Recenti scoperte scientifiche hanno portato alcuni scienziati alla conclusione che è necessario apportare modifiche e aggiunte alla teoria sintetica dell'evoluzione.
Kevin Lalande ha visitato la sala conferenze, che aveva riunito diverse centinaia di persone per discutere del futuro della biologia evolutiva. Uno dei colleghi si è seduto con lui e gli ha chiesto come pensava che stessero andando le cose in questo settore.
"Sembra che stia andando tutto bene", rispose Laland. "Non ci sono ancora state controversie serie".
Kevin Lalande è un biologo evoluzionista presso l'Università di St Andrews in Scozia. In un freddo e nuvoloso pomeriggio di novembre, si è recato a Londra per co-ospitare una riunione della Royal Scientific Society on New Trends in Evolutionary Biology. La sala era piena di biologi, antropologi, medici, informatici e ideologi autoproclamati. La Royal Society of Science è ospitata in un edificio signorile che si affaccia su St James's Park. L'unica cosa che Lalande poteva vedere dalle alte finestre della sala conferenze oggi erano le impalcature e le reti delle facciate per i lavori di ristrutturazione. Dentro, sperava Lalande, oggi ci sarebbe anche un ammodernamento, ma di tipo diverso.
A metà del 1900, i biologi hanno integrato la teoria dell'evoluzione di Darwin con nuove scoperte della genetica e di altre aree della scienza. Il risultato di ciò è stata la cosiddetta "teoria sintetica dell'evoluzione", che da 50 anni segna la direzione della biologia evolutiva. A quel tempo, gli scienziati hanno appreso molti fatti su come funziona la vita e ora possono sequenziare interi genomi, osservare come i geni si accendono e si spengono durante lo sviluppo degli embrioni e come gli animali e le piante rispondono ai cambiamenti nell'ambiente.
Di conseguenza, Lalande e un gruppo di biologi che condividono con lui la stessa opinione sono giunti alla conclusione che la teoria sintetica dell'evoluzione deve essere rivista. È diventato necessario dargli una nuova forma di visione dell'evoluzione, che hanno soprannominato il concetto di "sintesi estesa". Altri biologi hanno espresso il loro disaccordo, sostenendo che non ci sono basi sufficienti per un tale cambiamento di paradigma.
Questo incontro alla Royal Society of Science è stata la prima conferenza pubblica in cui Lalande ei suoi colleghi hanno avuto l'opportunità di presentare le loro opinioni sulla questione. Ma Lalande non era dell'umore giusto per predicare le sue opinioni a persone che la pensavano allo stesso modo, quindi furono invitati alla conferenza anche importanti biologi evoluzionisti che erano scettici sui principi della sintesi estesa.
Entrambe le parti hanno espresso i loro punti di vista e critiche in modo civile, ma a volte c'era tensione nel pubblico, espressa da tintinnio, occhi al cielo e scarni applausi.
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Ma non si trattava mai di litigi. Almeno per ora.
Evoluzione come al solito
Per ogni scienza, arriva un momento di trasformazione e un momento in cui le cose vanno come al solito. Dopo che Galileo e Newton hanno tirato fuori la fisica dalle vecchie idee sbagliate nel 1600, ha iniziato a passare da un umile risultato all'altro fino al 1900. Quindi Einstein e altri scienziati gettarono le basi della fisica quantistica, presentarono la teoria della relatività e altri nuovi modi di conoscere l'universo. Nessuno di loro ha sostenuto che Newton avesse torto. Ma si scopre che l'universo in realtà non è solo materia in movimento.
La biologia evolutiva ha avuto le sue rivoluzioni. Il primo certamente iniziò nel 1859 con The Origin of Species di Charles Darwin. Darwin ha combinato le informazioni dai campi della paleontologia, dell'embriologia e di altre scienze per mostrare l'origine comune di tutti gli organismi viventi. Ha anche introdotto il concetto di selezione naturale, un meccanismo per gestire questi cambiamenti a lungo termine. Ogni generazione della specie ha mostrato una grande variabilità. A volte aiutava gli organismi a sopravvivere e riprodursi e, grazie all'ereditarietà, veniva trasmesso alle generazioni successive.
Darwin ha ispirato i biologi di tutto il mondo a studiare animali e piante da una nuova prospettiva, interpretando la loro biologia come adattamenti delle generazioni precedenti. E ci è riuscito, nonostante non avesse idea dei geni. Fu solo negli anni '30 che genetisti e biologi unirono le forze e riformularono la teoria evolutiva. L'ereditarietà è diventata la trasmissione di geni di generazione in generazione. I cambiamenti erano dovuti a mutazioni che potevano essere mescolate per creare nuove combinazioni. Nuove specie sono emerse quando si sono formate mutazioni nelle popolazioni che hanno reso impossibile l'incrocio interspecie.
Nel 1942, il biologo britannico Julian Huxley descrisse questo concetto emergente nel suo libro Evolution: Modern Synthesis. Gli scienziati usano ancora questo nome. (A volte lo chiamano neo-darwinismo, sebbene il termine sia in realtà fuorviante. Il termine neo-darwinismo è stato coniato nel 1800 ed è stato usato dai biologi che hanno promosso le idee di Darwin durante la sua vita).
La teoria sintetica dell'evoluzione ha dimostrato di essere un potente strumento nel campo delle questioni legate alla natura. Gli scienziati l'hanno utilizzato per una serie di scoperte sulla storia della vita, come il motivo per cui alcune persone sono inclini a malattie genetiche come l'anemia falciforme o perché i pesticidi prima o poi smettono di lavorare sui parassiti. Ma subito dopo la formazione del concetto di sintesi moderna, vari biologi hanno iniziato a lamentarsi periodicamente della sua eccessiva categoricità. Tuttavia, è solo negli ultimi anni che Lalande e altri scienziati sono stati in grado di unire e coordinare gli sforzi per sviluppare i principi di una sintesi evolutiva estesa che potrebbe sostituirlo.
I ricercatori non considerano la teoria sintetica dell'evoluzione un concetto errato: semplicemente non è in grado di riflettere tutta la ricchezza dell'evoluzione. Gli organismi ereditano più dei semplici geni: possono ereditare altre molecole cellulari così come i comportamenti che apprendono e i loro habitat ancestrali. Lalande e i suoi colleghi contestano anche il ruolo predominante della selezione naturale nello spiegare come la vita sia diventata come la conosciamo oggi. Il corso dell'evoluzione può essere influenzato da altri processi, dalle regole secondo le quali le specie si sviluppano, alle condizioni esterne della loro dimora.
"Non si tratta di avvitare sempre più macchine a ciò che già abbiamo", ha detto Lalande. "Dobbiamo guardare al nesso di causalità da una prospettiva diversa".
A complemento di Darwin
La biologa dell'Università di Tel Aviv Eva Jablonka nel suo discorso ha cercato di analizzare le prove che non solo i geni possono determinare le forme di eredità.
Le nostre cellule utilizzano una serie di molecole per riconoscere quali geni producono proteine. Ad esempio, in un processo chiamato metilazione, le cellule limitano il loro DNA per mantenere chiusi determinati geni. Quando le cellule si dividono, possono usare lo stesso principio, controllando così il nuovo DNA. Alcuni segnali ricevuti dall'ambiente possono indurre le cellule a modificare il cosiddetto controllo "epigenetico", consentendo agli organismi di adattarsi a nuove condizioni.
Alcuni studi dimostrano che in determinate circostanze, i cambiamenti epigenetici nel genitore possono essere trasmessi alla prole. E loro, a loro volta, possono trasmettere questo codice epigenetico alterato ai loro figli. Questo è un tipo di eredità al di fuori dei geni.
Questo principio di eredità è particolarmente evidente nelle piante. In uno studio, gli scienziati sono stati in grado di tracciare un modello di metilazione alterato fino a 31 generazioni utilizzando una pianta chiamata Arabidopsis. Questo tipo di eredità può alterare in modo significativo il funzionamento del corpo. In un altro studio, gli scienziati hanno scoperto che i modelli di metilazione ereditati potrebbero cambiare il tempo di fioritura dell'Arabidopsis e influenzare le dimensioni delle sue radici. La variabilità causata da questi modelli era maggiore di quella causata dalle mutazioni ordinarie.
Dopo aver presentato le prove, la signora Yablonka ha sostenuto che le differenze epigenetiche potrebbero determinare la maturità degli organismi per la procreazione. "La selezione naturale potrebbe avere un impatto su questo sistema", ha detto.
Poiché la selezione naturale ha un impatto significativo sul corso dell'evoluzione, i partecipanti alla conferenza hanno presentato prove di come possa essere limitata o spostata in una direzione diversa. Il biologo dell'Università di Vienna Gerd Müller ha citato un esempio tratto dalla sua ricerca sulle lucertole. Alcune specie di lucertole hanno perso le dita dei piedi sulle zampe posteriori durante l'evoluzione. Alcune specie avevano solo quattro dita, altre solo una e alcune persero completamente gli arti.
Secondo Mueller, la teoria sintetica dell'evoluzione porta gli scienziati a vedere questi meccanismi semplicemente come il risultato della selezione naturale, che favorisce un'opzione a causa dei suoi vantaggi nella sopravvivenza. Ma questo approccio non funzionerà se ti chiedi quale sia il vantaggio per una certa specie di individui nella perdita del primo e dell'ultimo dito, e non di altri.
"La risposta a questa domanda è che non esiste un vero vantaggio selettivo", ha detto Mueller.
La chiave per capire perché le lucertole perdono alcune dita dei piedi è principalmente il modo in cui le dita dei piedi si sviluppano nel loro stato embrionale. I processi compaiono prima sui lati, quindi si sviluppano cinque dita, sempre nella stessa sequenza. E le perdono nel corso dell'evoluzione nell'ordine inverso. Müller suggerisce che tali limitazioni sono causate dall'incapacità delle mutazioni di riprodurre tutti i possibili cambiamenti in un tratto. Alcune combinazioni di dita non sono quindi disponibili e la selezione naturale non può selezionarle affatto.
Lo sviluppo può limitare l'evoluzione e, d'altra parte, conferisce agli animali e alle piante un'elevata plasticità. Sonia Sultan, un'ecologa evoluzionista della Wesleyan University, ha fornito un curioso esempio nel suo discorso, parlando dell'erba della famiglia del grano saraceno che stava studiando, la menta piperita.
Nell'ambito della sintesi moderna, ha detto Sultan, l'adattamento dell'alpinista vi sembrerà un risultato raffinato della selezione naturale. Se cresce in condizioni di scarsa illuminazione, la selezione naturale favorirà le piante con tratti alterati che consentono loro di prosperare nell'ambiente, ad esempio sviluppando foglie più larghe per la fotosintesi. E quelli che crescono in piena luce solare sviluppano adattamenti per una crescita di successo in condizioni diverse.
"Questo parla a favore del punto di vista che il nostro incontro è dedicato all'opposizione", ha detto Sultan.
Se coltivi piante di Knotweed geneticamente identiche in condizioni diverse, ti ritroverai con piante che sembrano appartenere a specie diverse.
Per cominciare, la menta piperita adatta la dimensione delle sue foglie alla quantità di luce solare che riceve. In piena luce, le loro foglie diventano strette e spesse, e in condizioni di scarsa illuminazione diventano larghe e sottili. Nel terreno asciutto, queste piante mettono radici in profondità nel terreno in cerca di acqua, e in un terreno ben idratato, le radici diventano corte, pelose e poco profonde.
Gli scienziati alla riunione hanno sostenuto che tale plasticità può contribuire da sola al corso dell'evoluzione. Consente alle piante di diffondersi in diversi habitat, ad esempio, a cui la selezione naturale adatta poi i loro geni. Tra i relatori c'era Susan Anton, paleoantropologa della New York University, che ha sostenuto che la plasticità potrebbe giocare un ruolo significativo nell'evoluzione umana fino a quel momento sottovalutata. Questo perché nell'ultimo mezzo secolo la sintesi moderna ha influenzato in modo significativo il suo studio.
I paleoantropologi tendevano a trattare i tratti trovati nei fossili come risultato di differenze genetiche. Ciò ha permesso loro di ricreare l'albero evolutivo dell'uomo e le forme estinte vicine a lui. Gli aderenti a questo approccio hanno ottenuto risultati significativi, ha ammesso Anton. Negli anni '80, gli scienziati avevano capito che circa due milioni di anni fa, i nostri primi parenti erano piccoli e avevano un cervello piccolo. Quindi i rappresentanti di una delle linee di eredità sono diventati più alti e hanno sviluppato un grande cervello. Questa transizione ha segnato l'origine della nostra specie, Homo.
Ma a volte i paleoantropologi hanno trovato variazioni difficili da capire. I due fossili possono sembrare appartenere alla stessa specie in qualche modo, ma molto diversi in altri. Gli scienziati tendono a ignorare tali differenze indotte dall'ambiente. "Volevamo sbarazzarci di tutto e arrivare al punto", ha detto Anton.
Ma "tutto questo" è troppo da ignorare. Gli scienziati hanno trovato un'incredibile varietà di fossili umanoidi risalenti a un periodo compreso tra 1,5 e 2,5 milioni di anni fa. Alcuni sono alti e altri no, alcuni hanno un cervello grande e altri hanno un cervello piccolo. Tutti i loro scheletri condividono tratti Homo, ma ognuno ha una combinazione confusa di differenze.
Anton ritiene che i principi della sintesi estesa possano aiutare gli scienziati a comprendere questa storia confusa. Lei, in particolare, crede che i suoi colleghi dovrebbero prendere sul serio la plasticità come una spiegazione per la strana diversità dei primi fossili umani.
A sostegno di questa idea, Anthon ha osservato che le persone viventi hanno il loro tipo di plasticità. La qualità del cibo che una donna riceve durante la gravidanza può influire sulla crescita e sulla salute del bambino e l'impatto può essere fatto risalire all'età adulta. Inoltre, le dimensioni della donna stessa, che dipende in parte dalla dieta della madre, possono influenzare i suoi figli. I biologi hanno scoperto, ad esempio, che i figli delle donne con le gambe lunghe sono generalmente più alti dei loro coetanei.
Anthon ha suggerito che gli strani cambiamenti dall'archivio paleontologico potrebbero essere esempi ancora più drammatici di plasticità. Tutti questi fossili risalgono a un'epoca in cui il clima dell'Africa stava subendo fluttuazioni estreme. La siccità e le forti piogge potrebbero cambiare le risorse alimentari in diverse regioni del mondo, facendo sì che i primi esseri umani si sviluppino in una direzione diversa.
La teoria della sintesi evolutiva estesa può anche aiutarci ad affrontare un altro capitolo della nostra storia: l'emergere dell'agricoltura. In Asia, Africa e nelle Americhe, le persone hanno addomesticato i raccolti e il bestiame. L'archeologa dello Smithsonian Melinda Zeder ha tenuto un discorso sulla comprensione problematica di come questa trasformazione possa essere avvenuta.
Prima che le persone iniziassero a coltivare, dovevano procurarsi il cibo e cacciare selvaggina. Zeder ha spiegato come molti scienziati interpretano il comportamento dei raccoglitori nel contesto della moderna sintesi evolutiva: come qualcosa di superbamente regolato dalla selezione naturale per ottenere ricompense migliori per i loro sforzi per trovare cibo.
È difficile immaginare come tali raccoglitori possano essere passati all'agricoltura. "Non ottieni un piacere immediato dall'afferrare il cibo e metterlo in bocca", mi ha detto Zeder.
Alcuni scienziati hanno suggerito che la transizione all'agricoltura potrebbe essere avvenuta durante un cambiamento climatico, quando la ricerca di piante selvatiche è diventata molto più difficile. Ma Zeder e altri non hanno trovato alcuna prova di una crisi in cui l'agricoltura avrebbe potuto sorgere.
Zeder sostiene che ci sia un altro punto di vista su questo argomento. Le persone non sono zombi obbedienti che cercano di sopravvivere in un ambiente costante, ma individui dal pensiero creativo che possono cambiare l'ambiente stesso e dirigere l'evoluzione in una nuova direzione.
Gli scienziati chiamano questa costruzione di nicchia ecologica, un processo che coinvolge molte specie. Tra i casi classici, vale la pena notare i castori. Abbattono alberi e costruiscono una diga, creando uno stagno. In queste nuove condizioni, alcune specie di piante e animali saranno migliori di altre. E si adatteranno in modi nuovi al loro ambiente. Questo è vero non solo per le piante e gli animali che vivono intorno allo stagno dei castori, ma anche per i castori stessi.
Secondo Zeder, la sua prima conoscenza del concetto di costruire una nicchia ecologica fu per lei una rivelazione. "Erano come piccole esplosioni nella mia testa", mi ha detto. I reperti archeologici raccolti da lei e da altri scienziati aiuteranno a capire come le persone sono riuscite a cambiare le condizioni ambientali.
I primi raccoglitori sembrano aver spostato le piante selvatiche lontano dai loro habitat naturali in modo che possano essere sempre trovate a portata di mano. Innaffiando le piante e proteggendole dagli erbivori, gli esseri umani le hanno aiutate ad adattarsi al loro nuovo ambiente. Anche le specie infestanti hanno cambiato il loro habitat e sono diventate colture agricole indipendenti. Alcuni animali si sono anche adattati al loro ambiente, diventando cani, gatti e altre specie domestiche.
A poco a poco, da macchie di terra caoticamente sparse abitate da piante selvatiche, le condizioni ambientali sono cambiate in campi coltivabili densamente localizzati. Ciò ha contribuito non solo all'evoluzione delle piante, ma anche allo sviluppo della cultura tra i contadini. Invece di vagare per il mondo come nomadi, si stabilirono nei villaggi e hanno avuto l'opportunità di coltivare la terra intorno. La società è diventata più stabile poiché i bambini ricevono un'eredità ecologica dai loro genitori. È così che è iniziata la civiltà.
Costruire una nicchia ecologica è solo uno dei tanti concetti avanzati di sintesi evolutiva che possono aiutarci a comprendere il processo di addomesticamento, ha detto Zeder. Durante il suo discorso, ha presentato una serie di previsioni diapositiva per diapositiva, che vanno dai movimenti dei primi raccoglitori al ritmo dell'evoluzione delle piante.
"Sembrava una pubblicità per i principi della sintesi evolutiva estesa", mi disse Zeder più tardi, ridendo. - Ma non è tutto! Puoi avere un set di coltelli da cucina!"
Il ritorno della selezione naturale
Tra quelli presenti nella stanza c'era un biologo di nome David Schacker, ricercatore presso l'Università di St Andrews. Ha ascoltato con calma le discussioni per un giorno e mezzo, e ora ha deciso di prendere la parola lui stesso e ha alzato la mano.
L'oratore di fronte a lui era Denis Noble, un fisiologo con una ciocca di capelli grigi e una giacca blu. Noble, che ha trascorso la maggior parte della sua carriera a Oxford, ha detto di aver iniziato come biologo tradizionale, che credeva che i geni fossero la causa ultima di tutto nel corpo. Ma negli ultimi anni ha cambiato idea e ha iniziato a parlare del genoma non come base per la vita, ma come organo sensibile che rileva lo stress ed è in grado di ricostruirsi per superare i problemi. "Mi ci è voluto molto tempo per arrivare a questa conclusione", ha detto Noble.
Per illustrare questa nuova visione, Noble ha parlato di una serie di recenti esperimenti. Uno di questi è stato pubblicato lo scorso anno da un team dell'Università di Reading ed è stato lo studio dei batteri che si muovono nell'ambiente utilizzando lunghe code rotanti.
Prima di tutto, gli scienziati hanno isolato un gene dal DNA dei batteri che è responsabile della crescita della coda. Quindi misero gli individui senza coda risultanti in una capsula di Petri con una scarsa scorta di cibo, che presto consumarono. Senza la capacità di muoversi, sono morti. In meno di quattro giorni in queste condizioni disastrose, i batteri hanno ripreso a nuotare. Dopo un'attenta ispezione, si è scoperto che erano cresciute nuove code.
"La strategia è creare rapidi cambiamenti evolutivi nel genoma in risposta a influenze esterne avverse", ha spiegato Noble al pubblico. "È un sistema autosufficiente che consente a determinate proprietà di manifestarsi indipendentemente dal DNA".
Shaker non lo trovò convincente e, dopo che gli applausi si placarono, decise di entrare in una discussione con Noble.
"Potrebbe commentare il meccanismo alla base di questa scoperta?" - ha chiesto Shaker.
Noble iniziò a balbettare. "Il meccanismo in termini generali, posso, sì …" ha detto, e poi ha iniziato a parlare di reti e regole e della febbrile ricerca di una via d'uscita dalla crisi. "È necessario fare riferimento al testo originale del rapporto", ha poi detto.
Mentre Noble si sforzava di rispondere, Shaker diede un'occhiata alla conferenza aperta nei suoi appunti. E cominciò a leggere ad alta voce uno dei paragrafi.
"I nostri risultati dimostrano che la selezione naturale può cambiare rapidamente le reti normative", lesse Shaker e posò il suo iPad. "Questo è un meraviglioso, semplicemente meraviglioso esempio di rapida evoluzione neo-darwiniana", ha detto.
Shaker ha colto l'essenza stessa dei sentimenti di un numero considerevole di scettici con cui ho potuto parlare alla conferenza. L'ambiziosa retorica sul cambio di paradigma era per lo più infondata, hanno detto. Tuttavia, questi scettici non sono rimasti nell'ombra. Alcuni di loro hanno deciso di prendere la parola di persona.
"Penso che dovrei parlare dell'evoluzione giurassica", ha detto Douglas Futuima, salendo sul podio. Futuima è un biologo fluente alla Stony Brook University di New York e autore di un importante libro di testo sull'evoluzione. Durante l'incontro, fu inondato di lamentele sul fatto che i libri di testo prestassero poca attenzione a cose come l'epigenetica e la plasticità. In effetti, Futuima è stata appena invitata a spiegare ai colleghi perché questi concetti sono stati ignorati.
"Dobbiamo ammettere che i principi di base della teoria sintetica dell'evoluzione sono forti e validi", ha detto Futuima. Non solo, ha aggiunto, ma le varietà di biologia discusse alla Royal Society non sono poi così nuove. I creatori della teoria sintetica dell'evoluzione li hanno menzionati più di 50 anni fa. Per comprenderli, sono stati condotti molti studi basati sulla sintesi evolutiva moderna.
Prendi la plasticità. La variazione genetica negli animali o nelle piante regola la gamma di forme in cui un organismo può svilupparsi. Le mutazioni sono in grado di modificare questo intervallo. E i modelli matematici della selezione naturale mostrano come può promuovere certi tipi di plasticità a scapito di altri.
Se la teoria della sintesi evolutiva estesa non è necessaria a nessuno, com'è che ad essa è stato dedicato un intero incontro alla Royal Society of Science? Futuima ha suggerito che questo interesse fosse emotivo piuttosto che scientifico. I suoi principi rendevano la vita una forza trainante, non un'arma dormiente di mutazione.
"Penso che la scienza non possa essere basata su ciò che troviamo emotivamente o esteticamente più attraente", ha detto Futuima.
Eppure ha fatto di tutto per dimostrare che la ricerca discussa nella sessione potrebbe portare ad alcune conclusioni interessanti sull'evoluzione. Ma queste conclusioni possono derivare solo come risultato di un duro lavoro, che comporta l'emergere di dati affidabili. "Sono stati scritti abbastanza saggi e rapporti su questo argomento", ha detto.
Alcuni membri del pubblico hanno iniziato a litigare con Futuima. Altri oratori scettici sono stati spaventati da argomenti che ritenevano privi di significato. Ma l'incontro è stato comunque completato il terzo giorno senza lotte.
"Questo è probabilmente il primo di molti, molti incontri", mi ha detto Lalande. A settembre, un consorzio di scienziati in Europa e negli Stati Uniti ha ricevuto un finanziamento di $ 11 milioni (di cui $ 8 milioni dalla John Templeton Foundation) per condurre 22 studi sui principi della sintesi evolutiva avanzata.
Molti di questi studi metteranno alla prova le previsioni emerse dalla teoria sintetica dell'evoluzione negli ultimi anni. Ad esempio, scopriranno se le specie che costruiscono il proprio habitat - ragnatele, nidi di calabroni e così via - possono crescere in più specie di quelle che non lo fanno. Valuteranno inoltre se l'elevata plasticità consenta un adattamento più rapido alle nuove condizioni.
"Fare questa ricerca è ciò che chiedono i nostri critici", ha detto Lalande. "Vai a trovare le prove."
