I GRANDI PROCESSI STOCASTICI.
5. NELL'EPIGENESI “DAL NULLA NASCE NULLA”.
Ho già osservato che l'epigenesi sta all'evoluzione come l'elaborazione di una tautologia sta al pensiero creativo. Nello sviluppo embriologico di una creatura non solo non vi è alcuna necessità di nuove informazioni o di cambiamenti di programma, ma l'epigenesi dev'essere in gran parte protetta dall'intrusione di nuove informazioni. Per ottenere ciò, il modo è quello di sempre. Lo sviluppo del feto dovrebbe seguire gli assiomi e i postulati depositati nel D.N.A. o altrove. Per usare i termini del capitolo 2, l'evoluzione e l'apprendimento sono necessariamente "divergenti" e imprevedibili, ma l'epigenesi dovrebbe essere convergente.
Ne segue che nel campo dell'epigenesi i casi in cui si avrà bisogno di nuove informazioni saranno rari e assai vistosi. Viceversa, vi potranno essere casi, quantunque patologici, in cui una mancanza o una perdita di informazione porta a gravi distorsioni dello sviluppo. In questo contesto, i fenomeni di simmetria e asimmetria offrono una ricca messe di esempi. Sotto questo aspetto le idee guida dell'embrione al suo primo stadio sono semplici e formali, sicch‚ la loro presenza o assenza è inconfondibile.
Gli esempi meglio conosciuti provengono dallo studio sperimentale dell'embriologia degli anfibi; qui discuterò alcuni fenomeni legati alla simmetria dell'uovo di rana. Ciò che si sa sulla rana vale probabilmente per tutti i vertebrati. Sembra che senza informazioni provenienti dal mondo esterno l'uovo di rana non fecondato non contenga le informazioni necessarie (cioè la "differenza" necessaria) per conseguire la simmetria bilaterale. L'uovo ha due poli differenziati: il polo "animale", dove predomina il protoplasma, e il polo "vegetale", dove predomina il tuorlo. Ma non vi è differenziazione tra i meridiani o linee di longitudine: in questo senso l'uovo ha una simmetria radiale.
La differenziazione dei poli animale e vegetale è stata sicuramente determinata dalla posizione dell'uovo nel tessuto follicolare o dal piano dell'ultima divisione cellulare nella produzione dei gameti; a sua volta, quel piano era stato probabilmente determinato dalla posizione occupata dalla cellula madre nel follicolo. Ma ciò non basta.
Senza una qualche differenziazione laterale tra i lati o meridiani dell'uovo non fecondato, questo non può 'sapere' o 'decidere' quale sarà il futuro piano mediano di simmetria della rana, che è dotata di simmetria bilaterale. L'epigenesi non può cominciare fino a quando un meridiano non è reso diverso da tutti gli altri. Per fortuna, sappiamo come viene fornita questa informazione cruciale: essa proviene, necessariamente, dal mondo esterno e consiste nel punto d'ingresso dello spermatozoo. Di solito lo spermatozoo entra nell'uovo un po' sotto l'equatore, e il meridiano che passa per i due poli e per il punto d'ingresso definisce il piano mediano della simmetria bilaterale della rana. La prima segmentazione dell'uovo segue questo meridiano, e il lato dell'uovo da cui entra lo spermatozoo diviene il lato ventrale della rana.
Inoltre, si sa che il messaggio occorrente non è contenuto nel D.N.A. o in altre parti complesse della struttura dello spermatozoo. Basta anche solo la puntura con una fibra di un pennello di peli di cammello: l'uovo si segmenterà e continuerà a svilupparsi, fino a diventare una rana adulta che salta e acchiappa le mosche. Naturalmente sarà aploide (cioè le mancherà metà del normale corredo cromosomico). Sarà sterile, ma per il resto sarà perfetta in tutto e per tutto.
A questo fine lo spermatozoo non è necessario: quello che serve è solo un "marcatore di differenza", quanto alla sua natura l'organismo non ha preferenze. Senza un qualche marcatore non vi sarà embrione. “Dal nulla nasce nulla”.
Ma la storia non finisce qui. La futura rana, anzi, già il giovanissimo girino, ha un'anatomia endodermica notevolmente asimmetrica. Come quasi tutti i vertebrati, la rana possiede una simmetria abbastanza precisa nell'ectoderma (pelle, cervello e occhi) e nel mesoderma (scheletro e muscoli dello scheletro), ma è fortemente asimmetrica nelle strutture endodermiche (intestino, fegato, pancreas, e così via). (Anzi, ogni creatura le cui anse intestinali si trovino in un piano diverso da quello mediano dev'essere asimmetrica sotto questo aspetto. Se osservate il ventre di un girino vedrete chiaramente, attraverso la pelle, l'intestino arrotolato su se stesso in una grande spirale).
Come è prevedibile, il "situs inversus" (cioè la condizione di simmetria inversa) si presenta nella rana, ma rarissimamente. Nella specie umana esso è ben noto e riguarda circa un individuo su un milione. Questi individui hanno lo stesso aspetto degli altri, ma all'interno essi sono alla rovescia: la parte destra del cuore alimenta l'aorta, mentre la sinistra alimenta i polmoni, e così via. Le cause di questa inversione non sono note, ma il fatto stesso che essa si presenti indica che l'asimmetria normale "non" è determinata dall'asimmetria delle molecole. Per invertire una parte qualunque dell'asimmetria chimica sarebbe necessario invertirle tutte, poichè‚ le molecole si devono adattare le une alle altre in modo corretto. L'inversione dell'intera chimica è impensabile e non potrebbe sopravvivere se non in un mondo invertito.
Resta quindi il problema della sorgente dell'informazione che determina l'asimmetria. Deve certamente esistere un'informazione che fornisce all'uovo istruzioni sull'asimmetria corretta (cioè statisticamente normale).
Per quanto ne sappiamo, dopo la fecondazione non vi è nessuna occasione in cui potrebbe essere fornita quest'informazione. L'ordine degli eventi è: primo, l'espulsione dalla madre, poi la fecondazione; dopo di che l'uovo è protetto da una massa gelatinosa per tutto il periodo della segmentazione e del primo sviluppo dell'embrione. In altre parole, l'uovo deve contenere l'informazione necessaria a determinare l'asimmetria già "prima" della fecondazione. Che forma deve avere questa informazione?
Nella discussione sulla natura della spiegazione, nel capitolo 2, ho osservato che nessun dizionario è in grado di definire le parole "destra" o "sinistra", cioè nessun sistema discreto arbitrario può risolvere la questione: l'informazione dev'essere ostensiva. Ora abbiamo la possibilità di scoprire come questo stesso problema viene risolto dall'uovo.
Credo che, in linea di principio, vi possa essere soltanto un genere di soluzione (e spero che qualcuno con un microscopio elettronico a scansione ne ricerchi le prove). La risposta deve trovarsi nell'uovo prima della fecondazione, e perciò dev'essere in forma tale da poter determinare la stessa asimmetria "qualunque sia il meridiano segnato dall'ingresso dello spermatozoo". Ne segue che ciascun meridiano, quale che sia la sua posizione, dev'essere asimmetrico e che tutti devono essere asimmetrici nello stesso senso.
Questa condizione è soddisfatta nel modo più semplice da una qualche sorta di "spirale di relazioni non quantitative o vettoriali". Tale spirale intersecherà ciascun meridiano obliquamente determinando in ciascuno la stessa differenza tra est e ovest.
Un problema simile sorge nella differenziazione degli arti bilaterali. Il mio braccio destro è un oggetto asimmetrico e un'immagine speculare formale del sinistro. Ma esistono alcuni rari individui mostruosi che hanno due braccia o un braccio biforcuto su un lato del corpo. In questi casi la coppia costituisce un sistema a simmetria bilaterale. Un componente sarà un braccio destro e l'altro un braccio sinistro ed essi saranno in posizione tale da costituire un'immagine speculare. Questa osservazione generale fu enunciata per la prima volta da mio padre intorno al 1890 e per molto tempo fu nota come "regola di Bateson". Egli riuscì a dimostrare la validità della sua regola in quasi tutti i phyla di animali attraverso una ricerca compiuta in tutti i musei e in molte collezioni private d'Europa e d'America. In particolare raccolse un centinaio di casi di siffatte aberrazioni nelle zampe dei coleotteri.
Io riesaminai questa faccenda, e dai dati originali di mio padre conclusi che egli aveva sbagliato a chiedersi: che cos'ha determinato questa ulteriore simmetria? Avrebbe dovuto chiedersi: che cos'ha determinato la "perdita" di asimmetria? Avanzai l'ipotesi che le forme mostruose fossero prodotte da una "perdita o dimenticanza" di informazione. La simmetria bilaterale richiede più informazione della simmetria radiale e l'asimmetria richiede più informazione della simmetria bilaterale. L'asimmetria di un arto laterale, per esempio di una mano, richiede un giusto orientamento in tre direzioni: la direzione verso il dorso della mano dev'essere diversa da quella verso il palmo; la direzione verso il pollice dev'essere diversa da quella verso il mignolo; la direzione verso il gomito dev'essere diversa da quella verso le dita. Queste tre direzioni devono essere combinate in modo corretto per costruire una mano "destra" invece di una mano "sinistra". Se una delle direzioni viene invertita, come quando la mano è riflessa in uno specchio, ne risulta un'immagine rovesciata. Ma se una delle tre differenziazioni è "perduta o dimenticata", l'arto potrà raggiungere solo la simmetria bilaterale.
In questo caso il postulato “dal nulla nasce nulla” diventa un po' più complesso: dall'asimmetria nasce la simmetria bilaterale quando viene perduta una discriminazione.
Ho già osservato che l'epigenesi sta all'evoluzione come l'elaborazione di una tautologia sta al pensiero creativo. Nello sviluppo embriologico di una creatura non solo non vi è alcuna necessità di nuove informazioni o di cambiamenti di programma, ma l'epigenesi dev'essere in gran parte protetta dall'intrusione di nuove informazioni. Per ottenere ciò, il modo è quello di sempre. Lo sviluppo del feto dovrebbe seguire gli assiomi e i postulati depositati nel D.N.A. o altrove. Per usare i termini del capitolo 2, l'evoluzione e l'apprendimento sono necessariamente "divergenti" e imprevedibili, ma l'epigenesi dovrebbe essere convergente.
Ne segue che nel campo dell'epigenesi i casi in cui si avrà bisogno di nuove informazioni saranno rari e assai vistosi. Viceversa, vi potranno essere casi, quantunque patologici, in cui una mancanza o una perdita di informazione porta a gravi distorsioni dello sviluppo. In questo contesto, i fenomeni di simmetria e asimmetria offrono una ricca messe di esempi. Sotto questo aspetto le idee guida dell'embrione al suo primo stadio sono semplici e formali, sicch‚ la loro presenza o assenza è inconfondibile.
Gli esempi meglio conosciuti provengono dallo studio sperimentale dell'embriologia degli anfibi; qui discuterò alcuni fenomeni legati alla simmetria dell'uovo di rana. Ciò che si sa sulla rana vale probabilmente per tutti i vertebrati. Sembra che senza informazioni provenienti dal mondo esterno l'uovo di rana non fecondato non contenga le informazioni necessarie (cioè la "differenza" necessaria) per conseguire la simmetria bilaterale. L'uovo ha due poli differenziati: il polo "animale", dove predomina il protoplasma, e il polo "vegetale", dove predomina il tuorlo. Ma non vi è differenziazione tra i meridiani o linee di longitudine: in questo senso l'uovo ha una simmetria radiale.
La differenziazione dei poli animale e vegetale è stata sicuramente determinata dalla posizione dell'uovo nel tessuto follicolare o dal piano dell'ultima divisione cellulare nella produzione dei gameti; a sua volta, quel piano era stato probabilmente determinato dalla posizione occupata dalla cellula madre nel follicolo. Ma ciò non basta.
Senza una qualche differenziazione laterale tra i lati o meridiani dell'uovo non fecondato, questo non può 'sapere' o 'decidere' quale sarà il futuro piano mediano di simmetria della rana, che è dotata di simmetria bilaterale. L'epigenesi non può cominciare fino a quando un meridiano non è reso diverso da tutti gli altri. Per fortuna, sappiamo come viene fornita questa informazione cruciale: essa proviene, necessariamente, dal mondo esterno e consiste nel punto d'ingresso dello spermatozoo. Di solito lo spermatozoo entra nell'uovo un po' sotto l'equatore, e il meridiano che passa per i due poli e per il punto d'ingresso definisce il piano mediano della simmetria bilaterale della rana. La prima segmentazione dell'uovo segue questo meridiano, e il lato dell'uovo da cui entra lo spermatozoo diviene il lato ventrale della rana.
Inoltre, si sa che il messaggio occorrente non è contenuto nel D.N.A. o in altre parti complesse della struttura dello spermatozoo. Basta anche solo la puntura con una fibra di un pennello di peli di cammello: l'uovo si segmenterà e continuerà a svilupparsi, fino a diventare una rana adulta che salta e acchiappa le mosche. Naturalmente sarà aploide (cioè le mancherà metà del normale corredo cromosomico). Sarà sterile, ma per il resto sarà perfetta in tutto e per tutto.
A questo fine lo spermatozoo non è necessario: quello che serve è solo un "marcatore di differenza", quanto alla sua natura l'organismo non ha preferenze. Senza un qualche marcatore non vi sarà embrione. “Dal nulla nasce nulla”.
Ma la storia non finisce qui. La futura rana, anzi, già il giovanissimo girino, ha un'anatomia endodermica notevolmente asimmetrica. Come quasi tutti i vertebrati, la rana possiede una simmetria abbastanza precisa nell'ectoderma (pelle, cervello e occhi) e nel mesoderma (scheletro e muscoli dello scheletro), ma è fortemente asimmetrica nelle strutture endodermiche (intestino, fegato, pancreas, e così via). (Anzi, ogni creatura le cui anse intestinali si trovino in un piano diverso da quello mediano dev'essere asimmetrica sotto questo aspetto. Se osservate il ventre di un girino vedrete chiaramente, attraverso la pelle, l'intestino arrotolato su se stesso in una grande spirale).
Come è prevedibile, il "situs inversus" (cioè la condizione di simmetria inversa) si presenta nella rana, ma rarissimamente. Nella specie umana esso è ben noto e riguarda circa un individuo su un milione. Questi individui hanno lo stesso aspetto degli altri, ma all'interno essi sono alla rovescia: la parte destra del cuore alimenta l'aorta, mentre la sinistra alimenta i polmoni, e così via. Le cause di questa inversione non sono note, ma il fatto stesso che essa si presenti indica che l'asimmetria normale "non" è determinata dall'asimmetria delle molecole. Per invertire una parte qualunque dell'asimmetria chimica sarebbe necessario invertirle tutte, poichè‚ le molecole si devono adattare le une alle altre in modo corretto. L'inversione dell'intera chimica è impensabile e non potrebbe sopravvivere se non in un mondo invertito.
Resta quindi il problema della sorgente dell'informazione che determina l'asimmetria. Deve certamente esistere un'informazione che fornisce all'uovo istruzioni sull'asimmetria corretta (cioè statisticamente normale).
Per quanto ne sappiamo, dopo la fecondazione non vi è nessuna occasione in cui potrebbe essere fornita quest'informazione. L'ordine degli eventi è: primo, l'espulsione dalla madre, poi la fecondazione; dopo di che l'uovo è protetto da una massa gelatinosa per tutto il periodo della segmentazione e del primo sviluppo dell'embrione. In altre parole, l'uovo deve contenere l'informazione necessaria a determinare l'asimmetria già "prima" della fecondazione. Che forma deve avere questa informazione?
Nella discussione sulla natura della spiegazione, nel capitolo 2, ho osservato che nessun dizionario è in grado di definire le parole "destra" o "sinistra", cioè nessun sistema discreto arbitrario può risolvere la questione: l'informazione dev'essere ostensiva. Ora abbiamo la possibilità di scoprire come questo stesso problema viene risolto dall'uovo.
Credo che, in linea di principio, vi possa essere soltanto un genere di soluzione (e spero che qualcuno con un microscopio elettronico a scansione ne ricerchi le prove). La risposta deve trovarsi nell'uovo prima della fecondazione, e perciò dev'essere in forma tale da poter determinare la stessa asimmetria "qualunque sia il meridiano segnato dall'ingresso dello spermatozoo". Ne segue che ciascun meridiano, quale che sia la sua posizione, dev'essere asimmetrico e che tutti devono essere asimmetrici nello stesso senso.
Questa condizione è soddisfatta nel modo più semplice da una qualche sorta di "spirale di relazioni non quantitative o vettoriali". Tale spirale intersecherà ciascun meridiano obliquamente determinando in ciascuno la stessa differenza tra est e ovest.
Un problema simile sorge nella differenziazione degli arti bilaterali. Il mio braccio destro è un oggetto asimmetrico e un'immagine speculare formale del sinistro. Ma esistono alcuni rari individui mostruosi che hanno due braccia o un braccio biforcuto su un lato del corpo. In questi casi la coppia costituisce un sistema a simmetria bilaterale. Un componente sarà un braccio destro e l'altro un braccio sinistro ed essi saranno in posizione tale da costituire un'immagine speculare. Questa osservazione generale fu enunciata per la prima volta da mio padre intorno al 1890 e per molto tempo fu nota come "regola di Bateson". Egli riuscì a dimostrare la validità della sua regola in quasi tutti i phyla di animali attraverso una ricerca compiuta in tutti i musei e in molte collezioni private d'Europa e d'America. In particolare raccolse un centinaio di casi di siffatte aberrazioni nelle zampe dei coleotteri.
Io riesaminai questa faccenda, e dai dati originali di mio padre conclusi che egli aveva sbagliato a chiedersi: che cos'ha determinato questa ulteriore simmetria? Avrebbe dovuto chiedersi: che cos'ha determinato la "perdita" di asimmetria? Avanzai l'ipotesi che le forme mostruose fossero prodotte da una "perdita o dimenticanza" di informazione. La simmetria bilaterale richiede più informazione della simmetria radiale e l'asimmetria richiede più informazione della simmetria bilaterale. L'asimmetria di un arto laterale, per esempio di una mano, richiede un giusto orientamento in tre direzioni: la direzione verso il dorso della mano dev'essere diversa da quella verso il palmo; la direzione verso il pollice dev'essere diversa da quella verso il mignolo; la direzione verso il gomito dev'essere diversa da quella verso le dita. Queste tre direzioni devono essere combinate in modo corretto per costruire una mano "destra" invece di una mano "sinistra". Se una delle direzioni viene invertita, come quando la mano è riflessa in uno specchio, ne risulta un'immagine rovesciata. Ma se una delle tre differenziazioni è "perduta o dimenticata", l'arto potrà raggiungere solo la simmetria bilaterale.
In questo caso il postulato “dal nulla nasce nulla” diventa un po' più complesso: dall'asimmetria nasce la simmetria bilaterale quando viene perduta una discriminazione.
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