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sabato 4 dicembre 2010

Mens sana in corpore sano: l'origine del corpo

Finalmente, dopo oltre due mesi dalla fondazione di questo blog, riesco a postare la mia prima PaleoStoria. Devo dire che sono un po' emozionato, speriamo di riuscire a spigarmi con chiarezza e senza annoiare, anche perché, essendo argomenti abbastanza complessi, i post purtroppo saranno di una lunghezza non trascurabile. Se li trovate noiosi o troppo lunghi vi prego di segnalarlo nei commenti.

Per la prima PaleoStoria ho scelto un argomento di grande importanza, sia da un punto di vista evolutivo, sia, soprattutto, da un punto di vista conoscitivo. Penso che sia abbastanza controproducente parlare di tematiche complicate se non si hanno certe basi. Potrei parlarvi di ossa, di adattamenti locomotori particolari, di comportamento, dell'origine di certe strutture anatomiche, etc.. Ma senza aver spiegato prima certe cose, il rischio di dare certe nozioni per scontate è molto alto. E, visto che quello che mi interessa è soprattutto l'aspetto divulgativo, preferisco partire dalle base. Per questo motivo, le miei PaleoStorie seguiranno un filo logico abbastanza ben definito, con argomenti a mano a mano sempre più complessi. Il fatto che l'aumento della complessità segua anche l'andamento cronologico della storia della vita sulla Terra e della sua evoluzione, si dimostrerà di grande aiuto nella comprensione e nella narrazione, e spesso facilità il compito del lettore.
In questa prima PaleoStoria parleremo quindi di uno dei concetti fondamentali della storia della vita sulla Terra: l'origine del corpo.

Ma che cos'è un corpo? Ve lo siete mai chiesti?
In maniera generica, possiamo dire che un corpo è un aggregato di cellule che lavorano insieme per costruire e mantenere vivo un intero più grande, spesso volgendo funzioni diverse e specifiche, e coordinandosi in modo che ognuna “dia una mano” a far sopravvivere l'intero.
Una delle proprietà fondamentali del corpo è quindi la coordinazione tra le varie cellule, la loro specificità, e il fatto che tutte lavorino non per se stesse ma per l'intero organismo che loro stesse compongono.
Questa distinzione è fondamentale: un grumo di cellule non costituisce un corpo se esse non collaborano alla sopravvivenza dell'intero.
Se, ad esempio, prendiamo una colonia di batteri ed estraiamo da essa alcuni di questi, ci ritroveremo senz'altro con una colonia più piccola; ma se estraiamo delle cellule da un corpo di un essere umano o di un qualsiasi altro organismo dotato di corpo, bé il rischio di ritrovarci con un cadavere non è per niente trascurabile (dipende, ovviamente, da quali cellule vengono estratte).
Un corpo quindi è molto più che un aggregato di cellule. Si potrebbe dire che esso rappresenta una sorta di società, in cui persone con diverse abilità mettono insieme i loro talenti per far rendere al meglio l'intera struttura societaria.
E, cosa molto importante, nonostante i continui cambiamenti cellulari (la durata della vita di una cellula è molto variabile, da pochi giorni a molti anni) il nostro corpo continua a vivere. 
 Nonostante vari cambiamenti generazionali, la “società corporea” va avanti senza affanni, grazie a regole precise e all'innato spirito di collaborazione che caratterizza i suoi abitanti, le cellule.
Il corpo, in sostanza, è una cosa molto seria e meravigliosamente perfetta, nonché maledettamente più complicata rispetto ai semplici ammassi di cellule.
Affinché i nostri lontani parenti si trasformassero da forme unicellulari a creature dotate di corporeità, le loro cellule dovettero imparare a collaborare, a comunicare tra loro, a unirsi. Il tutto, grazie a meccanismi nuovi, a materiale e metodi mai utilizzati.

Quindi, se il livello di complessità del corpo è immensamente più alto di quello dei semplici ammassi di cellula, come è stato possibile raggiungere tale complessità? Quando si è sviluppato il corpo? Come? E soprattutto, perché?

La risposta alla domanda su quando si è formato il corpo parte da un concetto spesso trascurato, specie dalla superba specie Homo sapiens: gran parte della storia della vita sulla Terra è la storia degli organismi unicellulari. Non solo essi si sono sviluppati molto, ma molto prima degli organismi pluricellulari, ma ancora oggi rappresentano una cospicua fetta (molto più dei loro “parenti” pluricellulari) della componente biotica del nostro pianeta. Praticamente, tutto ciò di cui parlerò nei prossimi post (ossia degli organismi pluricellulari) abitano la Terra da una frazione minima di tempo.
Come facciamo a sapere questo? Facile, dai fossili.
Dai fossili sappiamo che la vita sulla Terra apparve probabilmente intorno ai 3,5 miliardi di anni fa, e che fino a 600 milioni di anni fa, più o meno, gli unici organismi presenti sul nostro pianeta erano unicellulari. Gli strati più vecchi di 600 milioni di anni infatti non presentano tracce fossili di vita complessa.
Poco dopo però, e apparentemente all'improvviso, appaiono una miriade di fossili di animali dotati di veri e proprio corpi, alcuni molto specializzati, altri ancora semplici. Ma, in ogni caso, corpi. 
Corpi con la C maiuscola.

Come in una sorta di esplosione, in poco tempo si passò da una vita unicellulare a uno stato “corporeo” più o meno complesso.
Alla domanda “quando?” rispondono bene i fossili di 600 milioni di anni fa (Precambiano).
Capire come e perché accadde tutto questo, è decisamente tutta un'altra storia.

Ora, per capire come ha avuto origine la pluricellularità dobbiamo chiderci cosa rende esattamente così speciale ed efficiente un corpo.
Cosa tiene unite un gruppo di cellule, siano esse una medusa o un complesso organo umano? Cosa le rende in grado di comunicare?

La risposta è abbastanza lunga e complessa, e richiede nozioni abbastanza approfondite di biologia e anatomia cellulare. Proviamo però a semplificare un po' le cose.
Caratteristica comune a tutti gli organismi pluricellulari, siano essi vertebrati,invertebrati, vegetali o semplici grumi di cellule, è che essi possiedono molecole che occupano gli spazi vuoti tra una cellula e l'altra. Queste molecole sono di vario tipo, e spesso gran parte delle proprietà specifiche di un certo insieme di cellule deriva proprio da quali molecole le tengono insieme e da come queste cellule sono disposte.
Negli animali, una di queste sostanze speciali è il collagene, una proteina che da sola costituisce oltre il 90 per cento di tutte le proteine presenti nel corpo. Grazie al collagene, le nostre cellule sono in connessione tra loro, tale da poter interagire e comunicare.
Oltre ad unirle, queste molecole (ripeto, ce ne sono molte, e di vario tipo) rendono possibili le interazioni tra le varie cellule. Alcune sono così specifiche (selezionano il legame, legandosi solo a molecole dello stesso tipo) che donano alle cellule la meravigliosa proprietà di potersi legare solo ai propri simili. Così, assicurano che le cellule siano in grado di disporsi da sole tra di loro, in modo che le cellule della pelle si leghino alle cellule della pelle, che quelle dell'occhio si leghino a quelle dell'occhio e così via.
Tali molecole, forniscono alle cellule anche un sistema efficiente di comunicazione, in modo che ognuna di esse sappia quando duplicarsi, creare molecole, legarsi, morire, etc..
In definitiva, è l'insieme di queste molecole e le loro interazioni con le cellule che permettono l'esistenza del corpo.

Bene, adesso che abbiamo un'idea di cosa sia un corpo e di cosa permette ad esso di esserlo, possiamo cercare di capire come si è originato.
Ma prima, voglio sottoporre alla vostra attenzione un fantastico esperimento scientifico, che si rivelerà utile alla nostra indagine e assolutamente illuminante.
Henry Van Peters Wilson fu uno dei più grandi biologi del novecento. Durante i suoi anni all'Università della North Carolina, insegnò biologia ad alcuni studenti americani, che sarebbero poi diventati alcune delle menti più brillanti della genetica e della biologia cellulare.
Fin da giovane, Wilson decise di dedicare la sua vita allo studio delle spugne, ritenute da lui (a ben vedere) alcuni degli animali più interessanti dal punto di vista biologico.
Le spugne sono organismi decisamente primitivi: il loro corpo è sostanzialmente formato da una matrice non viva, solitamente composta da silice o carbonato di calcio, e da un insieme di cellule più o meno specializzate, tenute insieme da collagene. Anche se non particolarmente complesse, le spugne hanno tutti i requisiti per essere considerati organismi corporei a tutti gli effetti.
Ebbene, all'inizio del Novecento il buon Wilson fece un fantastico esperimento con le spugne, nel tentativo di studiarle nei minimi dettagli: prese degli esemplari e li passò al setaccio, riducendoli ad un ammasso di cellule disgregate. In seguito, prese queste cellule singole e le mise su un vetrino per studiarle. Con grande soddisfazione, egli vide che le singole cellule cominciarono subito a muoversi sul vetrino e, con grande rapidità, si riunirono in un unico corpo! Dapprima, esse formarono un ammasso caotico di cellule, poi, in poco tempo, si organizzarono e diedero vita nuovamente ad una spugna! Wilson aveva osservato in diretta la formazione di un corpo!
Questo esperimento dimostrò come le spugne fossero animali assolutamente stupefacenti, e soprattutto come le proprietà strutturali del corpo sono date proprio dal collagene e dalla capacità interattiva tra le varie cellule.

L'origine del corpo quindi è da ricercare nell'origine dei materiali e delle proprietà cellulari fondamentali per la costituzione della “corporeità”?
Fino a poco tempo fa si pensava che la risposta alla domanda era “si”, poiché dallo studio dei geni degli organismi “senza corpo” si era certificata l'assenza di quei materiali che rendono le cellule capaci di aderire, comunicare, etc. Quindi, sembrava chiaro che l'origine del corpo fosse collegata con la comparsa di tale proprietà.
Gli studiosi però non avevano ancora fatto i conti con degli strani organismi unicellulari: i coanoflagellati.
Uno studio pubblicato da Nicole King, ricercatrice dell'Università di Berkeley, California, dimostrò come nei coanoflagellati siano presenti varie molecole omologhe a quelle degli organismi cellulari, come ad esempio vari tipi ci collagene o di molecole che rendono possibile la comunicazione cellulare. Insomma, i coanoflagellati hanno tutti i mezzi possibili per aggregarsi e formare corpi. Eppure, sono organismi unicellulari.
E successivi studi riportarono che alcune di queste molecole erano presenti anche in alcuni batteri (tra cui gli streptococchi), ma che venivano usate per altre funzioni, spesso metaboliche.

Il record fossili ci dice che fino a 600 milioni di anni fa tutti gli organismi presenti sulla Terra erano unicellulari. Poi, tutto ad un tratto, in un tempo abbastanza rapido (40 milioni di anni), compaiono corpi ovunque: piante, animali, funghi.
Eppure, come dimostrato da Nicole King, la vita aveva già da lungo tempo i presupposti per poter formare corpi.
Perché accadde tutto così rapidamente e all'improvviso? Perché, pur potendosi “accorpare” già da tempo, gli organismi preferirono rimanere unicellulari?

Per rispondere a questa ultima domanda, citerò ancora una volta un esperimento.
Martin Boraas e i suoi colleghi, in un mirabile esperimento di biologia cellulare, cercarono di capire quali fattori possano aver favorito lo sviluppo dei corpi: presero un'alga unicellulare (che possedeva i requisiti per la corporeità, pur utilizzandoli in maniera diversa) e la lasciarono sviluppare in laboratorio per diverse generazioni.
Poi, ad un certo punto, introdussero un agente di disturbo, un predatore, capace di inglobare le singole alghe e di nutrirsi di esse. In meno di duecento generazioni, l'alga reagì evolvendosi in un agglomerato di cento cellule, numero che scese piano piano fino a stabilizzarsi a otto per grumo (otto si rivelò il numero più equilibrato, perché permetteva ai singoli aggregati di essere abbastanza grandi da non venir inglobati dal predatore e abbastanza piccoli da poter vivere da soli, senza bisogno di troppa energia). Togliendo il predatore, Boraas e colleghi costatarono che l'alga continuava a riprodursi formando individui di otto cellule ciascuno.
In sostanza, grazie all'introduzione di un predatore, un organismo unicellulare aveva dato vita ad un organismo pluricellulare in brevissimo tempo.

L'esperimento fece avanzare l'ipotesi secondo la quale lo sviluppo del corpo si sia evoluto quando gli organismi unicellulari trovarono nuovi modi per predare o per non farsi predare. Avere un corpo avrebbe costituito un vantaggio, poiché permetteva sia di non essere mangiato, vista la grande mole, sia di potersi nutrire di creature più piccole. Inoltre, permetteva di coprire distanze maggiori.

Tutto ha un senso, ma non risponde alla nostra domanda: perché non si è sviluppato prima?
Forse, il problema era trovare l'energia necessaria a mantenere vivo un corpo, visto che più un corpo è grande più necessita di nutrimento e di energia (soprattutto se formato da collagene, che ha bisogno di parecchio ossigeno per sintetizzarsi).

Nelle prime fasi della storia della Terra, al tempo in cui nacque la vita, l'atmosfera terrestre conteneva poco ossigeno, infinitamente poco rispetto alla quantità contenuta oggi. E, probabilmente, troppo poco anche per consentire lo sviluppo dei corpi.
Tuttavia, circa un miliardo di anni fa, il livello di ossigeno cominciò a salire, come dimostrato dall'analisi chimica delle rocce di quel periodo.
E forse proprio grazie a questo, scattò la scintilla per la formazione dei corpi: per miliardi di anni, gli organismi unicellulari si erano evoluti, sviluppando sempre nuove tecniche per nutrirsi e per interagire con l'ambiente che li circondava. Così facendo, avevano sviluppando, seppur per scopi diversi, tutti i requisiti per poter formare i corpi. E, inoltre, stavano evolvendo nuove forme di predazione, imparando a mangiarsi tra di loro.
C'era già tutti i mezzi per formare un corpo, c'erano già i motivi per farlo, ma mancava ancora un piccolo dettaglio: l'ossigeno per fornire l'energia necessaria al sostentamento al corpo.
E quando il livello di ossigeno nell'atmosfera arrivò al punto giusto, come una pentola a pressione carica già da tempo, la corporeità esplose in una miriade incredibile di forme. Tutto ad un tratto, la Terra si riempì di corpi, ovunque. E da li, fu tutta un'altra storia..

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Bibliografia:

- N.King, 2004
The Unicellular Ancestry of Animal Development, Developmental Cell, 7, pp. 313 - 325

- M.E.Boraas, D.B.Seale e J.Boxhorn, 1998 
Phagotrophy by a Flagellate Selects for Colonisl Prey: A Possible Origin of Multicellularity, Evolutionary Ecology, 12, pp. 153 - 164

1 commento:

Alice Zampollo ha detto...

Gazie mille.. Mi ha aiutato nello studio della zoologia sistematica! L'ho trovato molto discorsivo e interessante!