L’origine dei piani corporei: l’informazione che non sta nel DNA

Percorso: Fossili e Cambriano
Modulo 6

Prerequisiti:
Modulo 5
Guida alla lettura
Disclaimer

Introduzione: dove si trova davvero il progetto di un animale

Nel modulo 5 abbiamo contato l’informazione genetica necessaria per costruire un animale cambriano. Il conto era severo, ma restava dentro un’assunzione che quasi nessuno mette in discussione: che il progetto di un animale stia scritto nel suo DNA. Questo modulo la mette in discussione, sulla base di due filoni di risultati che vengono da laboratori di biologia dello sviluppo mainstream.

Il primo riguarda le reti di regolazione genica dello sviluppo, i circuiti di controllo che governano l’embriogenesi. Il biologo che li ha mappati meglio di chiunque altro, Eric Davidson del California Institute of Technology, ha passato quindici anni a ripetere una cosa scomoda: i nodi più profondi di queste reti non tollerano perturbazioni. Toccarli non produce un piano corporeo diverso, produce un embrione morto.

Il secondo riguarda l’informazione epigenetica in senso strutturale: non la metilazione del DNA di cui si parla nei giornali, ma l’architettura tridimensionale della cellula — gradienti citoplasmatici, citoscheletro, pattern di canali ionici — che dirige lo sviluppo e viene trasmessa da cellula madre a cellula figlia senza passare per la sequenza del DNA.

Insieme portano a una conclusione dalla struttura logica netta: se una parte dell’informazione che specifica la forma di un animale non risiede nei geni, mutare i geni non può bastare a cambiare quella forma — non per improbabilità, ma per una questione di indirizzo. Le mutazioni genetiche sono, come scrive Stephen Meyer, lo strumento sbagliato per il lavoro da svolgere. Un avvertimento: i due scienziati al centro del modulo non sostengono il disegno intelligente. Davidson era un evoluzionista convinto; Michael Denton è antidarwiniano sul meccanismo, ma è uno strutturalista, non un creazionista, e accetta la discendenza comune.

1. Che cos’è un piano corporeo e perché si decide molto presto

Un piano corporeo (in inglese body plan, in tedesco Bauplan) è l’architettura generale di un animale: quali assi ha il corpo, se è segmentato e come, dove stanno le cavità interne, come sono disposti gli organi. È il livello che definisce i phyla: fra artropodi, molluschi, cordati ed echinodermi la differenza non è di dettaglio ma di schema.

La biologia dello sviluppo — la disciplina che studia l’ontogenesi, il processo che porta dall’uovo fecondato all’adulto — ha chiarito un punto decisivo: il piano corporeo non viene costruito alla fine dello sviluppo, ma stabilito all’inizio. Lo sviluppo è una rete di decisioni che si allarga a ventaglio, e quelle a monte pesano enormemente più di quelle a valle, perché ogni ramificazione presuppone le precedenti. Nel moscerino della frutta Drosophila melanogaster, quando entrano in gioco i geni che regionalizzano il corpo si sono già formate circa 6.000 cellule e gli assi anteriore, posteriore, dorsale e ventrale sono già stabiliti.

La conseguenza è riconosciuta da decenni: i genetisti evoluzionisti Bernard John e George Miklos hanno scritto che il cambiamento macroevolutivo richiede cambiamenti “nelle primissime fasi dell’embriogenesi”, e Keith Thomson, già a Yale, è arrivato alla stessa conclusione. Le mutazioni tardive intervengono quando i contorni del piano corporeo sono fissati: cambiano colore, dimensione o dettaglio di una struttura, non l’architettura.

2. Le reti di regolazione genica dello sviluppo

Dai geni ai circuiti

Nel 1969, su Science, il biologo molecolare Roy Britten ed Eric Davidson pubblicarono un articolo teorico dal ragionamento semplice: durante lo sviluppo si formano decine o centinaia di tipi cellulari specializzati, ogni cellula contiene lo stesso genoma, quindi deve esistere un sistema di controllo che decide quali geni si esprimono, dove e quando. Dei meccanismi molecolari si sapeva allora pochissimo, ma la logica del sistema doveva esserci.

Davidson passò il resto della carriera a mapparla, scegliendo come sistema modello il riccio di mare viola Strongylocentrotus purpuratus. Quello che emerse è un circuito: le regioni non codificanti del genoma, che regolano tempi e livelli di espressione, e quelle codificanti funzionano insieme come una rete integrata di interruttori, che Davidson chiamò developmental gene regulatory network, in sigla dGRN. Un fattore di trascrizione si lega a un sito del DNA e attiva o reprime un altro gene, il cui prodotto fa lo stesso con altri geni ancora: il momento in cui un segnale parte dipende dal momento in cui ne è arrivato un altro. Per esprimere i geni che costruiscono lo scheletro larvale del riccio, i geni molto a monte, attivi molte ore prima, devono già aver fatto il loro lavoro.

Una gerarchia, non un elenco

La caratteristica decisiva delle dGRN è l’organizzazione gerarchica. Alcune sottoreti controllano altre sottoreti, altre agiscono solo sui geni terminali; al centro stanno i circuiti che specificano gli assi e la forma globale del corpo, alla periferia quelli che specificano caratteri di scala minore. La periferia, entro certi limiti, varia. Il centro no: i nodi profondi delle dGRN non variano senza effetti catastrofici. Le mutazioni che li colpiscono portano, scrive Davidson, a “una perdita catastrofica della parte del corpo o alla perdita totale della vitalità”.

L’interruzione di un sottocircuito della dGRN ha sempre una conseguenza osservabile. Poiché queste conseguenze sono sempre catastrofiche, la flessibilità è minima e poiché i sottocircuiti sono tutti interconnessi, l’intera rete possiede la qualità di funzionare in un solo modo. E infatti gli embrioni di ogni specie si sviluppano in un solo modo.

La ragione è ingegneristica: più un sistema è funzionalmente integrato, più è difficile modificarne una parte senza danneggiare il tutto. Cambiare il colore della vernice di un’auto non richiede altro; cambiare la lunghezza delle bielle richiede di cambiare anche l’albero motore.

Davidson non argomentava contro l’evoluzione in quanto tale, ma contro una specifica spiegazione dell’origine dei piani corporei, e lo faceva da dentro la comunità evoluzionista. Nel 2011, su Developmental Biology, scriveva che la teoria neodarwiniana “presuppone erroneamente che il cambiamento nella sequenza di codifica delle proteine sia la causa fondamentale del cambiamento nel programma di sviluppo” e che il cambiamento del piano corporeo “avvenga attraverso un processo continuo”: “Tutte queste ipotesi sono fondamentalmente controfattuali.” Il problema lo poneva lui.

3. Il paradosso: le mutazioni che servirebbero sono letali, quelle tollerate non servono

Da Thomas Hunt Morgan, che a inizio Novecento mutava sistematicamente i moscerini, fino agli screen di mutagenesi su decine di specie modello, il risultato ha una regolarità impressionante: le mutazioni che colpiscono la formazione del piano corporeo e si esprimono precocemente danneggiano l’organismo. Ronald Fisher, uno dei fondatori del neodarwinismo, lo aveva già registrato: tali mutazioni hanno effetti “decisamente patologici (il più delle volte letali)”, oppure producono organismi che non sopravvivono allo stato selvatico.

Christiane Nüsslein-Volhard ed Eric Wieschaus identificarono i geni che controllano la segmentazione di Drosophila e poi i morfogeni, molecole che si distribuiscono a gradiente e informano le cellule sulla propria posizione: fra questi Bicoid, che stabilisce l’asse testa-coda. Perturbando queste molecole precoci lo sviluppo si arresta, e le mutazioni nel gene di Bicoid producono embrioni morti. Interrogato sulle implicazioni evolutive, Wieschaus rispose: “Pensiamo di aver individuato tutti i geni necessari per specificare il piano corporeo della Drosophila, eppure questi risultati non sono ovviamente promettenti come materia prima per la macroevoluzione. Quali sarebbero le mutazioni giuste per un grande cambiamento evolutivo? Non conosciamo la risposta.”

Quando la mutazione arriva a metà sviluppo, l’esito tipico non è la morte ma la mostruosità inutile. Una mutazione nel gene regolatore Ultrabithorax produce un moscerino con un paio di ali in più: sembrerebbe un’innovazione, ma l’insetto non può volare, perché gli manca la muscolatura per usarle e ha perso i bilancieri.

Il genetista John F. McDonald ha battezzato la situazione “il grande paradosso darwiniano”: i loci evidentemente variabili nelle popolazioni naturali non sembrano essere alla base della macroevoluzione, mentre quelli che verosimilmente lo sono non variano, o variano solo a danno dell’organismo. Il filosofo della biologia Paul Nelson ha condensato la difficoltà in tre premesse:

1. I piani corporei sono costruiti in ogni generazione dall’uovo fecondato all’adulto, e le prime fasi determinano ciò che segue.
2. Perciò, per far evolvere un piano corporeo, servono mutazioni espresse nelle prime fasi dello sviluppo, vitali e stabilmente ereditabili.
3. Ma le mutazioni precoci con effetto globale sono proprio quelle che l’embrione tollera meno, e non ne è mai stata osservata una tollerata e vantaggiosa in nessun animale studiato.

Nelson discusse per anni queste premesse con due membri della sua commissione di dottorato all’Università di Chicago, il biologo evoluzionista Leigh Van Valen e il filosofo della biologia William Wimsatt: entrambi gli riconobbero che la letteratura non offre esempi di mutazioni precoci valide che modifichino il piano corporeo, e restarono comunque convinti della discendenza comune per mutazioni non dirette di qualche tipo. Il disaccordo non era sui fatti, ma su che cosa concluderne.

In forma compatta: il tipo di mutazioni di cui l’evoluzione avrebbe bisogno per cambiare un piano corporeo non si osserva; il tipo che si osserva non cambia il piano corporeo.

4. L’informazione che non sta nella sequenza del DNA

Nel 1924 due scienziati tedeschi, Hans Spemann e Hilde Mangold, asportarono con la microchirurgia una porzione di embrione di tritone e la trapiantarono in un altro embrione. Il secondo sviluppò due corpi, ciascuno con testa e coda, uniti al ventre: avevano modificato drasticamente l’anatomia senza toccare il DNA. Negli anni Trenta e Quaranta Ethel Harvey mostrò che embrioni di riccio di mare privati del nucleo si sviluppavano fino a circa 500 cellule; negli anni Sessanta ricercatori belgi bloccarono chimicamente la trascrizione del DNA in embrioni di anfibio, che raggiunsero comunque diverse migliaia di cellule. Nessuno di questi esperimenti dice che si possa fare a meno del DNA, necessario in tutti i casi per completare lo sviluppo: dicono che le prime fasi sono dirette anche da altro.

Nel 2003 la MIT Press ha pubblicato Origination of Organismal Form: Beyond the Gene in Developmental and Evolutionary Biology, a cura di Gerd Müller e Stuart Newman. La tesi dei curatori è che “l’informazione dettagliata a livello del gene non serve a spiegare la forma”: l’informazione “epigenetica” o “contestuale” è decisiva nello sviluppo e deve esserlo stata anche nell’origine dei piani corporei.

Attenzione al vocabolario, perché è la fonte principale di equivoci. Nel linguaggio comune “epigenetica” indica quasi sempre metilazione del DNA e modificazioni degli istoni, cioè marcature chimiche sul DNA. Qui si intende altro: informazione immagazzinata nelle strutture tridimensionali della cellula. Il prefisso greco epi significa “sopra”, “oltre”.

Gradienti citoplasmatici materni e bersagli di membrana

Nello sviluppo precoce di Drosophila, le cellule nutrici pompano nell’uovo gli RNA messaggeri di Bicoid e Nanos, prodotti dal genoma materno; le matrici del citoscheletro li trasportano fino a bersagli specifici sulla superficie interna dell’uovo. Solo una volta agganciati là, e non altrove, i due formano i gradienti — Bicoid all’estremità anteriore, Nanos alla posteriore — che orientano l’asse testa-coda. Sono prodotti genici, ma la sequenza dei geni bicoid e nanos non dice dove quelle molecole andranno a finire: lo dicono i bersagli di membrana, già in posizione prima che il trasporto avvenga.

Citoscheletro e centrosoma

Le cellule eucariotiche hanno uno scheletro interno di filamenti, fra cui i microtubuli, la cui disposizione influenza il pattern dell’embrione, perché distribuisce proteine essenziali in punti precisi. I microtubuli sono fatti di tubulina, codificata dal genoma, ma le subunità di tubulina in una cellula sono identiche fra loro: non sono quindi né le subunità né i loro geni a spiegare perché la matrice abbia una forma in un tipo di embrione e un’altra altrove. Come osserva Jonathan Wells, ciò che conta è la forma e la posizione della matrice, e nessuna delle due è determinata dalle unità che la compongono; il biologo cellulare Franklin Harold aggiunge che è impossibile prevedere la struttura del citoscheletro dalle proprietà delle sue proteine.

A monte c’è il centrosoma, l’organello da cui si dipartono i microtubuli. Si duplica a ogni divisione e ogni cellula figlia ne eredita uno, ma non contiene DNA: i centrioli si replicano indipendentemente dalla replicazione del DNA, e il centriolo figlio riceve la propria forma dalla struttura del centriolo madre.

Canali ionici e campi bioelettrici

Le membrane sono attraversate da canali ionici. Una pompa alimentata da ATP espelle tre ioni sodio per ogni due ioni potassio che entrano; poiché entrambi sono positivi, la differenza netta genera un campo elettrico attraverso la membrana. Questi campi hanno effetti morfogenetici documentati: perturbarli in modo mirato interrompe lo sviluppo normale, campi applicati artificialmente guidano la migrazione cellulare, la corrente continua può influenzare l’espressione genica. I canali sono fatti di proteine codificate dal DNA; il loro pattern nella membrana no. E i contorni del campo dipendono da dove sono i canali, non da come sono fatti.

5. Perché questa informazione non è “scritta nei geni”

L’obiezione immediata, e legittima, è: tutte queste strutture sono fatte di proteine, e le proteine sono prodotti genici. È la risposta “gene-centrica”, e ha una parte di ragione: senza i geni giusti nessuna di queste strutture esiste. I prodotti genici sono condizione necessaria. Non sono condizione sufficiente, per tre ragioni.

Primo: la posizione non è nel pezzo. Meyer usa un’immagine efficace: la posizione dei ponti sulla Senna non è determinata dalle proprietà delle pietre di cui sono fatti. Le stesse subunità di tubulina compongono matrici di forma diversa; gli stessi canali ionici, disposti diversamente, generano campi bioelettrici diversi. La funzione dipende dalla disposizione, e la disposizione non è nella sequenza.

Secondo: la forma viene ereditata per una via diversa dal DNA. È il punto empiricamente più forte e viene dai ciliati, protisti unicellulari con una corteccia finemente strutturata. Dai lavori di Tracy Sonneborn agli esperimenti di Joseph Frankel su Tetrahymena, pubblicati su Genetics nel 1980, si è dimostrato che la microchirurgia sulla corteccia di un ciliato — per esempio invertendo l’orientamento di una fila di ciglia — produce alterazioni che le cellule figlie ereditano, generazione dopo generazione, senza alcuna modifica del DNA. Il pattern corticale non viene ricostruito ogni volta dal genoma: viene copiato dalla struttura preesistente. La cellula eredita non solo geni, ma anche una geografia. Lo stesso vale per i pattern proteici di membrana, trasmessi dalla membrana madre alla figlia durante la divisione, e per i centrioli.

Terzo: il contesto determina l’esito. Molte proteine intrinsecamente disordinate si ripiegano in modi diversi a seconda del contesto cellulare, e molti bersagli di membrana sono complessi multiproteici che non si auto-organizzano da soli nella configurazione corretta.

La conclusione onesta non è che il DNA non conti, ma che la forma di una cellula, e quindi di un embrione, emerge in ogni generazione dall’incontro fra prodotti genici e un’organizzazione tridimensionale preesistente che i prodotti genici non specificano. Ogni cellula viene da una cellula, e porta con sé la propria architettura.

Un limite dell’argomento va segnalato: la ricerca sull’informazione strutturale è molto meno matura di quella sulla sequenza, e quanta informazione ci sia in un pattern corticale nessuno lo sa quantificare. L’argomento è qualitativo e logico, non quantitativo: dice dove il meccanismo non può arrivare, non di quanto manchi.

6. La conseguenza logica: mutare i geni non basta neppure in linea di principio

Costruire un nuovo piano corporeo richiede (a) nuovi geni e nuove proteine, (b) nuove dGRN che li coordinino, (c) nuova informazione epigenetica strutturale che stabilisca il contesto in cui reti e proteine operano.

Sul punto (a) il problema è di probabilità, ed è quello del modulo 5. Sul punto (b) è di integrazione: costruire una dGRN nuova da una preesistente richiede di alterare la preesistente, e alterarne i nodi profondi è catastrofico. Sul punto (c) il problema è di natura diversa e più radicale: le mutazioni del DNA generano, nel migliore dei casi, nuova informazione genetica; per definizione non possono generare informazione che non risiede nel DNA.

È un argomento categoriale, non statistico. Non dice che è improbabile: dice che è lo strumento sbagliato. Si possono mutare sequenze all’infinito e non si otterranno per questa via né una diversa posizione dei bersagli di membrana, né un diverso pattern corticale, né un diverso campo bioelettrico, perché quelle cose non sono scritte lì.

Il problema non si risolve neppure mutando le strutture epigenetiche stesse. Per una ragione tecnica: citoscheletri e pattern di membrana sono molto più grandi di una base nucleotidica e non sono bersagli tipici di radiazioni e agenti chimici. E per una ragione funzionale: nella misura in cui li si può alterare, l’alterazione è quasi certamente dannosa — l’esperimento di Spemann e Mangold è un’alterazione forzata di un deposito di informazione epigenetica, e l’embrione risultante non aveva alcuna possibilità di sopravvivere in natura. Nei sistemi altamente integrati, i punti in cui si potrebbe cambiare qualcosa di rilevante sono quelli che non tollerano cambiamenti.

7. Denton e lo strutturalismo: forme discrete, non punti di un continuum

Michael Denton, biochimico, ha riproposto in Evolution: Still a Theory in Crisis (2016) una tradizione di pensiero più antica di Darwin. Il funzionalismo sostiene che l’ordine organico deriva dall’adattamento: gli organismi sono assemblaggi contingenti di parti selezionate per svolgere funzioni, e la funzione precede e determina la struttura. È la posizione darwiniana, oggi dominante. Lo strutturalismo sostiene invece che una parte significativa dell’ordine biologico deriva da vincoli interni — “leggi della forma”, come si diceva nell’Ottocento — legati alle proprietà fisiche dei sistemi viventi: qui la struttura precede e vincola la funzione. Un esempio elementare è la membrana cellulare, che si organizza in doppio strato per il carattere idrofobico dei lipidi, cioè per legge fisica e non per un fine adattativo. La tesi è che qualcosa di analogo, su scala maggiore, valga per i piani corporei: che i Tipi di base della vita siano un insieme limitato di forme stabili, come le leggi della forma cristallina limitano i cristalli a un numero finito di geometrie legittime.

Se i tipi sono forme discrete, le discontinuità fra i grandi gruppi non sono lacune di campionamento: sono reali. Denton sostiene da quarant’anni che i taxa sono analoghi a figure geometriche distinte — triangoli, quadrilateri — a cui non ci si può avvicinare per piccoli passi successivi partendo da un’altra classe di figure. La natura, nella sua formulazione, è un “discontinuum” di tipi isolati, non il continuum funzionale che il gradualismo richiede.

L’argomento empirico è quello degli omologhi che definiscono i taxa: la notocorda dei cordati, la colonna vertebrale dei vertebrati, l’arto pentadattilo dei tetrapodi, i vortici concentrici del fiore nelle angiosperme. Sono novità che compaiono e poi restano invarianti in tutti i membri del gruppo per centinaia di milioni di anni, senza serie documentate di forme intermedie funzionali; Rupert Riedl ne contava oltre centomila, e Günter Wagner, uno dei principali ricercatori evo-devo, si è chiesto se gli omologhi non siano “tipi naturali”. Denton aggiunge che molte di queste novità hanno l’aria di essere modelli primari a-funzionali, schemi che non sembrano mai aver servito uno scopo adattativo specifico: Richard Owen parlava di “maschere adattative” innestate su piani di base, e anche Gould registrava la tensione fra organismi ben adattati e piani anatomici che “trascendono qualsiasi circostanza particolare”.

È essenziale non travisare la posizione di Denton. Non è un creazionista e non nega la discendenza comune: la accetta e la considera anzi deducibile proprio dall’invarianza degli omologhi. Non sostiene un intervento puntuale su singoli organismi: la sua proposta è che i tipi siano attualizzati da processi naturali guidati da leggi della forma iscritte nella natura fin dall’inizio. E riconosce i limiti della propria posizione: lo strutturalismo, scrive, non potrà mai dare una spiegazione causale completa di tutto l’ordine organico, perché l’ordine adattativo secondario resta fuori dal suo quadro. “Lo strutturalismo NON è una teoria biologica di tutto.”

Perché allora includerlo? Perché strutturalismo e dati sullo sviluppo convergono su un punto: le forme animali si comportano come stati discreti, non come punti di un continuo percorribile a piccoli passi. Le dGRN dicono perché, meccanicamente, un piano corporeo non può scivolare gradualmente in un altro; Denton dice che il quadro tassonomico osservato è quello che ci si aspetterebbe se le cose stessero così.

8. Perché tutto questo aggrava il problema del Cambriano

Nei moduli precedenti abbiamo visto la comparsa geologicamente improvvisa dei phyla (modulo 1), la qualità dei giacimenti che esclude l’ipotesi dell’artefatto conservativo (modulo 2) e il conflitto fra orologi molecolari e fossili (modulo 3).

Questo modulo cambia la prospettiva sul che cosa debba comparire. L’esplosione del Cambriano non è la comparsa di forme adulte: è la comparsa di programmi di sviluppo, cioè geni regolatori ad azione precoce, reti di regolazione genica dello sviluppo e contesti epigenetici che le rendono operative. Le forme adulte sono l’output; quello che deve nascere è il sistema di controllo. E le architetture di sviluppo che compaiono in blocco nel Cambriano sono, per tutto quanto sappiamo sperimentalmente, esattamente quelle più refrattarie alla modifica: se né i geni regolatori precoci né le dGRN possono essere alterati senza distruggere il programma esistente, mutarli lascia la selezione naturale senza nulla di favorevole da selezionare.

Non è una lettura di parte. Douglas Erwin, paleontologo dello Smithsonian, ha lavorato per anni con Davidson proprio su questo, e la loro conclusione congiunta è che i requisiti per la costruzione de novo dei piani corporei animali “non possono essere soddisfatti dalla teoria microevolutiva né da quella macroevolutiva” — dove per macroevolutiva intendono anche l’equilibrio punteggiato e la selezione di specie, esaminati nel modulo 4. Erwin insiste su un’asimmetria: gli eventi di sviluppo più significativi della radiazione cambriana “hanno coinvolto la proliferazione di tipi cellulari, gerarchie di sviluppo e cascate epigenetiche”, e la differenza cruciale rispetto agli eventi successivi è che i primi “hanno comportato la creazione di questi modelli di sviluppo, non la loro modifica”.

Da queste premesse i due tracciano un profilo: la causa dell’esplosione doveva generare nuove forme rapidamente, produrre un pattern di comparsa dall’alto verso il basso e costruire — non solo modificare — circuiti integrati complessi; e doveva essere diversa da qualunque processo biologico oggi osservabile nelle popolazioni viventi. Da qui le strade divergono. Erwin e Davidson, che non sono amici del disegno intelligente, ritengono che la causa vada cercata in processi naturali non ancora identificati. I teorici dell’ID osservano che quel profilo coincide con ciò che sappiamo produrre solo da parte di agenti intelligenti, e propongono l’inferenza alla migliore spiegazione. Come ricordiamo sempre su questo sito, quella conclusione è una deduzione logica e filosofica basata su dati empirici, non un risultato sperimentale, e va tenuta distinta dai dati su cui poggia.

9. Obiezioni

«L’evo-devo ha già spiegato l’origine dei piani corporei con i geni Hox»

I geni Hox (o omeotici) regolano l’espressione di molti altri geni durante lo sviluppo, e poiché influenzano moltissimi geni a valle è naturale pensare che mutazioni in essi generino cambiamenti di forma su larga scala. Jeffrey Schwartz, dell’Università di Pittsburgh, ha costruito su questa idea il suo Sudden Origins: riconosce le discontinuità del registro fossile e propone le mutazioni omeotiche come spiegazione, scrivendo che il potenziale evolutivo dei geni omeobox “sembrerebbe quasi insondabile”. Va riconosciuto che l’evo-devo ha spiegato benissimo alcune cose, come le differenze morfologiche fra specie vicine ottenute cambiando dove e quando un gene viene espresso. Sull’origine dei piani corporei, però, l’obiezione non regge, per quattro ragioni.

Sperimentale. Le mutazioni Hox indotte si sono rivelate dannose: William McGinnis e Michael Kuziora riportano che nei moscerini la maggior parte delle mutazioni omeotiche causa difetti fatali alla nascita, e quando il mutante è vitale è nettamente meno adatto, come il celebre Antennapedia, con zampe al posto delle antenne, che non sopravvive in natura. Il biologo evoluzionista Eörs Szathmáry, su Nature, osserva che macromutazioni di questo tipo “sono probabilmente spesso disadattive”.

Cronologica, ed è la ragione decisiva: i geni Hox si esprimono dopo che il piano corporeo è già stato impostato. Davidson ed Erwin hanno sottolineato che l’espressione Hox è necessaria per la differenziazione regionale dentro un piano corporeo, ma avviene molto dopo la specificazione globale del piano, governata da geni completamente diversi. I Hox regionalizzano; non fondano.

Informativa. I geni Hox codificano proteine che funzionano da interruttori, non le informazioni per costruire le parti strutturali. Szathmáry, recensendo Schwartz, lo dice senza giri di parole: i geni omeobox sono geni selettori, non possono fare nulla se non ci sono i geni che regolano.

Epigenetica. Le mutazioni Hox alterano geni, quindi generano al massimo nuova informazione genetica. Anzi, la dipendenza sembra andare nella direzione opposta: lo stesso gene Hox regola strutture non omologhe in phyla diversi. Distal-less è necessario per le zampe articolate degli artropodi, il suo omologo Dlx nei vertebrati contribuisce a un arto non omologo, un altro omologo negli echinodermi regola pedicelli e spine. È il contesto organismico a decidere che cosa quel gene faccia.

«I moduli di sviluppo si riorganizzano: la plasticità è documentata»

È la replica più seria, formulata da Charles Marshall, paleontologo di Berkeley, recensendo Darwin’s Doubt su Science. Marshall sostiene che i nuovi phyla non sono stati creati da geni nuovi ma sono emersi in gran parte dal “ricablaggio” delle reti di regolazione di geni già esistenti, e che la rigidità odierna non prova nulla sul passato: “le GRN di oggi sono state ricoperte da mezzo miliardo di anni di innovazione evolutiva, mentre le GRN al momento della comparsa dei phyla non erano così ingombrate”. È un’obiezione ragionevole, perché nessuno ha osservato una dGRN cambriana. Ci sono però tre difficoltà.

La prima è che il “ricablaggio” non è gratuito dal punto di vista informativo: cambiare la disposizione di nodi e connessioni in una rete di controllo significa fissare certi stati ed escluderne altri, e nella teoria dell’informazione questo è generare informazione. Il problema non viene eliminato, viene spostato da un tipo di informazione a un altro, in parte non genetico.

La seconda è che l’ipotesi delle dGRN antiche più labili non ha riscontri: nessuna rete di regolazione labile è mai stata descritta in un sistema funzionale. E c’è una ragione concettuale per dubitarne: le dGRN sono sistemi di controllo, e un sistema di controllo labile produce uscite variabili, cioè fa l’opposto di ciò che deve fare. Lo stesso Davidson, parlando di ipotetiche dGRN labili, ammetteva che si specula “laddove nessuna dGRN moderna fornisce un modello”.

La terza è che Marshall stesso, in un lavoro con Neil Shubin, ha registrato il fenomeno da spiegare: molti caratteri evolutisi durante l’origine dei phyla non sono più in grado di cambiare, perché la variazione selezionabile è assente — i caratteri sono invarianti, oppure i mutanti che la portano sono sterili o letali.

Resta un punto a favore dell’obiezione: l’argomento è qui un’inferenza dall’osservato al non osservato. Se venisse descritta una rete di regolazione genuinamente riconfigurabile in un animale vitale, la premessa empirica si indebolirebbe parecchio.

«L’ereditarietà epigenetica è marginale rispetto al DNA»

Vanno separate due cose che il dibattito pubblico confonde. La prima è l’ereditarietà epigenetica in senso stretto: metilazione del DNA, modificazioni della cromatina, meccanismi mediati da piccoli RNA, di cui Eva Jablonka ha raccolto le prove più complete. Qui l’obiezione ha ragione, e vale anche contro chi vorrebbe usare l’epigenetica come motore evolutivo alternativo: la macroevoluzione richiede cambiamenti permanentemente ereditabili, ma nei dati sugli animali non compare alcun caso in cui un cambiamento epigenetico indotto sia persistito in modo permanente in una popolazione. L’ereditabilità è transitoria — da poche generazioni fino a una quarantina — e Jablonka lo riconosce, definendo il significato evolutivo dell’ereditarietà epigenetica “inevitabilmente, un po’ speculativo”.

La seconda è l’informazione epigenetica strutturale, tema di questo modulo, e qui l’obiezione non si applica. Non sono marcature chimiche che si accendono e si spengono, ma l’architettura tridimensionale della cellula, che è stabilissima: si trasmette invariata di generazione in generazione e proprio per questo non produce innovazione. Gli stessi dati di Jablonka lo confermano: quando negli animali si osserva ereditarietà non genetica, si tratta o di strutture che non cambiano, come i pattern di membrana, o di modifiche che non durano. L’informazione strutturale non è dunque marginale nello sviluppo, ma è inservibile come sorgente di variazione — la stessa forma logica del paradosso delle dGRN.

«Davidson non traeva conclusioni sul design»

L’obiezione è corretta nella premessa, e va accolta senza riserve. Eric Davidson non era un sostenitore del disegno intelligente, non ha mai scritto che le sue scoperte lo suggerissero, e sarebbe scorretto presentarlo come un alleato. Lo stesso vale per Erwin, Müller, Newman, Wagner, Jablonka, Marshall, Nüsslein-Volhard e Wieschaus, tutti citati qui.

Ma sono in gioco due affermazioni distinte. La prima: il meccanismo neodarwiniano non spiega l’origine dei piani corporei animali. La seconda: la migliore spiegazione disponibile per quell’origine è una causa intelligente. La prima è di Davidson, documentata nelle sue parole — la teoria standard “dà luogo a errori letali”, le sue assunzioni sono “fondamentalmente controfattuali” — e il fatto che a formularla sia un evoluzionista di primo piano la rende più credibile, non meno: chi la contesta deve contestarla nel merito. La seconda è di Meyer, è un’inferenza ulteriore che Davidson non ha fatto, e va difesa per conto proprio. Confondere le due sarebbe un’appropriazione indebita; e vale la simmetrica, perché liquidare una difficoltà tecnica reale solo perché a segnalarla è qualcuno con simpatie per il design è lo stesso errore rovesciato.

Concetti chiave

1. Il piano corporeo si stabilisce all’inizio dello sviluppo, non alla fine. Le decisioni embriologiche precoci vincolano tutto ciò che segue: solo mutazioni espresse presto possono modificare l’architettura di un animale.
2. Le reti di regolazione genica dello sviluppo sono gerarchiche, e i loro nodi profondi non variano. Perturbare i sottocircuiti centrali produce perdita di parti del corpo o perdita totale di vitalità: alla periferia c’è flessibilità, al centro no.
3. Il paradosso è simmetrico: le mutazioni necessarie sono letali, quelle tollerate sono irrilevanti. Un secolo di mutagenesi su moscerini, nematodi, ricci di mare, rane e topi non ha prodotto una sola mutazione precoce, vantaggiosa ed ereditabile che modifichi un piano corporeo.
4. Parte dell’informazione che specifica la forma non è nella sequenza del DNA. Gradienti citoplasmatici materni, bersagli di membrana, citoscheletro, centrosomi e pattern di canali ionici sono fatti di prodotti genici, ma la loro disposizione non è codificata nei geni.
5. Questa informazione strutturale viene ereditata per una via diversa dal genoma. Nei ciliati, alterazioni chirurgiche della corteccia cellulare si trasmettono alle cellule figlie senza alcuna modifica del DNA: la forma viene copiata dalla forma preesistente.
6. Se una parte dell’informazione non sta nei geni, mutare i geni non basta neppure in linea di principio. È un argomento categoriale, non statistico: le mutazioni del DNA producono al massimo nuova informazione genetica.
7. Il Cambriano è il momento peggiore possibile per questo problema. Ciò che compare in blocco nella radiazione cambriana non sono forme adulte ma programmi di sviluppo: le architetture meno modificabili fra quelle note.

Per approfondire

• Il genoma come sistema gerarchico, reti regolatorie, epigenetica — la stessa architettura a più livelli vista dal lato della genomica.
• L’evoluzione può costruire qualunque cosa? — i limiti del meccanismo, di cui il paradosso delle mutazioni precoci è un caso netto.
• I geni orfani e le discontinuità genomiche — le discontinuità morfologiche hanno un corrispettivo a livello di sequenza.
• Perché la complessità irriducibile è un problema per il darwinismo — su scala molecolare, la stessa logica che le dGRN mostrano su scala di sistema.
• Caso, necessità o progetto: l’inferenza alla migliore spiegazione — come si passa dai dati alla conclusione progettuale.
• Il metodo scientifico dell’ID: come si riconosce un progetto — per valutare il “profilo della causa” di Erwin e Davidson.

Riferimenti

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