crescita e sviluppo
crescita e sviluppo
Dalla cellula uovo all'organismo adulto
All'inizio era lo zigote cioè l'uovo fecondato: la storia individuale della stragrande maggioranza di organismi pluricellulari inizia così. Da quella singola cellula nuova si produrrà un organismo che, attraverso i processi della divisione cellulare e del differenziamento, genererà nel tempo e nello spazio i miliardi di cellule specializzate, organizzate in tessuti diversi, atte a formare i vari organi: cervello, pelle, scheletro, muscoli, sistema circolatorio. Questo processo estremamente complesso si realizza attraverso un fitto 'dialogo' fra il DNA del patrimonio genetico e l'ambiente esterno e interno dell'embrione
Crescita e sviluppo
Crescere e riprodursi sono proprietà fondamentali dei viventi. La capacità degli organismi di aumentare la propria massa assumendo sostanze ed energia dall'ambiente che li circonda si definisce accrescimento. Negli organismi composti da più cellule, l'accrescimento del corpo avviene per divisione cellulare, per crescita delle singole cellule, per deposizione di materiali extracellulari, per produzione di cavità. Gli individui non sono tuttavia immortali: per garantire la continuità della specie deve aver luogo la riproduzione. La riproduzione sessuata impiega il patrimonio ereditario, i geni formati dalle sequenze del DNA, per dare continuità alla specie, ma anche per introdurre 'elementi di novità', su cui la selezione evolutiva (evoluzione) possa agire. Gli organismi sono destinati a scomparire, a morire, ma attraverso la riproduzione sessuata si crea la possibilità di dare continuità alla specie.
Fecondazione e…
La riproduzione è una faccenda complicata. Comunque sia, se tutto va bene, uno spermatozoo ‒ e uno solo ‒ raggiungerà un singolo uovo, ne attiverà le funzioni, farà escludere gli altri spermatozoi pretendenti e donerà il suo nucleo. Si genera così lo zigote, dotato di un nucleo paterno e uno materno i quali, mettendo in comune le loro informazioni genetiche, ricostruiranno il corredo proprio delle cellule del corpo. Lo sviluppo embrionale (embrione) è il processo estremamente complesso attraverso il quale lo zigote inizia a dividersi man mano in un numero crescente di cellule (segmentazione) e organizza nel tempo e nello spazio un organismo pluricellulare, con i diversi tipi di cellule (muscolari, scheletriche, nervose, e così via) attraverso un meccanismo che si chiama differenziamento. Per realizzare questo prodigio naturale, le cellule, che in generale in un organismo contengono tutte la stessa informazione genetica nel DNA dei cromosomi, devono attivare un insieme coordinato di geni che ne definiscano le proprietà chimiche e l'organizzazione fine; allo stesso tempo devono essere inattivati altri geni. Differenziamento cellulare significa sostanzialmente che si attivano alcuni specifici geni e che entrano in funzione in modo controllato.
… sviluppo embrionale
Lo sviluppo embrionale si realizza attraverso molteplici interazioni tra cellula e cellula, e tra cellule e l'ambiente in cui esse si trovano (v. fig.). In questo modo, la cellula uovo fecondata non genera tanti 'ovetti' più piccoli, ma cellule man mano più specializzate. Ma se anche fossimo in grado di spiegare appieno i meccanismi molecolari del differenziamento, ben poco avremmo ancora capito dello sviluppo. Per esempio, per spiegare come si forma una mano, non basta sapere come si differenziano le cellule del tessuto osseo, ma come questo si organizzi nelle falangi, visto che il programma prevede che si formino dita distinte e non una paletta unica!
Lo studio dello sviluppo dimostra che molti meccanismi sono altamente conservati (cioè comuni a molte specie) nel mondo vivente e che, nello stesso tempo, esistono enormi differenze fra specie anche molto vicine, che portano alle differenze degli individui adulti. D'altra parte, è proprio durante lo sviluppo che i caratteri genetici, attraverso le interazioni con l'ambiente interno ed esterno all'organismo, sviluppano quelle proprietà che rendono l'individuo un evento unico, determinato dalla sua storia e non riducibile solo al suo patrimonio genetico.
L'evento chiave della nostra vita: la gastrulazione
"La gastrulazione, non la nascita, il matrimonio o la morte, è l'evento chiave della nostra vita". Questa affermazione a effetto e un poco paradossale del biologo Lewis Wolpert vuole sottolineare l'importanza del processo che segue le prime divisioni cellulari di segmentazione. Durante la gastrulazione l'embrione modifica attivamente la sua forma e le sue dimensioni, definisce quale sarà la testa e come saranno disposti i suoi assi corporei: insomma, un grumo di cellule diviene un organismo in comunicazione con il mondo che lo circonda. In questa fase si identificano i cosiddetti foglietti embrionali, lamine cellulari o aggregati, che nei processi successivi danno origine alla forma corporea e agli organi. Ed è durante la gastrulazione che in moltissimi organismi, esaurita o ridotta la riserva materna dell'uovo, iniziano a esprimersi i geni dello zigote. Questa è quindi la fase in cui l'embrione verifica la qualità dei suoi geni e muore se porta geni letali precoci. La gastrulazione è considerata da molti biologi attuali come un momento critico, uno stretto collo di bottiglia attraverso il quale si passa solo rispettando regole selettive severissime.
L'organismo e i suoi sistemi corporei
Se con la gastrulazione si completa il processo di genesi della forma corporea, rimangono tante altre cose da fare! Devono essere costruiti i vari distretti corporei e devono essere strutturati gli organi e i sistemi funzionali che permettono la vita embrionale e preparano alla vita adulta. Durante la formazione degli organi (organogenesi) i vari tipi cellulari comunicano fra loro mediante segnali chimici, che a breve o lungo raggio informano e integrano le varie parti in cambiamento.
Nella comunicazione chimica troviamo sostanze che hanno la funzione di induttori, altre sono molecole ormonali che diffondono con il torrente circolatorio, altre sono molecole che agiscono su cellule vicine o addirittura su quelle stesse che le producono.
Crescita e trasformazione
Crescere dopo la nascita significa aumentare di dimensioni. Per certi pesci questa crescita volumetrica continua per tutta la vita, mentre la maggior parte degli organismi animali raggiunge una certa taglia corporea e poi si arresta. Ma crescere vuol dire modificare il rapporto dimensionale fra le varie parti del corpo: così il bimbo 'capoccione' si trasforma nell'adulto dove la testa rappresenta solo il 20% del corpo (v. .). E crescere significa dovere cambiare pelle, come nel caso dei serpenti, quando va troppo stretta e diviene camicia di forza. Crescere vuol dire cambiare il proprio metabolismo e modificare le funzioni e la struttura degli organi. Crescere vuol dire sviluppare difese biologiche e immunitarie, costruire un comportamento, imparare.
La trasformazione è continua: dopo la crescita, seguono la giovinezza, la maturità e poi la vecchiaia. Trasformazione è infine la morte.
Metamorfosi: un esempio di trasformazione
Un bruco si trasforma in aerea farfalla, un girino in ranocchia: questi sono esempi di metamorfosi, un secondo sviluppo. L'organismo nella metamorfosi rimodella completamente il suo corpo e cambia radicalmente modi di vita, comportamento, ambiente, tipo di alimentazione. La metamorfosi caratterizza lo sviluppo di molte specie animali (v. fig.). Fra gli insetti la metamorfosi può avvenire in due modi differenti. Nelle cavallette, nelle cimici, nei pidocchi, nelle libellule, negli scarafaggi, le larve sono già relativamente simili alla forma adulta e a ogni muta, oltre a crescere, possono introdurre modificazioni e rimaneggiamenti corporei. Viceversa, nelle farfalle, come nelle mosche, nelle api e formiche, nei coleotteri, la larva che esce dall'uovo ha un corpo vermiforme e segmentato, manca di ali e di occhi composti, può avere zampe rudimentali. Negli stadi successivi, queste larve crescono di dimensioni e passano attraverso varie mute senza cambiare significativamente di organizzazione. Solo alla fine abbandonano la forma larvale attraverso una metamorfosi completa, trasformandosi in una pupa immobile e racchiusa da una cuticola protettiva. In questa fase, molti organi della larva si disgregano e contemporaneamente si formano quelli dell'adulto.