La teoria dell'evoluzione di Darwin per selezione naturale è incompleta senza il contributo dell'antieroe Lamarck
Gran parte della biologia moderna si basa sulla teoria dell'evoluzione di Charles Darwin come processo di selezione naturale, quando la natura sceglie gli organismi più forti e adattabili per la riproduzione, la crescita della popolazione e la sopravvivenza. Questo processo è anche chiamato adattamento e adattivi sono quei tratti che aiutano il corpo a sopravvivere meglio di altri. Man mano che nuove modificazioni degli organismi cambiano e mettono radici, le specie appaiono e si sviluppano. Negli anni 1850, quando Darwin descrisse il motore della selezione naturale, i meccanismi molecolari sottostanti non erano ancora noti. Ma i progressi della genetica e della biologia molecolare del secolo scorso hanno delineato i principi di base della moderna teoria neo-darwiniana su come funziona l'evoluzione: le sequenze di DNA mutano casualmente,e quegli organismi il cui DNA si adatta meglio all'ambiente si moltiplicano e dominano. Queste specie prevalgono fino a quando le condizioni ambientali non iniziano a cambiare e il motore dell'evoluzione si riavvia.
Ma se assumiamo che anche altri meccanismi molecolari giochino un ruolo nello sviluppo delle specie, allora questa spiegazione dell'evoluzione risulta essere incompleta. Il problema con la teoria di Darwin è che mentre le specie sviluppano proprietà più adattive (chiamate fenotipi in biologia), la velocità con cui si verificano mutazioni casuali nelle sequenze di DNA è troppo bassa per spiegare molti dei cambiamenti osservati. Scienziati ben consapevoli di questo problema suggeriscono una serie di meccanismi genetici compensatori: deriva genetica, quando si verificano gravi cambiamenti genetici all'interno di un piccolo gruppo di organismi, o epistasi, quando un insieme di geni ne sopprime un altro. E questi sono solo due dei tanti esempi.
Ma anche con questi meccanismi in mente, il tasso di mutazione genetica tra organismi complessi come gli esseri umani è significativamente inferiore al tasso di cambiamento in una serie di tratti dalla regolazione metabolica alla resistenza alle malattie. La rapida manifestazione di una varietà di tratti è difficile da spiegare solo con i metodi della genetica classica e della teoria neo-darwiniana. Per citare l'eminente biologo evoluzionista Jonathan BL Bard, parafrasando TS Eliot: "Un'ombra cadde tra fenotipo e genotipo".
I punti problematici della teoria di Darwin vanno oltre la teoria dell'evoluzione e si estendono ad altre aree della biologia e della biomedicina. Ad esempio, se i nostri tratti sono determinati dall'ereditarietà, allora perché gemelli identici con lo stesso insieme di geni tendono ad avere malattie diverse? E perché solo un piccolo numero (spesso meno dell'1%) di coloro che soffrono di malattie specifiche ha mutazioni genetiche comuni? Se il tasso di mutazioni è casuale e uniforme, perché la proporzione di molte malattie è aumentata di dieci volte in appena un paio di decenni? Perché centinaia di tipi di inquinamento ambientale cambiano le circostanze dell'insorgenza delle malattie, ma non la sequenza del DNA del malato? Nell'evoluzione e nella biomedicina, il tasso di formazione di deviazioni dai tratti fenotipici è molto più alto del tasso di cambiamenti genetici e mutazioni, ma perché?
Alcune risposte si possono trovare nelle idee di Jean-Baptiste Lamarck, pubblicate 50 anni prima della pubblicazione dell'opera di Darwin. La teoria di Lamarck, da tempo trascorsa nella pattumiera della storia, sosteneva, tra le altre cose, che "l'ambiente modifica le proprietà che vengono poi ereditate dalle nuove generazioni". Lamarck era professore di zoologia degli invertebrati al Museo Nazionale di Storia Naturale di Parigi, e tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo studiò una varietà di organismi, inclusi insetti e vermi. È stato lui a introdurre le parole "biologia" e "invertebrati" nel lessico scientifico ed è stato anche autore di diversi libri su biologia, invertebrati ed evoluzione. Nonostante la sua illustre carriera scientifica, Lamarck, con le sue idee evolutive blasfeme, fu negato da molti contemporanei, così come dagli scienziati per i successivi 200 anni.
Inizialmente, Lamarck fu condannato come un eretico religioso, e ai nostri giorni il suo nome è ricordato solo come uno scherzo, a causa del conservatorismo della scienza, e in particolare dell'inviolabile teoria dell'evoluzione di Darwin. Alla fine del suo percorso scientifico, lo stesso Lamarck cambiò le sue convinzioni: anche senza conferme dal campo della biologia molecolare, vide che i cambiamenti casuali non potevano diventare una prova completa della sua teoria.
La domanda è questa: se le mutazioni genetiche non sono solo influenzate dalla selezione naturale, allora quali sono le forze molecolari che danno forma all'intera serie di cambiamenti nei tratti necessari per completare il lavoro di selezione naturale? Uno degli indizi è stato trovato quasi un secolo dopo che Darwin ha presentato la sua teoria. Nel 1953, quando James Watson e Francis Crick stavano svelando i misteri del DNA e della doppia elica, il biologo evoluzionista Conrad Waddington dell'Università di Edimburgo riferì che stimoli chimici esterni o cambiamenti di temperatura durante lo sviluppo embrionale potevano causare la comparsa di varie varianti della struttura alare in Drosophila. I cambiamenti che le azioni dello scienziato hanno causato negli organismi di una generazione sono stati successivamente trasmessi alla prole. Per spiegare questo meccanismo di rapido cambiamento, Waddington ha coniato il termine moderno epigenetica. Va notato che Waddington era consapevole del significato della sua scoperta per la teoria dell'evoluzione, anche prima che Watson e Crick deducessero i dati sulla struttura del DNA. I cambiamenti nella struttura delle ali di una generazione di Drosophila hanno confermato le idee originali dell'eretico Lamarck. Si è scoperto che l'ambiente è in grado di influenzare direttamente le caratteristiche dell'organismo.che l'ambiente può influenzare direttamente le caratteristiche dell'organismo.che l'ambiente può influenzare direttamente le caratteristiche dell'organismo.
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Sebbene Waddington descrisse il ruolo generale dell'epigenetica, non conosceva elementi e meccanismi molecolari più di Darwin o Lamarck. Ma più profonda è la biologia molecolare che decodifica il modo in cui funziona la vita, più significativi diventano i concetti di Waddington e di Lamarck. Infatti, la stragrande maggioranza dei fattori ambientali non può influenzare direttamente la sequenza molecolare del DNA, ma regolano molti meccanismi epigenetici che controllano le funzioni del DNA: attivano o estinguono l'espressione genica, determinano le modalità di espressione nelle cellule delle proteine - il prodotto dei nostri geni.
Oggi esiste una definizione precisa di epigenetica: è un insieme di fattori molecolari che determinano come funziona il DNA e quali geni si manifestano, indipendentemente dalla sequenza del DNA stesso. L'epigenetica include una serie di processi molecolari che influenzano in modo significativo l'attività del genoma senza modificare la sequenza del DNA nei geni stessi.
Uno dei processi più comuni di questo tipo è la metilazione del DNA, in cui componenti molecolari chiamati gruppi metilici (costituiti da metano) sono attaccati al DNA, che attivano e disattivano i geni e regolano l'espressione genica. È stato dimostrato che i fattori ambientali, come la temperatura e lo stress emotivo, possono alterare il corso della metilazione del DNA e i cambiamenti possono diventare parte di un programma permanente e iniziare ad essere ereditati dalle generazioni successive. Questo processo è noto come eredità epigenetica.
Un altro importante processo epigenetico scoperto negli ultimi anni è la modifica dell'istone. Gli istoni sono proteine che si attaccano al DNA e ne cambiano la struttura, e il DNA, a sua volta, si avvolge intorno agli istoni come perline su un filo. La combinazione di DNA e istoni è chiamata strutture della cromatina e le bobine, i loop e le corde della cromatina sono una risposta allo stress ambientale che può alterare in modo permanente l'espressione genica.
Più di recente, gli scienziati hanno documentato il processo di metilazione dell'RNA, in cui i gruppi metilici si attaccano alle molecole helper, alterando l'espressione genica e la produzione di proteine nelle generazioni successive. Inoltre, l'azione dei cosiddetti RNA non codificanti, piccole molecole di RNA che si legano a DNA, RNA e proteine, altera anche l'espressione genica indipendentemente dalla sequenza del DNA.
Tutti questi meccanismi di epigenetica sono fondamentali e svolgono un ruolo importante nella regolazione molecolare delle funzioni del DNA. Ne consegue che le norme della biologia non sono mai costruite solo su processi genetici o solo su processi epigenetici. Al contrario, i processi di genetica ed epigenetica sono intrecciati. Uno non funziona senza l'altro.
Secondo le leggi dell'epigenetica, affinché un cambiamento abbia un impatto sull'evoluzione, deve essere ereditato dalle generazioni successive sotto forma di sequenze di DNA o mutazioni geniche. Ma l'eredità epigenetica non è correlata a molte delle leggi di Mendel che si applicano alla genetica classica o alla teoria evoluzionistica neo-darwiniana. Secondo queste regole, le sequenze di DNA e i geni funzionano separatamente, come le particelle: durante la riproduzione, le "particelle" di un genitore vengono combinate casualmente con una coppia dell'altro genitore, il che porta all'emergere di una nuova sequenza di DNA e a una nuova manifestazione di tratti ereditari.
Al contrario, l'ereditarietà epigenetica si verifica quando la linea germinale (sperma o uovo) trasmette informazioni epigenetiche da una generazione all'altra, anche in assenza di fattori ambientali diretti a lungo termine. Questi fattori, come lo stress ambientale, sono particolarmente forti durante lo sviluppo embrionale, ad esempio, durante il periodo in cui gli organi riproduttivi del feto si trasformano in testicoli nei maschi e ovaie nelle femmine, al fine di produrre sperma e ovociti in età avanzata. In effetti, i fattori ambientali in questo momento critico possono indurre cambiamenti epigenetici permanenti attraverso la metilazione del DNA, le modificazioni degli istoni e il riarrangiamento degli RNA non codificanti.
Nel 2000, il mio team dell'Università di Washington ha ricevuto prove di questa forma di eredità non genetica ed è abbastanza convincente. I risultati, che il mio gruppo ha pubblicato su Science nel 2005, hanno dimostrato che le sostanze chimiche nell'ambiente possono promuovere la trasmissione di alcune malattie in tre generazioni di ratti e oltre, anche senza un'esposizione prolungata. Successivamente, cioè negli ultimi dieci anni, questo fenomeno è stato documentato da molti laboratori per varie specie. Un esempio è un rapporto di Graham Burdge e del suo team dell'Università di Southampton, nel Regno Unito, su come la sovralimentazione dei ratti abbia causato disordini metabolici epigenetici per tre generazioni a venire.
In un altro lavoro, Sibum Sung e colleghi dell'Università del Texas ad Austin hanno scoperto che la siccità e le fluttuazioni di temperatura causano l'evoluzione epigenetica delle piante, con conseguenti cambiamenti per generazioni nella loro crescita e fioritura. Secondo una serie di studi, lo stress ambientale può contribuire a cambiamenti epigenetici che vengono trasmessi alle generazioni successive e causare patologie in esse. Un recente studio condotto da Gerlinde Metz e dai suoi colleghi dell'Università di Lethbridge in Canada ha dimostrato che quando i ratti gravidi venivano privati della loro libertà di movimento o costretti a nuotare, si verificavano danni epigenetici che minacciavano i neonati. Questo stress generico ha innescato una catena di ereditarietà epigenetica di anomalie per diverse generazioni lungo la linea della femmina stressata. Il ruolo dello stress ambientale nell'eredità epigenetica delle malattie nel corso di diverse generazioni è ora supportato da molti altri studi.
L'eredità epigenetica sotto l'influenza di fattori ambientali è osservata in piante, insetti, pesci, uccelli, roditori, maiali e umani. Quindi, è un fenomeno molto persistente. È stato dimostrato che l'ereditarietà epigenetica transgenerazionale di vari tratti fenotipici e malattie si verifica nella maggior parte degli organismi in almeno dieci generazioni e gli studi più estesi hanno studiato centinaia di generazioni di piante. Ad esempio, anche Carlo Linneo nel 18 ° secolo notò che la fioritura nelle piante può essere causata da un aumento della temperatura, e in seguito si è scoperto che ciò è dovuto a modifiche della metilazione del DNA nella prima pianta della catena, e il tratto persiste per cento generazioni. Nei vermi, i segni causati dai cambiamenti nella nutrizione si estendono per oltre 50 generazioni. Nei mammiferi,ogni generazione di cui vive più a lungo, abbiamo scoperto deviazioni dalla norma causate dall'influenza delle tossine, diffondendosi alle dieci generazioni successive. La maggior parte di questi studi mostra che i tratti transgenerazionali continuano invece di degenerare. Anche nell'esperimento di Waddington con le mosche, si trattava di 16 generazioni, e tutte avevano proprietà alterate che continuano a essere trasmesse da una generazione all'altra fino ad oggi.che continuano a passare da una generazione all'altra fino ad oggi.che continuano a passare da una generazione all'altra fino ad oggi.
I cambiamenti nell'ambiente stanno letteralmente cambiando la biologia, e questo è ampiamente in linea con l'ipotesi di Lamarck. Anche se l'esposizione è di breve durata, le modificazioni biologiche che si manifestano in determinati tratti o malattie vengono trasmesse tra le generazioni.
L'ambiente gioca un ruolo essenziale nell'evoluzione. In un senso darwiniano, determina quali individui e specie sopravviveranno nell'inesorabile macchina della selezione naturale. Ma un gran numero di fattori ambientali può anche influenzare direttamente l'evoluzione e la biologia, cioè attraverso l'epigenetica: le proprietà del corpo possono cambiare sotto l'influenza della temperatura o della luce, o in risposta a parametri nutrizionali come una dieta ricca di grassi o una restrizione calorica. Una varietà di sostanze chimiche e tossine provenienti dalle piante e dall'ambiente in generale possono influenzare i cambiamenti fenotipici e la salute.
Un esempio che abbiamo studiato nel nostro laboratorio ha coinvolto gli effetti chimici sulla variabilità dei segni e della malattia. Abbiamo esaminato la capacità della tossina vinclozolina, il fungicida più comunemente usato in agricoltura, di influenzare i tratti attraverso cambiamenti epigenetici. Per prima cosa, abbiamo esposto una femmina di ratto incinta a questo fungicida, dopodiché abbiamo aspettato tre generazioni per la sua prole, non usando più la tossina. Quasi tutti i maschi hanno mostrato una diminuzione del numero e della vitalità degli spermatozoi e, con l'età, casi di infertilità. Abbiamo anche osservato una serie di altri stati di malattia sia nei maschi che nelle femmine, tre generazioni separate dall'esposizione diretta alla tossina. Tra queste condizioni c'erano anomalie nelle funzioni di testicoli, ovaie, reni, prostata, ghiandole mammarie e cervello. I corrispondenti cambiamenti epigenetici negli spermatozoi comportano cambiamenti nella metilazione del DNA e nell'espressione di RNA non codificanti.
Il nostro studio ha dimostrato che l'esposizione alla tossina vinclozolina ha portato alla selezione sessuale tre generazioni dopo. Per osservare la selezione sessuale, o preferenza del compagno, che è stata considerata la principale forza trainante dell'evoluzione da quando Darwin ha presentato la sua teoria, le femmine di altre cucciolate hanno avuto l'opportunità di scegliere tra la prole maschio dell'individuo esposto e altri maschi. Nella stragrande maggioranza dei casi, le femmine hanno scelto coloro che non avevano cambiamenti epigenetici transgenerazionali, cioè i maschi i cui antenati non erano stati colpiti dalla tossina. In altre parole, l'influenza del fungicida ha cambiato per sempre l'epigenetica dello sperma della prole, il che, a sua volta, indica la natura ereditaria delle caratteristiche della selezione sessuale, che, come sapete,cerca di ridurre la diffusione dei geni in una popolazione e influenza direttamente l'evoluzione su scala microevolutiva.
In un altro studio recente, abbiamo toccato la scala macroevolutiva dell'evoluzione: la speciazione. Uno dei classici esempi di speciazione sono i fringuelli di Darwin nelle Isole Galapagos. Un gruppo di fringuelli della stessa specie ha prodotto sedici nuove specie, che differivano per dimensioni e avevano variabilità in altri tratti, come la struttura del becco. Il nostro team ha deciso di esplorare cinque specie diverse. Abbiamo seguito le mutazioni della sequenza del DNA da una specie all'altra, ma il numero di cambiamenti epigenetici nella metilazione del DNA (epimutazioni) era più alto e più correlato alla distanza filogenetica tra le specie (pedigree). Sebbene attualmente vi sia maggiore enfasi sui concetti genetici neo-darwiniani, i nostri risultati suggeriscono che l'epigenetica gioca un ruolo nella speciazione e nell'evoluzione dei fringuelli di Darwin.
Il riconoscimento del ruolo dell'epigenetica nell'evoluzione continua a crescere. Uno studio interessante confronta il DNA di Neanderthal e umano e mostra chiaramente che le differenze genetiche sono nettamente meno pronunciate di quelle epigenetiche per quanto riguarda i cambiamenti nella metilazione del DNA nei genomi. In breve, combinare concetti neo-lamarckiani e neo-darwiniani in un'unica teoria fornisce una base molecolare molto più efficiente per l'evoluzione.
L'evoluzione è influenzata da meccanismi sia neo-darwiniani che neo-lamarckiani, e sembrano essere strettamente correlati. Infatti, poiché l'epigenetica ambientale può aumentare la variabilità dei tratti all'interno di una popolazione, amplia le possibilità di selezione naturale, in cui i tratti adattivi dominano tutti gli altri. L'evoluzione neo-darwiniana classica si basa sulla mutazione genetica e sulla variazione genica come meccanismo molecolare primario che crea diversità. A questi meccanismi si aggiunge il fenomeno dell'epigenetica, che aumenta direttamente il numero di variazioni dei tratti, che aumenta le possibilità dell'ambiente di diventare un mediatore nel processo di evoluzione e selezione naturale.
Un'ulteriore considerazione fondamentale per noi è la capacità dell'epigenetica di alterare la stabilità del genoma e, quindi, indurre direttamente quelle mutazioni genetiche che si osservano nella biologia del cancro. Tali mutazioni genetiche includono variazioni del numero di copie (il numero di ripetizioni di una breve sequenza di DNA) e mutazioni puntiformi (cambiamenti nei singoli nucleotidi al di fuori della sequenza di DNA) nelle generazioni successive. È noto che quasi tutte le mutazioni genetiche hanno precursori epigenetici - cambiamenti che aumentano il grado di suscettibilità alle mutazioni. Abbiamo osservato come l'impatto diretto dell'ambiente nella prima generazione non ha causato mutazioni genetiche, ma ha portato a cambiamenti epigenetici, e nelle generazioni successive è stato riscontrato un aumento del numero di mutazioni genetiche. Poiché l'epigenetica è associata alla variabilità di entrambi i tratti,così anche con le mutazioni, accelera il motore dell'evoluzione, cosa che non può essere fatta dai meccanismi darwiniani da soli.
Molti sono scettici nei confronti di una teoria dell'evoluzione unificata, soprattutto alla luce del paradigma del determinismo genetico, che ha influenzato le discipline biologiche per oltre 100 anni. Il determinismo genetico vede il DNA come l'elemento costitutivo di base della biologia e la sequenza del DNA come il controllo finale a livello molecolare.
Probabilmente la figura magica del determinismo genetico era il sequenziamento del genoma umano, il cui scopo era fornire una prova conclusiva del primato del gene. Secondo le previsioni, gli studi su tutto il genoma dovevano identificare i marcatori biologici di fenomeni di vita normali e anormali ed evidenziare i prerequisiti per le malattie. Ma dopo l'avvento del sequenziamento, l'ipotesi principale del determinismo genetico - l'affermazione che la maggior parte della biologia umana e delle malattie possono essere interpretate attraverso il prisma della genetica - non è stata confermata.
La genetica è stata studiata da molte generazioni di scienziati e dal pubblico, ma pochi si sono rivolti alla scienza relativamente nuova dell'epigenetica: in pratica, l'inclusione dell'epigenetica nello studio degli elementi molecolari della biologia e dell'evoluzione ha incontrato opposizione. Sia Watson, che ha avuto un ruolo nella scoperta della struttura del DNA, sia Francis Collins, il cui lavoro nel sequenziamento del genoma del DNA è stato significativo, inizialmente hanno messo in dubbio l'importanza del fattore epigenetico, ma oggi entrambi sono disposti in modo più favorevole. Francis Collins è ora il capo del National Institutes of Health degli Stati Uniti. Tuttavia, non sorprende che dopo 100 anni di determinismo genetico, molti stiano resistendo ai cambiamenti di paradigma.
Un mese dopo aver presentato una teoria unificata dell'evoluzione, pubblicata su Genome Biology and Evolution nel 2015, David Penny della Massey University in Nuova Zelanda ha suggerito che l'epigenetica è semplicemente una componente genetica sui tratti ereditari. Altre recenti pubblicazioni, come un articolo di Emma Whitelaw dell'Università La Trobe in Australia, hanno messo in discussione il concetto di eredità epigenetica lamarckiana nei mammiferi.
Nonostante l'opposizione, sono convinto che siamo arrivati a un punto in cui è imminente un cambio di paradigma. Il riconoscimento che l'epigenetica ha svolto un ruolo nell'evoluzione non smentisce l'importanza della genetica. Chiunque prenda in considerazione le idee neo-lamarckiane non sta affatto sfidando la teoria neodarwiniana classica. Gli insegnamenti riconosciuti sono importanti e accurati, ma sono pezzi di materiale più ampio e dettagliato che espande la nostra comprensione integrando tutte le nostre osservazioni in un insieme coerente. La teoria unificata mostra come l'ambiente influenza simultaneamente la diversità fenotipica e semplifica la selezione naturale, come mostrato nel diagramma sopra.
Sempre più biologi evoluzionisti stanno mostrando un crescente interesse per il ruolo dell'epigenetica, sono già stati creati numerosi modelli matematici che combinano genetica ed epigenetica in un unico sistema, e questo lavoro ha dato i suoi frutti con interesse. Considerare l'epigenetica come un meccanismo molecolare complementare aiuta a comprendere fenomeni come la deriva genica, l'assimilazione genetica (quando un tratto sviluppato in risposta alle condizioni ambientali viene infine codificato nei geni) e persino la teoria dell'evoluzione neutra, secondo la quale si verificano la maggior parte dei cambiamenti non in risposta alla selezione naturale, ma per caso. Introducendo un meccanismo molecolare espanso per l'osservazione da parte dei biologi, i nuovi modelli creano uno scenario più profondo, più fine e più accurato per l'evoluzione complessiva.
Presi insieme, questi dati ci impongono di ripensare al vecchio standard, il determinismo genetico, alla ricerca di lacune. Nel 1962 Thomas Kuhn suggerì che quando sorgono anomalie nel paradigma attuale, è necessario prestare attenzione alle nuove conoscenze: è così che nasce la rivoluzione scientifica.
Una teoria dell'evoluzione unificata dovrebbe combinare aspetti neo-darwiniani e neo-lamarckiani per ampliare la nostra comprensione di come l'ambiente influenza il processo evolutivo. Per il bene di Darwin, non si può scartare il contributo di Lamarck oltre 200 anni fa. Al contrario, deve essere preso in considerazione per creare una teoria più convincente e completa. Allo stesso modo, la genetica e l'epigenetica non possono essere viste come aree di conflitto; al contrario, dovrebbero essere combinate per ottenere una gamma più ampia di fattori molecolari e con il loro aiuto spiegare cosa guida la nostra vita.
