo, molto spesso, inventando nuove relazioni, nuovi legami. Legami che spesso coinvolgono partner così diversi tra loro, da far fatica a scommettere che da una loro interazione possa derivare qualcosa di duraturo, per non dire qualcosa di nuovo e vincente. Legami che altre volte nascono sul piede di una ideale parità, ma che prima o poi sono destinati a produrre compagini eterogenee, dove qualcuno finisce per ridursi al ruolo di servitore di un padrone spietato. Un padrone, però, che avrebbe vita corta se gli venisse a mancare l’aiuto dei suoi sottoposti.
Fermiamoci per qualche istante su una antichissima vicenda, quella che ha visto sorgere le prime cellule ‘moderne’, dotate di tutti i comfort, a cominciare da una saletta riservata (il nucleo) per conservare, leggere e ricopiare le informazioni contenute nei geni, e poi uno o più vani caldaia (i mitocondri) per la produzione di energia chimica spendibile entro la cellula e magari – ma questo vale solo per le cellule delle piante – una o più serre a pannelli solari (i cloroplasti) capaci di sfruttare quella straordinaria ed economica fonte di energia che è rappresentata dalla luce del sole.
Questa cellula, più complessa e articolata di quanto non lo siano le cellule dei batteri, non è stata disegnata a tavolino. È il frutto, piuttosto, di due nuovi links, di due nuovi inattesi legami che si sono stabiliti, circa un miliardo di anni fa, tra cellule diverse, una delle quali ha letteralmente inglobato, in tempi diversi, le altre due, ma non le ha distrutte, non le ha digerite e assimilate. Da ciascuna di esse poteva ricavare di meglio che un boccone utile ma presto dimenticato: poteva ricavarne, infatti, degli strumenti permanenti, purché trovasse il modo di conservarli così com’erano, con tutta la loro organizzazione vitale, i loro geni, il loro metabolismo.
Le cellule inglobate erano, all’epoca, dei normali batteri, simili a tanti altri che hanno continuato la loro vita fino ai nostri giorni. Tuttavia, un miliardo d’anni passato all’interno di un’altra cellula, anzi all’interno di una cellula dotata di un nucleo ricco di geni e bene organizzato, le ha profondamente trasformate. Da partner quasi alla pari, quali erano all’inizio di questa antichissima simbiosi, sono diventate semplici organelli al servizio di un inflessibile padrone di casa. L’una si è ridotta a mitocondrio, l’altra a cloroplasto. All’origine, ciascuna di esse aveva un cromosoma, come ce l’hanno tutti i batteri. A poco a poco, molti dei loro geni si sono persi, altri si sono trasferiti nel nucleo di quella che era in origine la cellula ospite, quasi a dire: le grandi molecole che conservano l’informazione conviene metterle tutte insieme, in un’unica sede dove possano essere gestite al meglio. Ma questa operazione, dopo un miliardo d’anni di vita in comune, non è stata ancora completata. Anche se sono ridotti ormai ad organelli-schiavi, il cloroplasto e il mitocondrio hanno conservato un loro piccolo cromosoma: una traccia preziosa che ci consente di ricostruire, dopo tanto tempo, l’origine di un improbabile, ma importantissimo legame.
Dal punto di vista dei batteri dai quali sono derivati i mitocondri e i cloroplasti delle cellule ‘moderne’, queste sembrano decisamente storie di legami perdenti, ma se guardiamo al risultato, vale a dire alla straordinaria ricchezza di forme viventi costruite con tale tipo di cellule, viene voglia di descrivere l’intera vicenda come quella di un vantaggioso legame di cooperazione. È una questione, si dirà, di punti di vista. Ma in materia di storia evolutiva, e di nuovi legami, entrambi i punti di vista hanno un loro valore.
Guardiamo, per esempio, all’origine del sesso. Negli animali, uomo compreso, l’evento centrale dei fenomeni di sessualità è dato dall’unione fra un minuscolo spermatozoo e un uovo molto più grande di lui. Attraverso i cromosomi di cui sono portatori, i due gameti contribuiscono in genere in misura eguale (o quasi eguale) a determinare le caratteristiche dello zigote e, quindi, del nuovo individuo che ne deriverà. Ma questo non significa che l’unione fra i due gameti sia un esempio di legame alla pari. Che cosa porta in dote il gamete maschile, oltre alla sua copia di cromosomi? Nulla, praticamente, a confronto con il gamete femminile, che invece ha in sé una scorta più o meno grande di materiale nutritivo (tuorlo) e tutti gli organelli necessari alla vita di una cellula, a cominciare dai mitocondri. Se qualcuno vuole accusare lo spermatozoo di comportarsi un po’ da parassita, nei confronti dell’uovo, non è facile dargli torto. Eppure, superata questa disparità iniziale, quasi tutto andrà avanti, nel nuovo individuo che prende vita dall’uovo fecondato, come se il contributo dei due gameti fosse stato realmente alla pari.
C’è da chiedersi, a questo punto, se nella storia della vita ci siano mai stati degli episodi importanti, in cui nuovi legami venivano a formarsi senza che dietro l’angolo ci fosse la possibilità, o almeno il sospetto, di un sopruso. Pura cooperazione, dunque, piuttosto che una spietata competizione.
Proviamo a imboccare un’altra strada: quella che ha visto superare la condizione solitaria degli organismi unicellulari, con la comparsa di forme di vita pluricellulare. Un passaggio decisamente importante, visto lo straordinario successo, sul nostro pianeta, di alghe e funghi, ma soprattutto di piante e di animali, il cui corpo è costituito spesso da miliardi di cellule. È così ovvia la natura pluricellulare del nostro corpo, o di quello di un altro animale, che ci è facile sottovalutare la presenza, nel nostro ciclo vitale, di una breve fase unicellulare. Ne abbiamo appena parlato: unicellulari sono i gameti, unicellulare è l’uovo fecondato. Ma un gamete, per sua natura, da solo non rappresenta in modo compiuto la specie alla quale appartiene, a parte il caso degli animali partenogenetici, in cui l’uovo è capace di dare vita da solo, senza bisogno di fecondazione, a un nuovo individuo.
Partiamo dunque dallo zigote, dall’uovo fecondato. Con una serie di divisioni cellulari, da esso prende vita un numero crescente di cellule sempre più piccole (la massa totale è sempre la stessa, visto che per ora non c’è il tempo, né la possibilità, di assumere cibo da fuori). Ma queste cellule non se ne vanno ciascuna per la propria strada, come farebbero le due cellule che derivano dalla divisione di un batterio o di un’ameba. La progenie dello zigote rimane invece unita a formare una morula, poi una blastula, una gastrula… e infine un giovane animale completo dei suoi organi e avviato verso la maturità.
Lungo la linea evolutiva che ha portato agli animali, a sperimentare questo nuovo tipo di legame fra cellule sorelle, che neppure per un istante conoscono la condizione solitaria, furono per primi dei minuscoli organismi marini, simili alle cellule che tappezzano le cavità, percorse da un’incessante corrente d’acqua, che si trovano all’interno di una spugna. C’è da credere che le prime compagini pluricellulari fossero formate da un piccolo numero di cellule tutte eguali, e tutte con le stesse opportunità di alimentarsi e di riprodursi. Un vero inizio alla pari. Ma anche questo nuovo link, che sembrava nascere sotto gli auspici della miglior democrazia, avrebbe presto mostrato la sua instabilità. Già all’interno di una spugna, il più semplice modello di animale, si riconosce una decina di tipi diversi di cellule. Solo alcuni di essi hanno accesso diretto al nutrimento, mentre gli altri dipendono da ciò che i primi passano loro. E molti di essi sono tagliati fuori per sempre da ogni speranza di riprodursi, cioè di avere un futuro a lungo termine.
Negli animali più complessi, l’ineguaglianza fra cellule diverse all’interno di un singolo individuo si fa sempre più netta. Molto spesso, quando ancora l’embrione non conta che una manciata di cellule, è già stabilito, in modo irrevocabile, quali sono le cellule dalle quali potranno formarsi i gameti, dunque le cellule che hanno qualche speranza di avere una continuità nella generazione successiva. Alle altre non rimane che il ruolo di gallina (o di gallo) capace di portare l’uovo (o lo spermatozoo) nel luogo giusto al momento giusto, così da rendere possibile il passaggio di testimone dalla generazione presente alla generazione successiva. Il legame della sessualità si salda così al legame genealogico della riproduzione. Ma ciò, ancora una volta, implica una cooperazione fra uovo e gallina, che può apparire allo stesso tempo come brutale competizione esercitata dal primo a danno della seconda. Nell’incessante e sempre aperta vicenda della storia evolutiva, nuovi legami danno origine a forme di organizzazione più complessa, dove proprio la diversità funzionale fra i partner garantisce una nuova stabilità, al prezzo di una forzata cooperazione, fino al prossimo link.

© Riproduzione riservata

Alessandro Minelli

Alessandro Minelli è docente di Zoologia all’Università di Padova. Membro di accademie e organizzazioni italiane ed internazionali, è autore di numerosi libri ed articoli di divulgazione scientifica. Tra le sue ultime pubblicazioni, 'Forme del divenire. Evo-devo: la biologia evoluzionistica dello sviluppo' (Einaudi, Torino 2007).

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