8 ago 2016

B1) Sintesi Moderna vs Sintesi Evoluzionistica Estesa

I seguenti articoli sono pubblicati sul sito della 'The Royal society-Biological sciences '(2012-2013).

Il primo "La sintesi Evoluzionistica Estesa (EES) e il ruolo dell'eredità 'soft' nell'evoluzione' è di T. E.Dikins e Q.Rahman (DR).
L’altro è un commento a questo,“Un ruolo per l’ereditarietà epigenetica nella moderna teoria evoluzionistica?di M.Suter,D.Boffelli e D.Martin (SBM)

Nel loro articolo DR  cercano di analizzare la coerenza di alcuni principi centrali della 'presunta' EES.

"
Negli ultimi anni molti studiosi hanno perorato la causa di una estensione della Sintesi Moderna (MS) nella biologia evoluzionistica.Uno degli argomenti principali usati per questa rivendicazione deriva dal lavoro di ricerca sui sistemi ereditari cosiddetti 'soft',tipo effetti epigenetici trans-generazionali,la trasmissione culturale e la costruzione di nicchie ecologiche.Vogliamo delineare meglio questa affermazione e discuterla.Noi sosterremo che l'attenzione sull'ereditarietà soft ha portato ad una confusione tra cause prossime e distali,che a sua volta ha reso oscure domande chiave sulla organizzazione biologica e la sua taratura nel corso della vita,tesa a massimizzare la durata di vita media della fitness inclusiva.Illustriamo tutto questo presentando ipotesi che incorporano i fenomeni fondamentali dell'eredità soft e questo ci aiuterà anche nella loro comprensione.

 1.Introduzione
Nel 1940 c'è stata la fusione tra la visione darwiniana del cambiamento evoluzionistico e la genetica mendeliana,un connubio che ha preso il nome di Sintesi Moderna (MS) (1-3)(vedi bibl.al termine dell'articolo)
Di recente,alcuni ricercatori hanno sostenuto che è necessaria una nuova Sintesi Evoluzionistica Estesa (EES)(4),per poter render conto di specifici fenomeni che provengono da varie aree d'indagine,ma che possono essere raggruppate sotto la bandiera di "ereditarietà soft".
Il termine fu coniato da Mayr (6) e si riferisce alla successione di variazioni che sono il risultato di effetti non genetici.Tali ricercatori propongono il disegno di una EES a partire da alcuni fenomeni di eredità soft nella biologia evoluzionistica delle sviluppo,nell'epigenetica,nella costruzione di nicchie,nell'apprendimento e nella trasmissione culturale (7-11).In ognuno di questi campi sono presenti processi non genetici che determinano variazione fenotipica utile e che può essere ereditata.
Jablonka e Lamb,ad esempio,sottolineano l'esistenza di variazioni ereditabili indotte dall'evoluzione e non sono causate dalla sequenza del DNA.
Un classico esempio di ciò viene da una serie di studi sul leccamento e la toelettatura dei piccoli di ratto da parte delle madri,in cui si dimostra che i livelli di leccamento/toelettatura vissuti dal piccolo diventa una parte epigeneticamente ereditabile del proprio fenotipo comportamentalele materno e viene trasmessa attraverso un certo numero di generazioni (12)
Questo è associato ad altri cambiamenti fenotipici che saranno discussi dettagliatamente nella parte 5.Il punto chiave è che nessuna nuova mutazione sarebbe necessaria per portare a un significativo cambiamento ereditabile.Esempi simili a volte sono presentati come segnali della necessità da parte della MS di ampliare la sua messa a fuoco,ma i sostenitori della EES insistono sulla necessità di un cambiamento concettuale più profondo,per il semplice fatto che la SM non sarebbe in grado di spiegare quei fenomeni in modo soddisfacente.

"La biologia moderna deve oggi includere l'ereditarietà soft,le modifiche saltazionali dovute a mutazioni sistemiche e vari tipi di scambio genetico e cooperazione.Tutti questi aspetti sfidano la MS.Crediamo che,piuttosto che cercare di continuare a lavorare nel quadro di una sintesi che è stata fatta a metà dello scorso secolo,ora abbiamo bisogno di un nuovo tipo di teoria evoluzionistica,quella che riconosce i processi darwiniani,lamarckiani e saltazionali"(Jablonka e Lamb,2008),

"Quando aggiungiamo la costruzione di nicchia alla MS si estende la "Synthesis".L'evoluzione naturale degli organismi dipende ora dalla selezione naturale e dalla costruzione di nicchia"(Pigliucci e Muller,2010)”.

Poiché osservazioni come queste, se fossero corrette, potrebbero mettere in dubbio i fondamenti teorici di ampie aree della biologia,stupisce che nonostante questo ci siano state poche analisi esplicitamente critiche verso queste tesi,affermano  DR.

“Il nostro obiettivo è quello di rivedere l'argomento EES dell' eredità soft. Ci concentreremo in particolare sulla eredità epigenetica e concluderemo che il termine  'eredità soft' si riferisce ad una sorta di meccanismo prossimo, con la funzione distale di calibrazione del comportamento davanti a una incertezza ambientale. Questo non costituisce una sfida per le risorse esplicative e concettuali della SM, che rimangono sufficienti.
Si inizia con una breve panoramica storica della MS e dei suoi impegni centrali. A seguito di questa abbiamo dettagliato le affermazioni delle eredità  soft, presentando la nostra tesi che, se visto come un meccanismo prossimo, l’eredità soft si inserisce semplicemente all'interno della MS. L'incapacità di riconoscere il caratteristica  prossimale dell’eredità soft significa che vi è un insieme di nuove ipotesi sulle funzioni distali attualmente senza indirizzo...”

DR ricordano che il termine ‘Sintesi Moderna’ fu coniato nel sottotitolo del libro di Huxley del 1942 ‘Evoluzione:la sintesi moderna’ (1).Huxley considerò la sintesi come un processo che si sviluppava in due fasi:la prima iniziava con l’unione tra la teoria dell’evoluzione darwiniana e la genetica mendeliana e la seconda con l’applicazione di questa fusione a varie sottodiscipline della biologia.Mentre all’inizio l’ereditarietà particellare di Mendel era ritenuta incompatibile con i cambiamenti graduali proposti da Darwin,in una fase successiva,grazie ai modelli matematici applicati da Fisher,Haldane e Wright alla dinamica delle popolazioni di pool genici,il problema fu risolto:erano i meccanismi dell’evoluzione naturale che potevano rendere conto dei cambiamenti nelle frequenze geniche nelle popolazioni.

Questa fase può essere letta come una restrizione [2] in quanto ha anche portato alla rimozione del lamarckismo,del saltazionismo e dell’ortogenesi,come  non  compatibili con un modello delle unità di evoluzione graduale guidata da forze esterne. Ciò che questa fase della sintesi non ha fatto è stato di far rispettare una particolare attenzione ai livelli di selezione,con  la selezione naturale come la forza predominante nel cambiamento evolutivo.In particolare,anche la deriva genetica potrebbe essere visto come un significativo forza (se esterna)..”

DR ricordano che per Gould (2) la seconda fase della sintesi ha visto l'emergere di una focalizzazione più stretta e dogmatica sulla selezione naturale come forza evolutiva predominante,e in tal senso Gould può essere visto come un pioniere del movimento di EES. Gould descrive il passaggio da fase 1 alla 2 come  quello da una visione pluralista in cui semplicemente si affermava che tutto doveva essere coerente con la genetica ad una concezione secondo cui la selezione naturale era una causa sufficiente di tutti i cambiamenti evolutivi.Gould cita Mayr:

“i sostenitori della teoria sintetica sostengono che tutta l'evoluzione è dovuta all'accumulo di piccoli cambiamenti genetici, guidati dalla selezione naturale, e che l'evoluzione transpecifica non è altro che un estrapolazione e l'ingrandimento degli eventi che si svolgono all'interno delle popolazioni e delle specie. (Mayr,1963)

In tale citazione sono incarnate le idee fondamentali della MS:la selezione naturale operante su geni nelle popolazioni è la forza predominante di cambiamenti micro-evolutivi e questi cambiamenti micro possono spiegare anche il cambiamento macro-evolutivo.
Nei trent’anni seguenti la selezione naturale sarà ancora considerata la causa predominante,ma non l’unica.I principi della sintesi evoluzionistica erano: che le popolazioni contengono variazioni genetiche emergenti da mutazioni casuali (cioè non direttamente adattive) e ricombinazione; che le popolazioni si evolvono da cambiamenti nella frequenze geniche  provocati dalla deriva genetica casuale,dal flusso di geni, e in particolare dalla selezione naturale;che la maggior parte delle varianti genetiche adattative hanno lievi effetti fenotipici a livello individuale in modo che i cambiamenti fenotipici risultano graduali (anche se alcuni alleli con effetti discreti possono essere vantaggioso, come in alcuni polimorfismi del colore); che la diversificazione avviene per speciazione, che comporta normalmente la graduale evoluzione di isolamento riproduttivo tra le popolazioni; e che questi processi, continuati sufficientemente a lungo,danno luogo  a cambiamenti di tale grandezza da giustificare la designazione di livelli tassonomici superiori (generi, famiglie e così via) (17,p.12).
Gould e altri vedranno in questa seconda fase della MS un processo caratterizzato da crescente dogmatismo,sebbene i successi esplicativi dell'applicazione della prima fase nelle scienze biologiche siano stati enormi e abbiano portato,con una strategia  di congetture e confutazioni (molto popperiana e adattazionista!) ad un vasto utilizzo di ipotesi a livello del gene.
A proposito di evoluzione della conoscenza scientifica,DR sottolineano che dal punto di vista kuhniano si può considerare la MS come una fase di rivoluzione scientifica a cui ha fatto seguito una fase di attività scientifica normale per esplorare lo spazio di ipotesi create.
Oggi la MS è un quadro comune a cui aderiscono molti biologi.In questo quadro non si esclude un graduale accumulo di difetti,di risultati non abbastanza il linea con il quadro generale e ciò potrebbe portare a nuove teorie che riorganizzano in modo nuovo fatti precedentemente accettati.
I principali fautori della moderna EES,Pigliucci e Müller,hanno recentemente convocato una serie di studiosi sotto il programma Evolution: la sintesi estesa [4].L'entusiasmo che accompagna le nuove teorie sembra sollecitare un cambiamento di paradigma,o la fondazione di una nuova scienza,come fece  a suo tempo Huxley;invece ci si limita a documentare le sabbie mobili in cui viaggia la MS , ciò che la rende poco in forma o obsoleta,le evidenze che non è riuscita a includere,ma non formula niente di tanto audace da proporsi come una nuova teoria alternativa ad essa.
Sul piano dell’evoluzione della conoscenza scientifiva non sembrano né in linea con Popper,né con Kuhn,ma piuttosto con la teoria dei programmi di ricerca scientifici di Lakatos,in cui modelli in conflitto gravitano come satelliti intorno a un nucleo paradimatico non in discussione ,in questo caso l’evoluzione naturale darwiniana.Il volume di Pigliucci e Muller dedica particolare attenzione all’ereditarietà epigenetica (definita soft,in contrapposizione a quella hard,cioè genetica).

Gli effetti epigenetici transgenerazionali sono quelli in cui la sequenza del DNA rimane invariata, ma i sistemi di livello superiore sono alterati, portando a differenze di espressione fenotipica nella successiva  generazione. Tali sistemi possono includere metilazione del DNA e modificazione degli istoni.La trasmissibilità ereditaria della modificazione epigenetica dell'espressione genica attraverso processi come la metilazione è stata un riferimento centrale per i sostenitori di un EES, perché sono considerati la vera sfida all'eredità hard su cui la MS focalizza la sua attenzione [8,9, 12,15,21,22].
DR asserisco che invece l'ereditarietà epigenetica non richieda alcuna estensione della MS ,e questa tesi si basa su due punti.Il primo è che possiamo semplicemente interpretare i processi epigenetici come meccanismi immediati e prossimi progettati dalla selezione per calibrare organismi in ambienti stocastici. Il secondo,correlato al primo e conseguente ad esso,è che la variazione epigenetica è sotto controllo genico.

“…L’argomento centrale dell’EES è che nell’eredità inclusiva le forme ereditarie soft e hard sono partner alla pari:
‘la fusione del darwinismo con la genetica nella MS ha portato a uno slittamento semantico, con la conseguente tendenza a pensare che solo la sequenza di DNA viene ereditato di generazione in generazione. Tuttavia, l'evoluzione agisce su eventuali differenze fenotipiche che sono stabili attraverso le generazioni.Da questo punto di vista, la variazione fenotipica dovrebbe essere divisa tra componenti trasmesse e non trasmesse, piuttosto che nelle sue componenti genetiche e ambientali classiche “(8)

Questo uso del termine evoluzione è un po’curioso. L'evoluzione non agisce su nulla; il termine ‘Evoluzione' descrive un tipo di cambiamento,che può essere causato dalla selezione naturale, dalla deriva,ecc
Più precisamente, una distinzione può essere tracciata tra una teoria generale dell'evoluzione e una teoria speciale [23]. La teoria generale cattura le dinamiche di base darwiniani di variazione, eredità, competizione e selezione. Questo è potenzialmente applicabile a un gran numero di classi di sistemi e costituisce una definizione base del tipo di cambiamento denominato evoluzione.
La MS è una particolare teoria, forse la nostra unica teoria, che include competizione e selezione, nonché eredità, e osserva nuove varianti genetiche  emergere a caso e influenzare il fenotipo. Si tratta di una teoria matura con chiari  parametri definiti di funzionamento.
Con il termine di eredità inclusiva i fautori dell'EES sostengono che l'evoluzione è qualcosa che opera su fenotipi, e che fenotipi possono essere ereditati con mezzi genetici e no, come i processi epigenetici. Di conseguenza, dicono,che dobbiamo prendere in considerazione uno spostamento che va oltre la MS. Questo modo di argomentare non segue regole nè formali né empiriche.Nella migliore delle ipotesi è un argomento che indica che il cambiamento fenotipico come conseguenza di processi epigenetici sembra conforme alla teoria generale dell'evoluzione.Se è così, è irrilevante per la MS, che ha già questa qualità d’essere una teoria della evoluzione, e si concentra su un diverso livello di organizzazione biologica.
Per essere chiari, questo problema è relativo a ciò che deve essere spiegato. Coloro che cercano una SEE, attraverso l'ereditarietà inclusiva, vogliono spiegare le variazioni di frequenza fenotipica all'interno delle popolazioni come conseguenza di processi epigenetici (e altre forme ereditarie soft). Non neghiamo questi processi ma ribadiamo che il resoconto di un cambiamento evolutivo che si basa su di essi,non è dello stesso ordine di descrizioni che riguardano la MS. Se il cambiamento attraverso l'ereditarietà soft può essere visto conforme alla teoria generale dell'evoluzione, allora questo lascia aperta la possibilità di una seconda teoria speciale dell'evoluzione, una nuova teoria basata  sui processi epigenetici.
In pratica però, nessuno dalla posizione dell' EES nega l'eredità hard,si vuole solo distinguere tra contributi hard e soft in quanto si suppone che influenzano in modo differente la dinamica evolutiva [5]. Ma dovrebbe essere stabilito che non vi è alcuna ragione logica per vedere tutto ciò come un confutazione o un'estensione dei MS, per non parlare dei problemi interni alla MS. Come avremo modo di discutere ,la base dei processi epigenetici sono meccanismi geneticamente ereditati. Pertanto, al massimo questi colleghi si stanno semplicemente concentrando su un differente livello di spiegazione e la questione diventa come questi due livelli possono raccordarsi l’uno all'altro.”

Le variazioni epigenetiche sono sotto il controllo genetico,continuano DR. Sulle caratteristiche fenotipiche influiscono sia quelle che seguono a variazioni nella sequenza del DNA,sia quelle generate dalla variazione di espressione del DNA. I processi epigenetici,che riguardano il secondo livello di variazione,sono invocati per affrontare il problema dell’”eredita mancante” negli studi di associazione genome-wide (GWAS),cioè quelli che indagano tutti i geni di diversi individui di una specie per determinare le variazioni tra gli individui in esame.Questi studi mostrano che la maggior parte dei tratti con alta ereditabilità (altezza,quoziente di intelligenza,tratti di personalità e molte comuni malattie) non possono essere spiegati dalla associazione con varianti genetiche comuni.Ciò potrebbe essere una prova a favore dell’’eredità inclusiva’ dei promotori dell’EES,ma tuttavia ci sono diverse spiegazioni possibili per i poveri collegamenti tra le varianti della sequenza del DNA e l’ereditabilità,come le stime imprecise dell’eredità,la forza statistica del GWAS,e l’incertezza nella moderna genetica del comportamento relativamente alle influenze genetiche e non-genetiche nell’’”ambiente non-condiviso” (26-28)

“..c'è una grande quantità di variazioni nei meccanismi epigenetici. Essi sono presenti in molti taxa, e molteplici meccanismi epigenetici (metilazione del DNA, modificazioni degli istoni e RNA non codificante) vengono considerate influenze determinanti per lo sviluppo e nelle patologie.
La cancellazione dei segni epigenetici nella linea germinale e nell’ embriogenesi nei vertebrati è piuttosto esteso e rende questo argomento difficile da studiare (anche se questo azzeramento dei profili epigenetici non è uniforme in tutta taxa [29-31]). Per lo meno, il potenziale di eredità epigenetica transgenerazionale appare limitato.
Inoltre, prove di  genetica quantitativa dimostrano che la stessa variazione epigenetica è influenzata da variazioni genetiche. Queste prove vengono da studi sulle variazioni epigenetiche dei i gemelli , che offrono un modo affidabile di stimare l’ ereditabilità come proporzione della variazione fenotipica.
In questi studi dove si confrontano la somiglianza tra gemelli monozigoti (MZ) e dizigoti (DZ),indipendentemente dagli effetti dell’età,si riesce a separare in un fenotipo (ad esempio i profili epigenetici) la componente di varianza genetica e non genetica.
Comparazioni tra gemelli di marchi epigenetici genome-wide mostrano che i segni epigenetici sono ereditari a livello genome-wide [32]. Studi locus-specifici in gemelli di pari età che utilizzano più tessuti (ad esempio, in 182 gemelli neonati MZ e DZ [33]) e il prelievo di sangue (per esempio in 196 coppie di adolescenti e 176 di mezza età di MZ e DZ [34]) riportano alta stima nell’eredità  epigenetica

Fino ad oggi il più grande studio fatto con test di metilazione del DNA ad alta risoluzione attraverso cavità buccale, intestino e le cellule bianche del sangue, ha riportato profili di metilazione simili in coppie MZ rispetto alle coppie DZ (le stime erano più alti per i campioni buccali [35]). È anche importante sottolineare che questo studio ha dimostrato che i siti epigenetici più ereditarie sono stati quelli correlati con le regioni del genoma funzionale, indicando che gli indicatori epigenetici per specifiche funzioni erano sotto un maggiore controllo genetico.
Questa prova del controllo genetico dei segnali epigenetici è coerente con molti altri approcci basati sulla famiglia, tra cui i risultati a livello di popolazione degli studi sui loci di tratto quantitativi [36,37] e clustering familiare dei profili di metilazione [38,39].
Gli effetti ereditari sono ora documentati anche per altri processi epigenetici come la firma individuale e allele-specifica della  cromatina [40].

Tenuto conto di tutto questo è difficile capire in che modo i processi epigenetici potrebbero essere una  sfida per la MS.
L'evidenza suggerisce che i sistemi epigenetici stessi sono dei fenotipi, ed i loro geni sono soggetti alla selezione naturale, deriva e tutto il resto.
Tuttavia,studi sui gemelli e sulla famiglia indicano che non tutte le variazioni epigenetiche sono rappresentate da variazioni genetiche e  anche gli studi sugli animali dimostrano che la variazione epigenetica può essere separata dalla quella genetica [41,42].Questo comporta per un evoluzionista con una mentalità strumentale una serie di problemi adattazionisti il primo dei quali è quello dei livelli di organizzazione del fenotipo.              (continua)