La vita è un caso

Il nostro comportamento è determinato dalla genetica, o siamo il frutto dell’ambiente in cui viviamo? Che cosa conta di più per lo sviluppo degli organismi viventi: i fatti interni o quelli esterni? I biologi hanno iniziato a discutere di queste cose poco dopo la pubblicazione della teoria dell’evoluzione e la selezione naturale di Darwin. Il cugino di Charles Darwin, Francis Galton, fu il primo a provare a comprendere il rapporto tra innato e acquisito (“nature and nurture”) studiando il modo in cui crescono i gemelli.

Ma tutta la faccenda si esaurisce con innato e acquisito? A quanto sembra no. Anche i gemelli identici (monozigoti) cresciuti in ambienti simili non saranno mai del tutto identici. Non avranno le stesse impronte digitali. Avranno nei e lentiggini diversi. Anche tratti complessi come quello dell’intelligenza o di eventuali malattie mentali spesso variano tra due gemelli identici.

Naturalmente alcune di queste variazioni sono dovute a fattori ambientali. Anche quando due gemelli omozigoti sono cresciuti insieme, ci sono migliaia di piccole differenze nei loro ambienti di sviluppo, dalla posizione assunta nell’utero agli insegnanti all’asilo o alle prime cotte amorose.

Ma c’è di più. C’è un terzo fattore, fondamentale per lo sviluppo e il comportamento, che i biologi hanno iniziato a tenere in considerazione solo negli ultimi decenni: il “rumore casuale” (“random noise”: in questo senso “rumore” è inteso come un prodotto non desiderato, che si sovrappone all’informazione che deve essere elaborata o trasmessa biologicamente, ndt).

Negli ultimi anni, il rumore è diventato un argomento di ricerca estremamente diffuso tra gli argomenti di studio della biologia. Gli scienziati hanno scoperto che praticamente ogni processo nelle cellule è intrinsecamente rumoroso. Questo significa che i processi cellulari che hanno bisogno di determinate molecole al posto giusto al momento giusto dipendono dalle improvvisazioni delle molecole che rimbalzano da una parte all’altra della cellula.

Ne consegue che due cellule geneticamente identiche nello stesso esatto ambiente si comporteranno talvolta in modi estremamente diversi. Una potrebbe restarsene dormiente mentre l’altra potrebbe essere attiva. O una potrebbe produrre il doppio dei composti rispetto alla sua cellula gemella.

Il rumore può sembrare un brutto affare per la biologia: come possono una pianta o un animale organizzare il proprio sviluppo e comportamento quando tutti i processi coinvolti sono intrinsecamente incasinati? E infatti, talvolta il rumore può essere la causa di seri problemi. Per esempio, i ricercatori dello Scott Rifkin Lab presso la University of California-San Diego hanno dimostrato che quando un certo ceppo di vermi cilindrici (nematodi) – completamente identici e selezionati con l’ingegneria genetica – vengono cresciuti nello stesso ambiente, alcuni si sviluppano normalmente mentre altri muoiono spontaneamente. In questo caso, il rumore è la differenza tra la vita e la morte.

Di solito gli effetti del rumore non sono così tremendi. La maggior parte degli organismi ha sviluppato sistemi per proteggersi dal rumore. Inoltre, i biologi hanno iniziato a capire che in alcuni casi il rumore può essere una buona cosa. Le cellule, gli organismi e le popolazioni sfruttano questa caratteristica che può sembrare dannosa in modi talvolta sorprendentemente ingegnosi.

Per fare un esempio: tutte le cellule in un organismo animale all’inizio della sua fase di sviluppo sono identiche, sono cellule staminali indifferenziate. Alcune di queste dovranno diventare cellule intestinali, altre cellule del fegato, altre ancora neuroni. Come fa un embrione a produrre la giusta proporzione di ogni cellula specializzata nell’organismo? Salta fuori che il rumore può essere di aiuto. Prendiamo in considerazione i differenti tipi di cellule negli occhi del moscerino della frutta. Le unità oculari (“ommatidi”) del moscerino hanno diversi colori, e queste variazioni lo aiutano a vedere. In ogni cellula dell’occhio in fase di sviluppo, un particolare gene (“spineless”) viene attivato casualmente a diversi livelli. Ed è questo a determinare il colore delle singole unità oculari. Ogni cellula sviluppa un particolare colore in un processo sostanzialmente casuale, ma nel complesso l’organismo ottiene la giusta varietà e la giusta proporzione di diverse cellule.

Il rumore può anche aiutare per difendersi contro l’ignoto. I batteri si riproducono attraverso la clonazione, quindi le popolazioni di batteri sono di solito altamente simili dal punto di vista genetico. Questo può essere un problema da un punto di vista evolutivo: nel caso di un cambiamento ambientale, una popolazione uniforme rischia di essere spazzata via, perché tutti gli organismi tenderanno a essere sensibili allo stesso tipo di pericoli. (Per questo motivo noi organismi che non ci cloniamo impieghiamo così tanto tempo ed energie a trovare partner sessuali: la riproduzione sessuale porta alla variazione.)

In una popolazione varia è più probabile che alcuni individui sopravvivano a un cambio ambientale netto. E qui entra in gioco il rumore. Per i batteri, i processi casuali possono portare a variazioni tra individui geneticamente identici. Per esempio, alcune cellule possono entrare in una fase dormiente mentre altre continuano a provvedere alle loro pratiche. Possiamo pensare a questo comportamento come a una strategia per differenziare il rischio: le differenze tra le cellule ne renderanno alcune di minor successo ma proteggeranno l’intero gruppo dall’estinzione. Durante i periodi di cambiamenti ambientali, quando una popolazione di cellule ha più probabilità di essere spazzata via, alcuni ceppi di batteri amplificano il rumore, creando più varianti quando queste sono più necessarie.

Sfortunatamente, questo meccanismo interno per creare diversità può causare problemi. Preferiremmo poter spazzare via intere popolazioni di batteri utilizzando gli antibiotici. Il rumore può permettere a un numero ridotto di batteri di sopravvivere, facendo aumentare la loro resistenza agli antibiotici.

Anche le cellule tumorali possono usare il rumore contro di noi. Le variazioni nella produzione di proteine nell’ambiente cellulare proteggono le cellule tumorali dai farmaci chemioterapici, secondo un recente studio, anche se altre cellule geneticamente identiche vengono spazzate vie dal trattamento.

Con “determinismo biologico” si indica il modo in cui i geni ci rendono ciò che siamo. C’è un filone molto ricco di articoli che indicano i geni come i responsabili della malvagità, della creatività, dell’empatia e persino dell’essere Repubblicani. Autori di fantascienza hanno scritto che un giorno l’ingegneria genetica permetterà di progettare come più si preferisce i propri figli. Ma il recente studio del rumore da parte dei biologi ci dà elementi per pensare che ciò non potrà mai accadere. La mappatura genetica non può dirti se tuo figlio sarà un paracadutista o un conservatore, perché l’espressione genica è un fenomeno molto più complesso di quanto fosse stato inizialmente ipotizzato dai biologi. Anche se fossimo in grado di scegliere i geni giusti, e controllare l’ambiente di sviluppo in qualche modo, ci sarà sempre del rumore per rendere la vita ampiamente imprevedibile.

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