Ritorno a Lamarck

Dobbiamo immaginare/ricostruire
milioni/miliardi di anni
di (bio)-coevoluzione costruttiva o
di (bio)-competizione selettiva ?
Ritorno a Lamarck
alla luce della moderna biologia molecolare
Cooperation towards COMPLEXITY
Ernesto Burgio
Comitato Scientifico
ISDE Italia
Les enfants du limon
Lamarck gradually turned blind and died in Paris on December 18, 1829. When he died, his family was so poor
they had to apply to the Academie for financial assistance. Lamarck's books and the contents of his home
were sold at auction, and he was buried in a temporary lime-pit.[19]
After his death, Cuvier used the forum of a eulogy to denigrate Lamarck:
"His [Cuvier's] éloge of Lamarck is one of the most deprecatory and chillingly partisan biographies I have ever
read—though he was supposedly writing respectful comments in the old tradition of de mortuis nil nisi bonum."
Stephen J.Gould
Cosa scatena le grandi controversie metafisico-teologiche, le querelles
philosophiques e le scientific priority disputes che ne sono l’incarnazione moderna?
E’ come se lo
Zeitgeist * ponesse, in
particolari momenti, taluni
quesiti-chiave, ai quali gli
ingegni più sensibili cercano di
dar risposta
E’ possibile ipotizzare che alcune di
queste risposte inevitabilmente
coeve* simili* o opposte**
si impongano non necessariamente
in ragione di una (ipotetica)
superiorità/veridicità quanto
in relazione alle esigenze dello
Zeitgeist *?
..e quanto di teologico (o almeno di metafisico)
permane e condiziona negativamente le scientific
(priority) disputes che ne sono la re-incarnazione ?
*
Indagine sulle radici.. le varie formulazioni.. le controversie connesse
al progressivo definirsi ed affermarsi dell’idea di evoluzione: l’epicentro
del dibattito era ancora (e in parte, sciaguratamente, per MOLTI lo è ancora !)
il ruolo dell’uomo nella creazione.. il ruolo id est l’esistenza di Dio
Green JC La Morte di Adamo. L’evoluzionismo e la sua
influenza sul pensiero occidentale. Feltrinelli 1979
… se i dogmatici, sedicenti depositari di
verità, hanno torto per definizione …
.. Non va trascurato il rischio che
corrono gli uomini di
Scienza/cercatori di Verità di
trasformarsi in convinti assertori
della superiorità della (propria)
verità…
religiosi (dogmatici )
scientisti
The Central Dogma Of Molecular Biology
…tanto più che la scienza dogmatica, è
persino più pericolosa della religione
dogmatica perché si propone come
oggettiva, provata, universale, razionale
e cerca di imporsi a sua volta ex cathedra,
vanificando
secoli di libera Ricerca della Verità
e di lotta per la Libertà di pensiero
Alla luce di quanto proposto proveremo a riflettere su alcune scientific priority
disputes nell’ambito del pensiero evoluzionistico, concentrandoci non tanto
ed evoluzionisti
- sulla contrapposizione (ancora
ideologico-metafisica) tra
creazionisti/fissisti…
John Ray
(Newton),
Linneo
(Kant)
sostenitori di una origine delle forme
viventi/specie per progressiva
Buffon
trasformazione
E. Darwin
JB de Lamarck
Wallace
Ch.Darwin
Paley
E. Haeckel
Cuvier
Spencer
Lyell
Neodarwinism
Catastrophism
Creazionisti
dogmatici
Evoluzionisti
dogmatici
Creazionisti (!)
non dogmatici
Dobzhansky
Evo-Devo
… quanto appunto sulla legittimità delle rivendicazioni
di priorità tra gli evoluzionisti
Buffon
i sostenitori dell’origine delle forme viventi (specie) per progressiva
trasformazione della loro forma corporea ( fenotipo)
e/o del loro programma di sviluppo (genotipo/epigenotipo)
(Kant)
Sewall Wright
J.B.S Haldane
Dobzhansky.
E. Haeckel
E. Darwin
Ch.Darwin
JB de Lamarck
Conrad Waddington
Geoffroy Saint Hilaire
Spencer
Wallace
Ernest Mayr
Francis Galton
Stephen Jay Gould.
Eva Jablonka
Richard Dawkins
Il 2009, per la scienza ortodossa, questo è stato indubbiamente
l’anno di Charles Darwin: del 200esimo anniversario della sua
nascita e dei 150 anni dalla pubblicazione dell’Origine delle
Specie, il gran libro da tutti considerato la pietra angolare
dell’evoluzionismo scientifico moderno..
non sono stati in molti a ricordare come quest’anno ricorra anche il
bicentenario della Philosophie Zoologique di Jean Baptiste
Lamarck, l’opera in cui è abbozzata la prima compiuta teoria
evoluzionistica dell’epoca moderna
1809 ..lorsque votre diable était né, mon diable etait professeur…
Che cosa ha determinato il definivo (almeno ad oggi) successo di Darwin nei
confronti dei suoi (solo in parte riconosciuti) predecessori ?
E’ stata soltanto la superiorità (innegabile) sul piano
della documentazione scientifica.. la sistematicità
dell’esposizione e l’apparente linearità/semplicità del
quadro complessivo, almeno in parte conseguente alla
priorità riconosciuta/decretata da Darwin al principio
unificante della selezione naturale a decretare
l’affermazione del paradigma evolutivo darwiniano?
O bisogna ammettere che un ruolo
lo abbia giocato lo Zeitgeist ?
Nel senso che se nel primo
ottocento nel confronto (ancora
metafisico-teologico) tra tra
fissisti/creazionisti (Newton) Linneo- Cuvier ed evoluzionisti
(Buffon)- Erasmus DarwinLamarck erano i primi ad avere un
peso maggiore
… in epoca positivista/materialista
è stato assai più facile il trionfo dei
secondi: Darwin, Spencer ..
Haeckel, Galton
Auguste Comte
If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants…(Letter from Isaac Newton to Robert Hooke, 5 February 1676)
Il problema potrebbe apparire irrilevante.. a meno di
ammettere che guadagnarsi i favori dello Zeitgeist sia
disdicevole.. e che per conquistarne i favori gli intelletti più
ambiziosi utilizzino, più o meno consciamente, stratagemmi
che finiscono con lo sminuire il valore delle loro idee.
Dobbiamo sottolineare che ci troviamo solo APPARENTEMENTE
di fronte ad un caso emblematico (anche se “postumo”) di
controversia moderna, per la paternità della “nuova idea”…
una controversia apparentemente minore, seppur
rintracciabile in alcuni scritti darwiniani, almeno in parte
conseguente all’”ostinazione” con cui ,secondo Darwin, Lyell e
Wallace (uomini al cui giudizio Darwin teneva), si ostinavano a
definire il suo lavoro in termini di uno sviluppo della teoria
lamarckiana dello sviluppo e trasmutazione progressiva…”
…si tratta di una controversia assai più significativa nella misura in cui vi si riconosce
l’indebita INTRUSIONE di problematiche e concettualizzazioni di ordine
METAFISICO che hanno condizionato e tuttora condizionano il dibattito..
Introducendo una grave pecca (già avvertita da Lyell e Wallace) nell’opera di Darwin…
Per molti anni dopo la promulgazione
della dottrina lamarckiana sullo sviluppo
progressivo.... la questione se i
mutamenti nel modo inanimato e
animato .. derivassero da eventi
improvvisi e parossistici o da
trasformazioni graduali e continue …
Pochi passi
decisivi furono
fatti fino alla
pubblicazione
nel 1858 delle
opere di
Wallace e
Darwin..
Letter 4038 — Darwin, C. R. to Lyell, Charles, 12–13 Mar [1863]
My dear Lyell.. you refer repeatedly to my view as a modification of Lamarcks
doctrine of development & progression; if this is your deliberate opinion there
is nothing to be said—; but it does not seem so to me; Plato, Buffon, my
grandfather before Lamarck & others propounded the obvious view that
if species were not created separately, they must have descended from
other species: & I can see nothing else in common between the Origin &
Lamarck. I believe this way of putting the case is very injurious to its
acceptance; as it implies necessary progression & closely connects
Wallace's & my views with what I consider, after two deliberate readings,
as a wretched book; & one from which (I well remember my surprise)
I gained nothing… I must add that Henrietta, who is a first rate critic & to
whom I had not said a word about Lamarck, last night said, ``Is it fair that Sir
C. Lyell always calls your theory a modification of Lamarcks? Why is it
more a modification of his, than of any one's else?''
Henrietta Emma Darwin
Lamarck postulava
una tensione
intrinseca veso la
complessità…
.. there is an annotated copy of the first
volume of a later edition (Lamarck 1830) in
the Darwin Library…. there are frequent
references to it in Darwin’s transmutation
notebooks from 1837 onwards
2
… insomma proprio in quella che Darwin proponeva come chiave di volta
(e proprio fondamentale contributo) all’intero sistema… potrebbe celarsi
una residua componente metafisica (religiosa o piuttosto antireligiosa)..
… la “Selezione Naturale”, un po’ come la “Mano invisibile” di Adam Smith,
non reintroduceva forse il “fantasma” della Provvidenza
[o piuttosto una sua caricatura (imperfetta se non cieca) ?]
The Invisible Hand is
traditionally understood as a
concept in economics, but
Robert Nozick argues in
Anarchy, State and Utopia that
substantively the same concept
exists in a number of other
areas of academic discourse
under different names, notably
Darwinian Natural Selection..
Daniel Dennett has argued in
Darwin’s Dangerous Idea that
this represents a “universal
acid” which may be applied to
a number of seemingly
disparate areas of philosophical
enquiry (consciousness and
free will in particular).
Social Darwinism.
Adam Smith
Scriveva Lyell a pg 469 della sua The geological evidences
1 of the antiquity of man.. Se noi confondiamo la variazione
o selezione naturale con le leggi di creazione divinizziamo
cause secondarie o esageriamo incommensurabilmente
la loro influenza
In genere si afferma che se c’è stata una involuzione in senso dogmatico
(e, una ancor peggiore, in ambito sociale) del Darwinismo, la responsabilità
è di epigoni e Neo-Darwinisti che avrebbero trasformato le grandi intuizioni
darwiniane in dogmi. Ma le cose stanno realmente in questi termini ?
.. e se il problema fosse
invece in quel concetto
di Selezione Naturale*
- agente “a posteriori”
su trasformazioni tutto
sommato casuali, anche
se in parte adattative..
collegato ad una concezione
essenzialmente conflittualcompetitiva della Natura
(almeno in parte ispirata
dalla lettura di Malthus) progressivamente
enfatizzato da Darwin,
per affermare la propria
indiscutibile priorità …
Thomas Robert Malthus
… e per ridimensionare le grandi intuizioni dei suoi
predecessori (Lamarck, Erasmus Darwin):
- la tensione/tendenza pro-evolutiva intrinseca
alle forme di vita
- la direzionalità (verso la complessità) insita
nel processo,
- il ruolo attivo induttore/modulatore dell’ambiente
(oggi si direbbe delle informazioni provenienti
dall’esterno) nei confronti delle trasformazioni
(adattative) delle singole forme di vita..
… è come se, dietro le apparenze della controversia moderna (prioritaria) riemergesse
l’esigenza del confronto tradizionale (metafisico-religioso) ….
Darwin sapeva che le polemiche (e il successo)
di On the Origin of Species erano legate alla
collocazione dell’uomo tra gli altri animali e
nell’ambito di un processo di trasformazione
che sembrava poter fare a meno di Dio..
e in Descent of Men affrontò il problema in modo
esplicito ed esauriente..
Se la “tentazione” di dimostrare razionalmente
l’esistenza/necessarietà di Dio era ed è tipico dei
dogmatici religiosi.. La “tentazione” di dimostrarne
scientificamente la innecessarietà/non esistenza
sarà da allora tipica dei dogmatici scientisti
I have never been an atheist in the sense
of denying the existence of a God. – I think
that generally ... an agnostic would be the
most correct description of my state of mind
(Darwin, C. R. to Fordyce, John, 7 May 1879
History has the habit of creating heroes and anti-heroes, and so Darwin
triumphed while Lamarck bore the brunt of ridicule and obscurity. The reason
is that the theories of the two men are logically diametrically opposed.
Darwin's theory is natural selection, and
selection entails a separation of the
organism from its environment. The
organism is thus conceptually closed off
from its experience, leading logically to
Weismann's barrier and the central
dogma of the genetic paradigm, which is
reductionistic in intent and in actuality
Lamarck's theory, on the other hand, is of transformation
arising from the organism's own experience of the
environment. It requires a conception of the organism as
open to the environment - which it actually is - and invites us
to examine the dynamics of transformation, as well as
mechanisms whereby the transformation could become
'internalized'. Hence it leads logically to the epigenetic
approach, which embraces the same holistic, systems
thinking that Lamarck exemplifies
Burkhardt, R. (1977). The Spirit of Systems, Harvard University Press, Cambridge, Mass.
Organisms are not passively altered by their
environment, as his colleague Geoffroy Saint1
Hilaire thought. Instead, a change
"First Law"
in the environment causes changes
in the needs of organisms living in that
environment, which in turn causes
changes in their behavior.
Altered behavior leads to greater or lesser use of a
given structure or organ;
use would cause the structure to increase
2
in size over several generations,
whereas disuse would cause it to shrink
or even disappear.
"Second Law"
3 Lamarck's "Second Law" stated that all such changes
were heritable. The result of these laws was the
continuous, gradual change of all organisms, as
they became adapted to their environments;
the physiological needs of organisms, created
by their interactions with the environment,
drive Lamarckian evolution.
Jean-Baptiste Lamarck
(1744-1829)
Philosophie zoologique (1809).
4
Lamarck introduced tree-like binary schemes for taxonomic classification
Lamarck, J.-B. 1809. Philosophie zoologique, Part II. Paris. Dentu, et l’Auteur.
• While the mechanism of Lamarckian evolution is quite different
from that proposed by Darwin, the predicted result is the same:
5
adaptive change in lineages, ultimately driven by
environmental change, over long periods of time.
• It is interesting to note that Lamarck cited in support of his theory of
!??!!
evolution many of the same lines of evidence that Darwin was to use in
the Origin of Species..
6
- the great variety of animal and plant forms produced under human
cultivation (Lamarck even anticipated Darwin in mentioning fantail
pigeons!);
- the presence of vestigial/non-functional structures in animals
7
- the presence of embryonic structures that have no counterpart in the
adult.
8• Like Darwin and later evolutionary biologists, Lamarck argued that
the Earth was immensely old.
• Lamarck even mentions the possibility of natural selection in his writings,
9 although he never seems to have attached much importance to this idea.
!!!
!? !?!
• It is even more interesting to note that, although Darwin tried to refute
the Lamarckian mechanism of inheritance, he later admitted that the
heritable effects of use and disuse might be important in evolution.
10 In the Origin of Species he wrote that the vestigial eyes of moles and of
cave-dwelling animals are "probably due to gradual reduction from disuse,
but aided perhaps by natural selection."
• Several other scientists of the day, including Erasmus Darwin, subscribed
to the theory of use and disuse -- in fact, Erasmus Darwin's evolutionary
theory is so close to Lamarck's in many respects that it is surprising that, as
far as is known now, the two men were unaware of each other's work
• Lamarckian inheritance, at least in the sense Lamarck intended,
is in conflict with the findings of genetics and has now been largely
abandoned -- but until the rediscovery of Mendel's laws at the beginning of
??? the twentieth century, no one understood the mechanisms of heredity, and
Lamarckian inheritance was a perfectly reasonable hypothesis.
• Lamarck's scientific theories were largely ignored or
attacked during his lifetime; Lamarck never won the
acceptance and esteem of his colleagues Buffon and
Cuvier, and he died in poverty and obscurity.
• Today, the name of Lamarck is associated merely with
a discredited theory of heredity,
???
the "inheritance of acquired traits."
• However Lyell, Darwin, Haeckel and other early
evolutionists acknowledged him as a great zoologist and
as a forerunner of evolution… Darwin wrote in 1861: Lamarck
was the first man whose conclusions on the subject excited much
attention. This justly celebrated naturalist first published his views in
1801. . he first did the eminent service of arousing attention to the
probability of all changes in the organic, as well as in the inorganic
world, being the result of law, and not of miraculous interposition.
• In several other respects, the theory of Lamarck differs from modern
evolutionary theory.
• Lamarck viewed evolution as a process of increasing complexity and
"perfection," not driven by chance; as he wrote in Philosophie zoologique,
"Nature, in producing in succession every species of animal, and beginning
11
with the least perfect or simplest to end her work with the most perfect,
has gradually complicated their structure."
• Lamarck did not believe in extinction: for him, species that disappeared
did so because they evolved into different species. If this goes on for too
long, it would mean the disappearance of less "perfect" organisms…
• Yet despite these differences, Lamarck made a major contribution to
evolutionary thought, developing a theory that paralleled Darwin's in
many respects.
• Rediscovered in the middle part of the 19th century, his theories finally
!? !?! gained the attention they merited.
Natural Selection
as affecting Civilised Nations
Daniel Dennett has argued
in Darwin’s Dangerous
Idea that this represents a
“universal acid”
I have hitherto only considered the advancement of man from a semi-human
condition to that of the modern savage. But some remarks on the action
of natural selection on civilised nations may be worth adding.
This subject has been ably discussed by Mr. W. R. Greg,* and previously by
Mr. Wallace and Mr. Galton.** Most of my remarks are taken from these three
authors. With savages, the weak in body or mind are soon eliminated;
and those that survive commonly exhibit a vigorous state of health…
We civilised men, on the other hand, do our utmost to check the
process of elimination..
Fraser's Magazine, Sept., 1868, p. 353.
Mr. Wallace, Anthropological Review…
Mr. Galton in Macmillan's Magazine, Aug., 1865, p. 318;
also his great work, Hereditary Genius, 1870.
we build asylums for the imbecile, the
maimed, and the sick; we institute
poor-laws; and our medical men exert
their utmost skill to save the life of
every one to the last moment.
There is reason to believe that vaccination
has preserved thousands, who from a
weak constitution would formerly have
succumbed to small-pox.
Thus the weak members of civilised
societies propagate their kind.
No one who has attended to the breeding
of domestic animals will doubt that this
must be highly injurious to the race of
man.
It is surprising how soon a want of care, or
care wrongly directed, leads to the
degeneration of a domestic race; but
excepting in the case of man himself,
hardly any one is so ignorant as to allow
his worst animals to breed.
Leonard Darwin (1850 -1943), a son of the English naturalist Charles Darwin was Chairman
of the British Eugenics Society between 1911-1928 (succeeding his half-cousin Francis Galton),
Daniel Gasman: Haeckel's Monism and the Birth of Fascist Ideology
Anthropogenie or The Evolution of Man (1874
edition): Haeckelian illustration of evolution
To Haeckel, phylogeny was the
engine of ontogeny, and thus
ontogeny recapitulated
phylogeny, his Biogenetic Law.
1
2
3
EVO DEVO ?
EVO-lutionary DEV-elopmental biology
Lo studio di questi geni dai due punti di vista, della biologia evolutiva e
della biologia dello sviluppo, permette di capire meglio come gli
organismi si sviluppano, dalla cellula all’uovo adulto, e su quali basi
genetiche si instaurano i meccanismi che portano alla comparsa di novità
fenotipiche che a volte possono originare nuovi organismi, nuove specie
... l’evoluzione e la diversificazione degli animali e delle piante può
essere spiegata dai cambiamenti funzionali dei geni che controllano lo
sviluppo
Solo la conoscenza del modo
in cui operano i geni (altamente
conservati) che regolano lo
sviluppo ontogenetico ..
ci consentirà di capire il
proesso bio-evolutivo
…nel corso dell’evoluzione le divergenze
biologiche e i cambiamenti morfologici
sono accompagnati da un alto grado di
conservazione dei moduli genetici
che li determinano, dal che si deduce che
le risposte alle domande evolutive sono da
cercare fondamentalmente nei
meccanismi che regolano l’espressione
genica e la composizione del genoma.
Oggi sappiamo che i geni sono
straordinariamente stabili, anche quando
si considerino specie separate tra loro da
milioni di anni: se ad es. consideriamo
il gruppo di geni Hox, quello che controlla lo
sviluppo segmentale del corpo degli
animali, si è mantenuto essenzialmente lo
stesso nell’uomo e in organismi che da
questo si sono diversificati da più di 700
milioni di anni….
Towards a New Synthesis ?
MODERN EVOLUTIONARY SYNTHESIS
COSMIC EVOLUTION
MACROEVOLUTION
PUNCTUATED EQUILIBRIA
MICROEVOLUTION
ENDOSYMBIOTIC THEORY
HGT
DEVO-EVO
attractor
EPIGENETICS
SYSTEMS BIOLOGY
NATURAL GENETIC ENGINEERING
Speciation and the Environment
EVOLUTIONARY ECOLOGY
The Red Queen Principle
NON-GENETIC FORMS OF INHERITANCE
"in this place it takes all the running you can do, to keep in the same place."
primo schema (in un tempo
lineare/direzionato) …
1
… dovremo immaginare un processo bio-evolutivo inserito nel processo
evolutivo cosmico (dai fotoni agli atomi + semplici a quelli più complessi
etc) le cui ipotetiche leggi (sic) siano valide a tutti il livelli ed ambiti …
From the Big Bang to Complex Stars:
The Decelerating Phase of Universal Development
© 2006 Accelerating.org
From Biogenesis to Intelligent Technology:
The Accelerating Phase of Universal Development
2
Carl
Sagan’s
“Cosmic
Calendar”
(Dragons
of Eden,
1977)
Each
month is
roughly 1
billion
years.
© 2006 Accelerating.org
… un modello costruttivo
+ che selettivo..
in cui la tensione
immanente verso la
complessità e le regole
della complessità siano
riconoscibili/ipotizzabili
i cui passaggi
fondamentali siano di
tipo aggregativo..
ricombinatorio
(in termini di molecole e
poi di biomolecole e poi
di moduli)
Abiogenesis
3
… la formazione di
bio-molecole complesse
Rna.. proteine.. infine Dna)
rappresenta un momento
essenziale..
la formazione di cellule
(procariotiche) un altro..
https://www.msu.edu/course/lbs/148h/fall2007/0920prokaryotes&viruses.pdf
WHERE DO WE COME FROM ?
4
l'inglobamento di microrganismi simbionti e la progressiva formazione di cellule
eucariotiche un altro ancora .. e così la costituzione di organismi multicellulari etc
Ipotesi – endosimbionti (Lynn Margulis): un batterio dotato di metabolismo anaerobico avrebbe
inglobato un battere a metabolismo aerobico (dal quale si sarebbero prodotti i mitocondri
mentre il battere ospite avrebbe fornito il nucleo) – ecc..
NOTA: in tutti i passaggi descritti fin qui (14) non c’è posto per le ipotizzate
mutazioni genetiche stocastiche quale motore fondamentale del processo
5
tra i "salti" evolutivi fondamentali possiamo ricordare anche solo il big bang biologico nel Cambriano..
Probabilmente legato ad un passaggio di stato/soglia ed alla formazione di alcune fondamentali reti
(epi)genetiche e conseguenti piani di sviluppo..
Cambrian Explosion
Major Transitions for Complex Life
Origin of multicellularity
DEVO !
EVO !
Body plan diversification
6
… in tutto questo un ruolo
enormemente sottovalutato
è svolto dai (retro)virus e dal
trasferimento orizzontale di
sequenze geniche mobili:
… in particolare per quanto concerne
il processo evolutivo proprio degli
organismi superiori
le maggiori acquisizioni e
trasformazioni sono il prodotto
di inserimenti genici..
7
… un esempio per tutti: la placentazione. è infatti ormai dimostrato che il
sinciziotrofoblasto è il prodotto di una proteina codificata da un retrovirus:
quindi i mammiferi sono "figli" dell'inserimento di un retrovirus in genomi
di organismi precedenti...
Here .. a viral gene has been sequestered to
serve an important function in the physiology of
a mammalian host. This gene, encoding a
protein that we have called syncytin, is the
envelope gene of a recently identified human
endogenous defective retrovirus, HERV-W. We
find that the major sites of syncytin expression
are placental syncytiotrophoblasts,
multinucleated cells that originate from fetal
trophoblasts. …syncytin may mediate placental
cytotrophoblast fusion in vivo, and thus may be
important in human placental morphogenesis.
Simplified drawing of the human placental villous structure, showing
the cytotrophoblast at different stages of differentiation, syncytial
fusion, syncytiotrophoblast differentiation and shedding.
A child in the womb carries foreign
antigens from the father as well as
immunologically
compatible self-antigens
from the mother.
8
il fatto che il genoma dei primati e, in particolare, dell'uomo sia costituito per l'8% da HERVs..
cioè da retrovirus endogeni e per oltre la metà da retrosequenze mobili (che hanno struttura
simil-retrovirale)…
Events following endogenization of a retrovirus.
I RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTI
8b
… che svolgono un ruolo continuo di trasformazione/ingegnerizzazione reattivo-adattativa
dell’intero genoma è un dato estremamente importante (Natural Genetic Engineering)
Activation of an ERV through mutation
I RETROVIRUS SONO I NOSTRI + INTIMI SIMBIONTI
Transposable elements can be seen as a natural genetic engineering system
capable of acting not just on one location at a time but on the genome as a whole ..
This dynamic view of the genome has been illustrated most impressively
by Shapiro who stated that the genome is composed of modular units arranged
in a “Lego-like” manner that can be altered under certain circumstances
A small fraction of the chromosomal DNA codes for proteins
The Central Dogma of Molecular Biology depicts one
direction-flow of genetic information
SYSTEMS
GENOMICS
(BIOLOGY)
REVERSE
TRANSCRIPTION
GRNetworks
TRANSPOSABLE ELEMENTS
NATURAL GENETIC ENGINEERING
TRANSCRIPTION
FACTORS
(and COFACTORS)
EPIGENETIC
CHANGES
The “Fluid
Genome”
ENVIRONMENT
9
CEM
Dovremmo rappresentare l’”ambiente “ come un flusso
continuo di informazioni semplici - i fotoni: singoli pacchetti di
E = M = Informazione - o complesse (molecole organiche …
virus… etc..) in grado di interagire con le cellule (recettori
membranari proteine di trasduzione (epi)-genoma…)…
TCDD
Viruses
1
3
“FLUID EPI-GENOME”
HERVs
4
SYNERGISM ?!
2
… determinando in esse (sia cellule procariotiche che eucariotiche) un flusso di informazioni e di
conseguenti risposte , in ultima analisi (epi)genetiche… che, in alcuni casi e condizioni particolari
possono dar vita a modifiche stabili e trasmissibili dell’assetto (epi) genetico ...
Upon starvation some E. coli cells
undergo a transient,
genome-wide hypermutation
(called adaptive mutation) that
is recombination-dependent and
appears to be a response to a
stressful environment.
.. adaptive mutation is regulated by
the SOS response, a complex, graded
response to DNA damage
that includes induction of gene
products blocking cell division
and promoting mutation,
recombination, and DNA repair.
In un esperimento analogo, Barry Hall dell'Università del Connecticut sottopose dei
batteri a un compito ancora più difficile: per poter metabolizzare il nuovo zucchero
che era il loro unico principio nutritivo, dovettero effettuare due mutazioni, una
delle quali era un'eliminazione di istruzioni genetiche esistenti.
Le probabilità che due mutazioni avvengano a caso, nello stesso periodo di
tempo sono poco più di una su un miliardo. Come nell'esperimento di Cairns, i
batteri trasmisero poi la capacità appena acquisita alle successive generazioni...
These experiments suggested that mutations in bacteria are
influenced by the selective pressures that the bacteria are placed
under.
In other words, it seems that the environment can sometimes
affect the genotype as suggested by Lamarck.
This hypothesis, if true, would modify the central dogma of
molecular biology, which states that DNA defines protein
expression, and that protein expression creates function in a
physical environment.
If the environment provides feedback to DNA to mutate in a given
way, such a process would involve an information transfer from
the environment to the DNA.
… studi più recenti dimostrano come le mutazioni adattative vadano inserite in un contesto più
ampio di stress e caos genomico con rotture e ricombinazioni, alterazioni dei meccanismi
di riparazione, amplificazioni e uno stato di iper-mutazione diffuso a tutto il genoma batterico
attivato e regolato dal sistema SOS, che risponde a precisi segnali ambientali.
ambientali
..other, unselected mutations do occur throughout the genome in the same transiently hypermutable
subpopulation that is producing adaptive mutants..Rather, it would appear that stationary bacteria, under
severe metabolic or environmental stress, can acquire a transient hypermutable state in which the
mutation rate is radically increased in an undirected manner….
E’ stato anche dimostrato da tempo che
tali molecole-segnale sono
ubiquitariamente diffuse in tutti gli
ecosistemi,
ecosistemi essendo prodotte e
trasmesse orizzontalmente tra
microrganismi anche molto distanti tra
loro sul piano genetico e filogenetico
e che anche la gran parte delle resistenze
si producono e trasmettono in questo
modo.
Martínez JL.Antibiotics and
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Martínez JL, Baquero F, Andersson DI.
Predicting antibiotic resistance Nat Rev
Microbiol. 2007 Dec;5(12):958-65
… la situazione è evidentemente molto più complessa per quanto concerne gli organismi
pluricellulari e, in particolare, gli organismi superiori..
Percentage of non-coding DNA during evolution
… AS EUKARYOTIC COMPLEXITY GROWS SO DOES NON-CODING DNA
GREATER THAN 95% OF our DNA
LESS THAN 1.5% OF HUMAN GENOME ENCODES PROTEINS, BUT ALL DNA IS TRANSCRIBED
40% OF HUMAN GENOME IS TRANSPOSONS & REPEAT GENETIC ELEMENTS.
about 45% of the human genome is derived from transposon DNA
( symbiontic !)
Despite their
parasitic nature
….
transposable
elements are a
powerful force
in genome
evolution
Transposons (and retroviruses) are natural gene delivery
vehicles that are being developed as genetic tools.
Temin (1971..)...
C-Onc
V-Onc
Il genoma dello scimpanzé è per il 98.77% identico a quello umano.
In media, un gene codificante una proteina in un uomo differisce dal
suo ortologo nello scimpanzé
per due sole sostituzioni
aminoacidiche
..quasi un terzo
dei geni umani
Evo
hanno esattamente
la stessa traduzione
proteica dei loro
ortologhi
nello
scimpanzé
..piuttosto stabili
da milioni di anni
sul piano genetico
e fenotipico...
Species phylogeny
Orangutan
Gorilla
Chimpanzee
From the Tree of the Life Website,
University of Arizona
Human
Sanger Institute
Chimpanzee-human
divergence
Evo
6-8
million
years
Hominids or hominins
Chimpanzees
Humans
Brain:
a rapidly
evolving
Organ ?
INTELLIGENT DESIGN
Epigenetic modifications : a molecular environmental effect
Nature
Genetics
Critical determinants
of the epigenome
Devo
Acute
enviroemental
events
Environment
Daily
(low intensity)
enviromental
events
Celiac Disease
Genetic Mutations
etc.
Epi-Mutations
And Alzheimer Disease ?
Fraga et al., PNAS. 2005.
CHANGING EPIGENOME
Why this disease is concordant
in only 60% to 70% of identical twins.
Nurture
Epigenetic differences in homozygotic twins
3 -y e a r -o ld
tw in s
5 0 -y e a r -o ld
tw in s
Fraga et al., PNAS. 2005.
Soft -wired
memory
http://www.nature.com/news/2006/060508/images/441143a-i2.0.jpg
• L’Ambiente agisce più
direttamente
sull’epigenoma (assetto
cromatinico-hystone code,
metilazione DNA, RNA
minori..)
• e attraverso questo
sul genoma
• Possiamo anche dire
che l’evoluzione
del fenotipo individuale
anche patologico (!)
è determinato
dall’epigenoma più
che dal genoma
Interphase chromosomes
Mitotic chromosome
DNA
double
helix
(2-nm
diameter)
Euchromatin
Histones
“Beads on
a string”
Nucleosome
(10-nm diameter)
Heterochromatin
Tight helical fiber
(30-nm diameter)
Supercoil
(200-nm diameter)
Metaphase chromosome
700
nm
Campbell NE et al (Eds):
Biology: Concepts & Connections
4th Edition, 2003
Multiple levels
of packing are
required to fit
the DNA into
the cell
nucleus
Nuclear DNA is
normally tightly
wrapped around
histones rendering the
DNA inaccessible to
the general
transcription
machinery and hence
this tight association
prevents transcription
of DNA
DNA methylation
Covalent modification of the DNA is also important for gene silencing human cells. Most
genes have GC rich areas of DNA in their promoter regions.
These are referred to as CpG islands.
Methylation of the C residues within the CpG islands leads to gene silencing
(highly unstable base)
The
Histone tails
are a critical
determinant
of chromatin structure
Le code aminoacidiche
degli istoni potrebbero
essere considerate
come la componente
sensoriale /ricettiva
del genoma …
Histone Tails
are subject to
a variety of
covalent
modifications
Histone Code”
hypothesis: modifications
of the Histone tails
act as marks read
by other proteins
to control the
expression
or replication of
chromosomal regions
E.g. generally,
Histone Acetylation
is associated with
transcriptionally
active genes
Deacetylation
is associated with
inactive genes
(= gene silencing)
Controlling active and inactive states
of embryonic and somatic cells
Gene- and tissue-specific epigenetic patterns
b
a
2
Hormones
1
Mismatch Repair Enzymes
Trascription Factors
Correct organization
of chromatin
e
c
X
chromosome
inactivation
3
microRNAs
f
Genomic
imprinting
d
Silencing repetitive elements
Many toxicants cause
rapid alterations in gene
expression by activating
protein kinase signaling
cascades.
Histone Acetyltransferases;
Histone Methyltransferases
Histone Deacetylases.
Histone
Lysine
Acetylation
P
H3-K9
The resulting rapid,
defensive alterations in
gene activity require the
transmission of a signal
directly to the histones
present in the chromatin
of stress response genes:
H3-S10
within minutes
of exposure
the phosphorylation of
serine 10 of histone H3
and the
acetylation
of lysines 9 and/or 14
take place
Nuclear Receptor
DNA Response Element
ATP-dependent Nucleosome
Remodeling Complex
These modifications are believed to be
essential for the full transcriptional
response to stress-inducing chemicals
Un tale modello vale ovviamente
anche nell'ambito del processo
di sviluppo ontogentico
(che è tanto meno rigidamente
programmato.. quindi tanto più
dipendente dalle informazioni che
giungono dall'ambiente quanto più
complesso è l'organismo in
questione):…
Cellular Differentiation: an Epigentic process
In developmental biology, cellular
differentiation is the process by which a less
specialized cell becomes a more specialized
cell type. Differentiation occurs numerous
times during the development of a
A
multicellular organism as the organism
changes from a single zygote to a complex
system of tissues and cell types.
Differentiation is a common process in adults
as well: adult stem cells divide and create
fully-differentiated daughter cells during
B
tissue repair and during normal cell
turnover. Cell differentiation causes its size,
shape, polarity, metabolic activity, and
responsiveness to signals to change
dramatically.
These changes are largely due to
highly-controlled modifications in gene
expression. With a few exceptions, cellular
differentiation almost never involves a
change in the DNA sequence itself.
Thus, different cells can have very different
physical characteristics despite having the
same genome.
Cellular differentiation during development
A
can be understood as the result of a gene
regulatory network. A regulatory gene
and its cis-regulatory modules are nodes in
a gene regulatory network; they receive
input and create output elsewhere in the
network . The systems biology approach to
developmental biology emphasizes the
importance of investigating how developmental
mechanisms interact to produce predictable
patterns (morphogenesis).
Organismo adulto = Clone di miliardi di cellule
derivanti da uno zigote: uguali sul piano genetico
differenti sul piano epi-genetico
Differentiation
Fetal Programming
EVO DEVO ?
DEVO EVO !
MANFRED EIGEN
Devo Evo: A New ( NEO-LAMARCKIAN) Paradigm for Understanding Change
Environment
Fluid (Epi)Genome
Devo
DNA Program (Species)
Evo
First Hit (s)
Second Hit (s)…
Viruses
Chemicals
X Rays, UP..
Fetal Programming (Epigenetic)
Genetic Damages
E’ possibile ipotizzare/dimostrare che le modifiche dell'assetto epigenetico si trasformino progressivamente in modifiche
genetiche e/o cariotipiche … e che, nella misura in cui coinvolgono i gameti possano trasmettersi di generazione in
generazione ecc..
Environmental exposures have been found
to promote several transgenerational
disease states or phenotypes
The reproducibility and frequency of these
disease phenotypes suggests they are likely
epigenetic rather than due to DNA sequence
mutations.
The exposure of a gestating mother exposes
the F0 generation mother,
the F1 generation embryo and
the germ-line of the F2 generation.
The F3 generation would be the first unequivocal
transgenerational generation not exposed.
Research has demonstrated that 90% of all male progeny
for four generations (F1–F4) developed these disease states
after the direct exposure of the F0 gestating rat
This transgenerational phenotype was only transmitted
through the male germ-line (sperm) and
was not passed through the female germ-line (oocyte).
These animals had the following disease state
frequencies; 20% tumor development,
50% prostate disease, 40% kidney disease,
30% immune abnormalities, and 30% severe
infertility in males from F1 to F4 generations
Stressors, which cannot be compensated for with the usual cell
possibilities might arouse evolutionary mechanisms intended
to create new protein variants. One of these is the activation
of transposable elements which leads to a reformatting of the
genome.
1
2
The hypothesis developed
in this article is that chronic
stressors can induce adaptive
rearrangements
of the genome which might
result in new proteins helping
survival in a harmful
environment or trigger the
development of a completely
‘‘new’’ organ – the cancer –
which also survives – even
though its survival is at the
expenses of its host.
1
3
macroevolution
A
Symbiogenesis
Horizontal gene transfer
Neodarwinistic Paradigm
EMERGENT
Master
Genes
PROPERTIES
(microevolution)
GRNs
Environmental
crisis
NEW DEVELOPMENTAL PATTERNS
Genes
Natural Genetic
Engineering
Random Mutations
Mobile
Sequences
(Fluid) Epigenome
Reverese
Transcriptase
Phenotype
HATs
Natural Selection
B
(Environment)
HDACs
DMTs
Ribotype
Environment
Proteome
Phenotype
Organisms
NRs
TFs
(ecosystems)
(Fluid) Genome
Cells
Rs
Rs
microevolution
Molecules
Neo-Lamarckian-Constructive
Paradigm
Natural Selection
Rs: Receptors
Neo-Lamarckian medicine.
Gorelick R.
School of Life Sciences, Arizona State University, Tempe, AZ 85287-4501, USA. [email protected]
Med Hypotheses. 2004; 62(2):299-303
Darwinian medicine is the treatment of disease based on evolution. The underlying assumption of
Darwinian medicine is that traits are coded by genes, which are often assumed to be sequences of DNA
nucleotides.
The quantitative genetic ramification of this perspective is that traits, including disease susceptibility,
are either caused by genes or by the environment, with genotype-by-environment interactions usually
considered statistical artefacts.
I emphasize also examining those epigenetic signals that can be altered by environmental perturbations and
transmitted to subsequent generations. Although seldom studied, environmentally-alterable meioticallyheritable epigenetic signals exist and provide a mechanism underlying genotype-by-environment interactions.
Environment of a parent can affect its descendants by heritably altering epigenetic signals.
Neo-Lamarckian Medicine is the application of these evolutionary epigenetic notions to diseases
and could have enormous public health and environmental policy implications.
If industrial contaminants adversely affect organisms by meiotically-heritably altering their epigenetic signals, then
cleaning up these contaminants will not remedy the problem.
Once contaminants have adversely altered an individual's epigenetic signals, this harm will be transmitted to future
generations even if they are not exposed to the contaminant. Exposure to environmental shocks such as free
radicals or other carcinogens can alter cytosine methylation patterns on regulatory genes.
This can cause cancer by up-regulating genes for cell division or by down-regulating tumour suppressor genes.
Environmentally-alterable meiotically-heritable epigenetic signals could also underlie other diseases, such as
diabetes, Prader-Willi syndrome, and many complex diseases. If environmentally-altered meiotically-heritable
epigenetic effects are widespread - which is an important open empirical question - they have the potential to
alter paradigmatic views of evolutionary medicine and the putative dichotomy of nature versus nurture.
Neo-Lamarckian medicine would thereby shift emphasis from cure to prevention of diseases.
Cosa è “MALATTIA” ?
• G. Fanconi “ Non vi sono
malattie nuove.. nuovo è il modo
di interpretarle”
(Burgio-Notarangelo
Malattie Maestre, 2002
pag. 170)
•
M. Grmek: da Vesalio e Sydenham malattia
come quadro sintomatologico ben definito =
nuova ontologia

PATHOCENOSIS (cfr. biocenosis)
Viruses
Microbes
Systemic (micro)vascular
phlogosis
Kawasaki Disease
(systemic endothelitis)
Atherosclerosis
(systemic endothelitis)
Coeliac Disease
Autism (?)
“Neurodegenerative” diseases
TLRs
“changing
environment”
Biosphere
Natural Immunity
Gut Ecosystem
Immuno-systems
Adaptive Immunity
tolerance
Fluid
Genosphere
Genetic
background
type 0
hypersensitivity
type I
type II
type III
type IV
Ippocrate
Galeno di Pergamo
Cosa è “MALATTIA” ?
Il Medico migliore è la natura: cura i 3/4
delle malattie e non sparla dei colleghi
Non esistono malattie. Esistono solo malati
Effettivamente, gran parte della gente pensa che le malattie esistano come tali, che cioè esista "la"
tubercolosi, che esista "il" tifo… Inizialmente, nel pensiero arcaico, la malattia - secondo una teoria
ontologica - é un essere che penetra nell’organismo, un essere, come un demonio o uno spirito…
Gli antichi, medici e pensatori greci, Ippocrate e i presocratici, hanno rotto questo concetto ontologico e
ne hanno fatto un concetto dinamico: la malattia è un processo, qualche cosa che fa parte dell’uomo ..
Con lo sviluppo del pensiero medico e scientifico, la malattia si concepisce, ad esempio in Galeno, come
qualche cosa che si oppone alla natura.. Nel Corpus Hippocraticum l’immagine dominante è legata alla
tradizione greca che di solito si collega a Pitagora…. la malattia è la perdita di armonia… Per Ippocrate
le entità nosologiche non esistono perché non c’é una chiara, possibile separazione: la sua definizione
della malattia é una perturbazione quantitativa e qualitativa dei quattro umori
Storicamente il concetto clinico interviene successivamente. I massimi esponenti di esso sono Thomas
Sydenham e Giorgio Vesalio... Essi creano un nuovo tipo di specie, definendo la malattia come un
insieme dei sintomi clinici. Questa è una nuova forma di ontologia non più come quella arcaica, fatta
di esseri reali, ma é un’ontologia di esseri astratti (Mirko Grmek, 1989)
In qualunque malattia è buon segno se il malato serba
lucidità e appetito, cattivo segno se gli accade il contrario.
I vecchi generalmente si ammalano meno dei giovani,
ma se le loro malattie diventano croniche, durano quasi
sempre fino alla morte (Ippocrate)
1
2
Morgagni
Cosa è “MALATTIA” ?
La necessità delle classificazioni - si parla della nosografia - come descrizione della malattia e della
nosologia, cioè la classificazione della malattia. Tutto ciò accade nell’epoca in cui i naturalisti riescono a
fare una classificazione, che ad essi sembra naturale, delle piante e degli animali e si spera così di
fare anche una classificazione naturale delle malattie. La cosa non riesce, e non é riuscita fino ad oggi.
Si approfondisce il concetto di localizzazione: malato é l'organismo o malato è una sua parte? Per
Ippocrate una persona che aveva male a un dito era malata nell’insieme e la malattia non era localizzata
al dito. Con Morgagni la malattia si localizza: la sua sede è in un organo. Ma si va oltre e Bichat ne
vede la sede nei tessuti. A metà dell’800 con Virchow, la sede della malattia si trasferisce nella cellula..
Milieu intérieur, ambiente interno, era il concetto originale di Claude Bernard che al giorno d'oggi
assume la più grande importanza. Le condizioni del mondo che ci circonda cambiano
costantemente, ma il delicato equilibrio di caratteristiche interne dei nostri corpi non ne è affetto.
Ciò è possibile grazie a quello che oggi chiamiamo omeostasi (W B Cannon – Selye).
Virchow
Claude Bernard
Walter Bradford Cannon
3
Jenner
Pasteur
Robert Koch
Metchnikoff
Cause Prossime
4
Per combattere la malattia è molto meglio giungere alla individuazione della causa. La scoperta dei
microbi come cause di molte malattie, introduce un nuovo concetto, il concetto eziologico, della malattia
Ciò che irrompe come una novità, se vogliamo filosofica, concettuale, é la malattia che in origine è una
cosa che dall’esterno entra nell’organismo, successivamente diventa un cambiamento dell'organismo,
un qualcosa come una modificazione negativa dell'organismo, e infine la malattia può essere concepita
come la lotta dell’organismo contro un fattore nocivo… un processo salutare. Si passa a una ricerca
del modo col quale l'organismo potrebbe ritrovare il perduto equilibrio con l'ambiente…
5
Nel senso di fenomeno intrinseco della vita che é una lotta di sopravvivenza, una lotta per rimanere
se stesso o rimanere più fedele possibile all’esecuzione di un programma di base che vari fattori, la
malattia, impediscono in quanto deviazione del programma..
Cause Remote
Processo reattivo-adattativo
6
It was Ilya Metchnikoff, with his phagocytic theory of immunity, who gave full voice to the
suggestion that the critical struggle in disease is between different species; the immune
response represents the principal weapon used by the host to combat the pathogenic
organism actively.. He suggested that vertebrate phagocytic cells are the remnants in
higher animals of the original primitive intracellular digestive process of lower organisms
Metchnikoff, E. Lectures on the Comparative Pathology of Inflammation p.
xvii (Dover, New York, 1968); reprint of the 1893 English translation.
Tauber, A.I. & Chernyak, L. Metchnikoff and the Origins of Immunology: From metaphor to theory pp. 101−153 (Oxford Univers.
Press, New York, 1991); see Tauber, A.I. The Immune Self: Theory or metaphor? (Cambridge Univers. Press, Cambridge, 1994).
Clonal selection
Immune Tolerance
Todes, D.P. Mechnikoff, Darwinism, and the phagocytic theory. in Darwin without Malthus: The struggle for existence in Russian
evolutionary thought pp. 82−103 (Oxford University Press, Oxford, 1989); Tauber, A.I. & Chernyak, L. The problem of evolution in
Metchnikoff's works in Metchnikoff and the Origins of Immunology pp. 68−100 (Oxford University Press, New York, 1991)
The ImmuneSelf
1
Age of Degenerative
and
Man-made diseases
Age of Receding Pandemics
Age of Pestilence and Famine
2
The epidemiologic transition is that process by which
the pattern of mortality and disease is transformed
from one of high mortality among infants and children and
episodic famine and epidemic affecting all age groups
to one of degenerative and man-made diseases affecting
principally the elderly
La metà delle malattie descritte nell’antichità sono le varie forme, le varie espressioni cliniche e i
cicli biologici di certi parassiti. Quando cambiano le condizioni esterne cambia anche la
concettualizzazione della malattia. Se nel mondo attuale si insiste sul concetto cibernetico della
malattia intesa come una perturbazione delle regolazioni nervose e umorali, cioé della malattia
come fatto sociale é perché abbiamo una morbilità/mortalità completamente mutata. La nostra
realtà di oggi é fatta di malattie croniche come il reumatismo, le perturbazioni mentali, le malattie
del sistema cardiovascolare, del sistema nervoso. ..
(Anche) il rapporto fra eredità e ambiente nelle malattie é cambiato negli ultimi anni a causa del
cambiamento del quadro nosologico moderno… prima si pensava che le malattie ereditarie fossero
le malattie che si manifestano alla nascita: una malattia ereditaria si vede subito. Oggi si sa che le
malattie ereditarie più importanti, sono bombe a orologeria che si manifestano tardi nella vita…
Anche il concetto di patocenosi ci permette di meglio comprendere la dinamica delle malattie:
Non c’è dubbio che le malattie in una popolazione compongono un insieme, cioé la
frequenza di una influisce sulla frequenza delle altre... il cancro o la sclerosi del sistema
cardiovascolare sono malattie dominanti che caratterizzano una società. ..ogni nuova società,
ogni nuova popolazione può essere in parte descritta o meglio capita se si determina, se si
vede quali sono le malattie dominanti.
3
Cosa è “MALATTIA” ?
•
•
Possiamo a questo punto sintetizzare il tutto dicendo che:
il programma genetico-base e, di conseguenza, le strutture anatomiche e le
caratteristiche fisiologiche proprie di una data specie sono il prodotto di milioni
di anni di lenta co-evoluzione molecolare adattativa in un ambiente relativamente
stabile sul piano chimico (molecolare), come dimostrato dal fatto che negli ultimi 6-8
milioni di anni la quasi totalità della sequenza genomica di base (in particolare
la componente codificante le proteine) è rimasta praticamente invariata.
•
le trasformazioni (epi)genomiche e le conseguenti modifiche anatomiche
e fisio-patologiche a carico di un organismo affetto da una malattia cronica
sono il prodotto di una crisi possibilmente
- precipitata da agenti biologici o chimico-fisici specifici (cause prossime),
- ma originata da uno stress (epi)genomico dis-adattativo (cause remote).
Quadro generale
Paleozoico
•
“Esplosione Cambriana” (570 milioni di anni fa): si originano tutti i phyla
di animali oggi esistenti (piani di svilupo)
Regno Animali (pluricellulari)
Philum
Cordati
Subphilum Vertebrati
•
Tra Mesozoico e Cenozoico (tra 140-65 milioni di anni fa)
Classe
Mammiferi
Ordine
Primati
6-8 milioni di anni
Famiglia
Ominidi
Genere
Homo
Specie
Homo Sapiens
100.000 anni
> 95% sequenze
codificanti comuni
Milioni di anni di lenta co-evoluzione molecolare…
Su queste basi possiamo cominciare a comprendere cosa si dovrebbe intendere
per cause remote... Si consideri infatti che ogni organismo è il prodotto
di un duplice percorso di sviluppo:
- filogenetico
- ontogenetico
•
•
Con il primo termine (filogenesi) ci si riferisce è un processo co-evolutivo e
co-adattativo, che ha origine circa 4 miliardi di anni fa (almeno sulla terra) e che
partendo da organismi semplici (monocellulari) conduce alla formazione di organismi
via, via più complessi tanto sul piano genetico (genotipico), che sul piano
anatomo-fisiologico (fenotipico). In seguito a tale processo gli organismi hanno
acquisito, fissato e trasformato le informazioni provenienti dall’ambiente
esterno, convertendole in bio-molecole (genoma e proteine) e strutture (cellule,
tessuti, organi, apparati) specie-specifiche
Con il secondo termine (ontogenesi) si fa riferimento al processo di sviluppo
individuale, in parte geneticamente programmato (le istruzioni essendo fissate
essenzialmente nel genoma specie-specifico, prodotto dal suddescritto processo
filogenetico), in parte indotto dalle informazioni proveniente dall’ambiente
(in larga misura attraverso il microambiente materno/uterino): in pratica
possiamo affermare che lo sviluppo ontogenetico (individuale) è il prodotto
della decodifica delle potenzialità genetiche (programmatiche)
indotta e modulata dalle informazioni provenienti dall’ambiente
Sul piano biologico/bioevolutivo possiamo ipotizzare che, per quanto concerne la storia
più recente di Homo Sapiens, è possibile riconoscere due crisi (rotture) dis-adattative
maggiori con cambiamenti totali della biocenosi e della patocenosi:
I crisi (rottura) dis-adattativa: Rivoluzione Neolitica
•
•
•
•
•
la prima di queste crisi è rappresentata dalla “Rivoluzione Neolitica”:
dopo milioni di anni di esistenza da primate prevalentemente erbivoro e alcune
centinaia di migliaia di anni da ominide cacciatore- raccoglitore
homo sapiens si sarebbe rapidamente trasformato in essere sociale,
sempre più sedentario (inurbamento) dedito ad agricoltura e zootecnia,
trasformando interi ecosistemi (insetti vettori, agenti microbici, parassiti e virus)
e questo avrebbe causato l’insorgere di nuove malattie legate alla trasformazione
della dieta (celiachia) e quindi del microbiota intestinale (
alterazioni del
sistema immunocompetente) e
soprattutto endemie/epidemie infettive (malattie acute da cause esogene),
essenzialmente zoonosi, che avrebbero dominato per quasi 10mila anni il mondo
umano
Armi, acciaio e malattie
Einaudi 1997
Jared Diamond
Guns, germs and steel
Epidemiologic
Triad
Disease is the result
of forces within a
dynamic system
consisting of:
M. Tevfik DORAK
The fates of human societies
8-10mila anni fa…
Il “dono fatale del bestiame”
.. l'allevamento e quindi il contatto continuo
con gli animali ebbe anche come conseguenza
il passaggio all'uomo di malattie di origine animale
(praticamente tutte le principali malattie contagiose)…
che sarebbero diventata… l’arma più potente
nelle mani dei colonizzatori europei !
Kittler R, Kayser M, Stoneking M: Molecular evolution of Pediculus humanus and the origin of clothing. Curr Biol 2003, 13:1414-1417.
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Reed DL, Light JE, Allen JM, Kirchman JJ: Pair of lice lost or parasites regained: the evolutionary history of anthropoid primate lice. BMC Biol 2007,
5:7.
Scientific American Magazine
August 2009
.. circa 10mila anni fa (rivoluzione
neolitica), la grande svolta:
.. da allora a differenza di tutte le
altre specie viventi l'uomo
non è più evoluto adattandosi
all'ambiente, ma ha cominciato
a trasformare l'ambiente stesso,
in modo via, via più rapido e
radicale .. I vantaggi di quella
scelta sono evidenti.. Ma c’è
sempre anche un prezzo da
pagare … e non devono essere i
nostri figli a pagarlo
II crisi (rottura) dis-adattativa: Rivoluzione Industriale
•
•
•
•
la seconda crisi sarebbe stata una conseguenza della rivoluzione industriale e in
particolare della seconda rivoluzione industriale (chimica) e globalizzazione dei
trasporti e dei traffici commerciali che in pochi decenni (una frazione di tempo
assolutamente irrilevante in ambito bio-evolutivo) avrebbe determinato una
drammatica trasformazione della stessa composizione molecolare della
biosfera, in specie a partire dal secondo dopoguerra mondiale, con diffusione
planetaria di oltre 100mila molecole di sintesi, tra cui, in particolare, antibiotici,
pesticidi, insetticidi, plastificanti e altri EDCs e POPs e conseguentemente:
da un lato trasformazione radicale degli ecosistemi microbici e biologici in
genere, incremento e diffusione orizzontale dei geni di antibiotico-resistenza,
pressione selettiva su virus e in particolare retrovirus (attivazione e/o slatentizzazione
di HERVs), zoonosi (ri)emergenti (cfr anche inurbamento, migrazioni, trasporti,
commerci… bioinvasioni, immunoprofilassi attiva di massa)
dall’altro e + direttamente: “inquinamento chimico-fisico” massivo, da intendersi
come rapida trasformazione della composizione molecolare dell’ecosfera e, in
particolare, dell’atmosfera delle aree urbane e industriali (con esposizione collettiva
e in particolare transplacentare e transgenerazionale a IPA, metalli, benzene, UP..),
della biosfera e delle catene alimentari (con effetti di bioconcentrazione,
bioaccumulo, biomagnificazione) e conseguente stress epigenomico (epigenetico e
poi genetico) collettivo e crescente, perdita della tolleranza e iperreattività
sempre meno selettiva (TILT), trasformazione radicale microbiota e Hygiene
Hypothesis e alterato programming fetale (DOHAD).. che nel medio-lungo periodo
potrebbe persino incidere in ambito devo-evo (> evo-devo).
Evo
Milioni di anni
“Ambiente”
I processi
filo-genetici
durano
milioni
di anni
Challenge “naturale”
1
Agenti Fisici
Adattamento
Co-evoluzione
Tolleranza
>100mila molecole “nuove”
non portato di una di co-evoluzione
Sistemi
Neuro-endocrino
Immunocompetente
Self
Fall-Out Chimico
2
Antigeni
3
Genoma
HERVs
(Retro-viruses)
Agenti Biologici
IXX-XX SECOLO
Drammatica
Trasformazione
Ambientale
e Climatica
Fetal
Programming
Non self
virus
(Epi)-genoma
MHC
Danger Signals
Genosfera
(Retro)Trasposons)
Onco-géni
V-onc
Biosfera
Lo sviluppo onto-genetico
dura 9 mesi una vita
Devo
C-onc
In Conclusione:
Quale e sarebbe oggi e/o potrebbe essere domani
la nostra rappresentazione del processo bio-evolutivo
e, di conseguenza, delle scienze biologiche-biomediche..
qualora fossero state/venissero accettate alcune idee “lamarckiane” inerenti
a:
- una tensione (evolutiva) verso la complessità intrinseca/immanente
a tutte le forme di vita..
- l’induzione/modulazione diretta da parte dell’ambiente (delle
informazioni provenienti dall’ambiente) delle caratteristiche genetiche e
fenotipiche degli esseri viventi…
- una progressiva trasmissione transgenerazionale e fissazione
(epi)genetica delle trasformazioni indotte**
** questo punto merita una particolare attenzione:
se è vero che le informazioni provenienti dall’ambiente induconomodulano non soltanto l’espressione genica, ma lo stesso assetto
epigenetico genetico delle specie
e se è vero che almeno una parte di queste trasformazioni (epi)
genetiche
vengono trasmesse da una generazione all’altra,
le conseguenze della drastica trasformazione dell’ambiente operata in
pochi decenni dall’uomo potrebbero rivelarsi assai più drammatiche di
quanto fin qui registrato e compreso...
the “Steroid Cycle”…
IN 1958, Dr. Roy Hertz described the “steroid cycle,” anticipating what we now call endocrine disrupter
research, as follows: “. . . we have to consider that the introduction of . . . [hormones into cattle feed
lots] leads to the exposure . . . of individuals who might otherwise not ever in their lives come in
contact with such materials . . . . This is not a theoretical consideration because we . . . now have
encountered two families, each with two children, who presented with simultaneously developing
gynecomastia attributable to the accidental contamination of vitamin capsules by estrogens during
manufacture. If such estrogens can, by stray handling, get into such pharmaceutical preparations, can
they not very readily get where they are not wanted on the farm? There is one additional consideration in
this regard . . . . The fecal excretion of these materials . . . will be dropped on the soil and . . . over
generations there will be constant replenishment of the soil surface with steroidal substances of this
kind.
This in turn has its effect potentially on surface water-supply contamination and also potentially on the
vegetable content of steroids in crops raised on such soil . . . . I think that we are now actually setting up
a steroid cycle in our environment, and we have to give very serious consideration to its implications for
our subsequent development and growth and possibly reproductive functions“ (taken from the
discussion following Ref. 1).
Network Segnaletico Globale *
Ecosphere - Biosphere
Bio-Geochemical Cycles
Retrovirus/Sequenze Mobili *
V-Onc *
Carbon Cycle
Hormones *
Nitrogen Cycle
EDCs
POPs
Nutrition
Steroid Cycle
Metabolism
Growth
POPs Cycle
A
Reproduction
Rivoluzione
Chimico-Industriale
Morphogens *
Vegetali
B
Virus *
Simbiosi
Microrganismi
Evoluzione
(Filogenesi )*
Out of Molecular Co-Evolution
Animali
Sviluppo
C-Onc *
Molecole-Segnale *
(ancestrali)
Cancerogenesi
(Ontogenesi)*
Anthropogenic (Devo)-Evolution
++ conservate
in ambito
evolutivo *
CHEMICAL FALL OUT
1 ENDOCRINE DISRUPTORS
dioxin-like moleculles
The gift our mothers
never wanted to give us
2
HEAVY METALS
3
ULTRAFINE PARTICLES
http://www.ewg.org/reports/generations/
KANT
“EVIDENZA DI UN DISEGNO - FENOMENI TELEOLOGICI “
IL MONDO É VECCHIO DI MILIONI DI ANNI
LAMARCK
BUFFON
A
CUVIER
LA SCALA NATURAE (CRISTALLIUOMO) è PRODOTTO D’UNA STORIA
PROGRESSIONE FINALISTICA
E.DARWIN
USO-NON USO
LYELL
PRESSIONI AMBIENTALI CAMBIAMENTI EREDITABILI
WALLACE
ADATTAMENTO
INSORGENZA SPONTANEA CARATTERI SPECIFICI
Ch. DARWIN
+ SELEZIONE NATURALE
MENDEL
HAECKEL
B
ORIGINE della DIVERSITÀ
LA COMPARSA DI VARIAZIONI È CASUALE, LA SELEZIONE AGISCE SU BASE STATISTICA, NON DETERMINISTICA
JM BALDWIN
PHENOTYPIC PLASTICITY
RICAPITULATION THEORY/BIOGENETIC LAW
DOHRN
BALDWIN EFFECT
WEISSMANN
DE VRIES
GERM PLASM THEORY (Weismann Barrier)
V. BATESON
GRADUALISM
VON BERTALANFFY
GENERAL SYSTEM THEORY (GST)
KAUFFMAN
CONVERGENT EVOLUTION
G. BATESON
WADDINGTON
DRIESCH
C
MORGAN
DOBZHANSKY
BODY PLANS
BOGDANOV
MICROEVOLUTION
MACROEVOLUTION
MODERN EVOLUTIONARY SYNTHESIS
D
EPIGENETICS
MARGULIS
ENDOSYMBIOTIC THEORY
FISHER
HALDANE
PRIGOGINE
RIDUZIONISMO
CRICK
WATSON
DAWKINS
VENTER
M. EIGEN
EVO-DEVO
S.E. WRIGHT
E. MAYR
Mc CLINTOK
UNA POPOLAZIONE È IL POOL DEI SUOI GENI,
IL GENOMA È SEQUENZA LINEARE, EVOLUZIONE:
CAMBIAMENTO DELLA FREQUENZA
DEGLI ALLELI NELLE POPOLAZIONI,
TRASFORMAZIONE STATISTICA DELLE STESSE
The “CENTRAL DOGMA”
The Selfish Gene
The Blind Watchmaker
synthetic genomics
HGT
PUNCTUATED EQUILIBRIA
S.J.GOULD
LIFE EVOLVES IN BRIEF SPURTS IN
RESPONSE TO ENVIRONMENTAL STRESS
EVOLUTIONARY ECOLOGY
SYSTEMS BIOLOGY
ELDREDGE
LEVONTINE
FLUID (EPI) - GENOME
MAE WAN HO
NATURAL GENETIC ENGINEERING
J.SHAPIRO
NON-GENETIC FORMS OF INHERITANCE
JABLONKA