Il cervello Sapiens: la forma conta!

di Simone Gastaldon

Lo studio di come il comportamento e le abilità cognitive della specie umana siano evoluti nel tempo è particolarmente difficile, non avendo una macchina del tempo per saltare nel passato e osservare questi cambiamenti.

Per cercare di studiare queste caratteristiche, gli scienziati utilizzano prove indirette da svariati campi di ricerca, come la paleoantropologia, l’archeologia e la genetica. Degli indizi importanti possono essere ottenuti studiando la forma interna del cranio (endocranio) di esemplari di varie specie di Homo: dalla forma dell’endocranio, infatti, si possono ricostruire alcune caratteristiche grossolane delle strutture cerebrali [Nota 1], e quindi dedurre indirettamente dei tratti comportamentali e cognitivi.

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Zhong Zhong e Hua Hua, le prime scimmie clonate come la pecora Dolly

È accaduto in Cina, alla “Chinese Academy of Science Institute of Neuroscience” di Shanghai e lo studio è stato pubblicato sulla celebre rivista “Cell”, creando molto scalpore e non solo nel mondo scientifico: sono state clonate per la prima volta due scimmie con la tecnica detta somatic cell nuclear transfer (SNCT).

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Interlocutori sulla stessa “lunghezza d’onda”: sincronizzazione cerebrale tra parlante e ascoltatore

di Simone Gastaldon

Colloquialmente, quando due persone la pensano allo stesso modo, diciamo che sono sulla stessa lunghezza d’onda; con i dovuti aggiustamenti, non è una metafora così sbagliata, dopotutto. Un gruppo di ricerca basco, tramite l’elettroencefalografia, ha studiato l’attività cerebrale di coppie di partecipanti parlanti di lingua spagnola, i quali dovevano alternarsi a parlare e ascoltare in assenza di contatto visivo, in una situazione artificiale simile a quando facciamo una telefonata. Lo studio si colloca in un paradigma teorico e metodologico chiamato two-person neuroscience, dove l’unità di studio sono due partecipanti che interagiscono, e non uno singolo e isolato che esegue un determinato compito, come nella maggioranza degli studi di neuroscienze cognitive.

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L’uomo addomesticato

Nel linguaggio comune, il termine “addomesticato” è utilizzato per descrivere un insieme di caratteristiche che gli uomini attribuiscono agli animali da compagnia o a quelli allevati. Spesso, tuttavia, si confonde il concetto di addomesticazione, o domesticazione, con quello di ammaestramento.

La domesticazione propriamente detta è, infatti, un fenomeno evoluzionistico (legato quindi al patrimonio genetico di una determinata specie) e non si conclude nell’arco di vita di un individuo. Nell’immagine seguente viene rappresentata la differenza tra animale addomesticato e ammaestrato.

Nella parte in alto della figura è possibile vedere come l’uomo scelga, generazione dopo generazione, solo gli individui che presentano certe caratteristiche, mentre nella parte in basso si limita ad addestrare l’animale a fare qualcosa. Molti animali possono quindi essere ammaestrati pur non diventando addomesticati.

I recenti sviluppi della genetica, accoppiati ad una sempre più ricca conoscenza di reperti archeologici, anatomia e comportamenti animali, offrono nuove opportunità per verificare anche alcune ipotesi sull’evoluzione umana. Una di queste sostiene che l’uomo si sia in qualche modo auto-addomesticato. Ma per capire se la nostra specie (Homo sapiens) ha seguito questo processo bisogna innanzitutto definire, da un punto di vista scientifico, cosa significa essere addomesticato e se l’uomo moderno risponde a questi criteri.

Prendiamo ad esempio “il migliore amico dell’uomo”: il cane, che è il più antico animale addomesticato. Il momento ed il luogo preciso in cui il processo ebbe inizio sono tuttora oggetto di discussione, andiamo da 32000 a 18000 anni fa. E’ oggi scientificamente provato che tutti i cani discendono dal lupo. Com’è possibile ciò? Esistono circa 400 razze di cani, molte diversissime tra loro. E’ difficile trovare qualcosa che accomuni un pechinese ad un alano, o un San Bernardo ad un Chihuahua, e soprattutto un barboncino al lupo selvatico originale.

 

Taglia dell’animale, forma del cranio, colore e tipo del pelo, aspetto delle orecchie e della coda, atto di scodinzolare o abbaiare, maggiore o minore empatia con l’uomo sono solo alcuni dei tratti fisici e comportamentali che distinguono i cani dal lupo.

Osservando queste differenze, nel 1959 lo scienziato russo Dmitrij Belâev ipotizzò che le alterazioni non fossero indipendenti, ma che si trattasse di effetti collaterali della selezione attuata dall’uomo.

Per testare la sua idea, Belâev decise di riprodurre empiricamente il processo di domesticazione. Come animale scelse la volpe argentata ed il criterio di selezione fu esclusivamente la mansuetudine (la capacità di tollerare la vicinanza dell’uomo). Ad ogni generazione la possibilità di riprodursi veniva concessa solo agli esemplari più mansueti: alla quarta generazione alcuni cuccioli cominciarono a scodinzolare, alla sesta si mettevano a guaire e leccavano il viso dei ricercatori. Alla trentesima generazione la metà delle volpi si comportavano in questo modo e nel 2005 il 100% dei cuccioli poteva essere considerato un animale da compagnia. Dunque, in appena 50 anni si è riusciti ad addomesticare un animale selvatico. Per la selezione naturale si tratta di un lasso di tempo molto breve: decisamente più contenuto di quanto avrebbe sospettato lo stesso Darwin.

Tuttavia con l’incremento della docilità è comparsa una serie di cambiamenti fisici altrettanto significativi, che sono in qualche modo collegati tra loro e sono comuni a tutte le specie domestiche. Gli scienziati la chiamano “Sindrome da domesticazione” e la sua esistenza dimostra l’ipotesi di Belâev secondo la quale la domesticazione è una specie di pacchetto tutto compreso. Una nuova affascinante teoria attribuirebbe questa sindrome ad un leggero difetto nello sviluppo di particolari cellule staminali (dette cellule della cresta neurale) che compaiono nelle primissime fasi dello sviluppo embrionale.

In figura sono riportati i principali tratti anatomici e comportamentali relativi alla sindrome da domesticazione nei mammiferi (l’immagine è elaborata dall’autore a partire dai dati dall’articolo di Wilkins “The “Domestication Syndrome” in Mammals: A Unified Explanation Based on Neural Crest Cell Behavior and Genetics”, 2014, link).

Poiché nel caso dell’uomo non è possibile verificare i tratti della controparte selvatica, gli unici confronti possibili sono con le grandi scimmie e le specie estinte del genere Homo. Sorprendentemente, i cambi anatomici associati alla “sindrome della domesticazione” descrivono abbastanza da vicino alcune delle note differenze tra uomini moderni e Neanderthal. Queste due specie, infatti, mostrano differenze nella forma del cranio che vanno nella direzione corretta, ovvero quella di dare all’uomo moderno un profilo più gracile e giovanile, quasi effeminato.

Ma gli indizi dell’auto-domesticazione non si limitano a questo. Un recente studio pubblicato da un team di ricercatori in Spagna, Italia, Stati Uniti e Norvegia, ha riconosciuto i percorsi genetici associati a questo fenomeno. In particolare si è verificato come un meccanismo comune in genetica, la “spazzata selettiva”, abbia permesso di selezionare determinate mutazioni nella specie addomesticata rispetto alla controparte selvatica. Tali mutazioni, spesso differenti tra loro, si osservano su geni omologhi tra uomo e (uno o più) animali domestici (lato sinistro della figura). Non ci sono invece significative convergenze con le grandi scimmie (scimpanzè, gorilla ed oranghi), il lupo ed il bisonte, ossia i parenti selvatici dell’uomo, del cane e dei buoi (frecce arancioni).

Ciò ha permesso agli scienziati di dimostrare che non esiste un vero e proprio “gene della domesticazione”, ma che si possono identificare “sovrapposizioni” su molti geni capaci di conferire tratti specifici in tutte le specie.

Ipotizzando quindi, che anche noi siamo una specie addomesticata, resta da chiarire come sia potuta avvenire questa nostra auto-domesticazione. Seguendo l’esempio delle volpi di Belâev basterebbe immaginare che l’uomo si sia evoluto principalmente dagli individui più mansueti, ossia da quelli che dimostravano i comportamenti più prosociali.

Questa pronunciata socialità sembra essere un precursore necessario alla domesticazione, fenomeno che a sua volta consente di elaborare comportamenti complessi, mettendo il cervello nella condizione di poter sviluppare un linguaggio. Tale capacità fa di noi quello che siamo oggi: una specie capace di imparare, elaborare e tramandare la conoscenza, nonché abile a trasmettere emozioni.

Tra le modificazioni ereditarie che si sono manifestate, in modo analogo, nell’uomo e negli animali domestici vi è la particolare combinazione tra ciclo riproduttivo più frequente ed il persistere della giovinezza, o “neotenia”. Quel che si può dire per lo sviluppo del corpo umano vale anche per il suo comportamento. Certamente, senza la presenza delle qualità infantili l’uomo non potrebbe maturare. “Il problema -sostiene Konrad Lorenz- è che questo tratto genetico, che è peculiare dell’uomo, non progredisca sino al punto di diventare fatale”.

 

[UMM]

 

Bibliografia:

 

Richard C. Francis – Addomesticati (L’insolita evoluzione degli animali che vivono accanto all’uomo) – Bollati Boringhieri 2016 – ISBN 978-88-339-2731-2

 

Theofanopoulou C, Gastaldon S, O’Rourke T, Samuels BD, Messner A, Martins PT, et al. (2017)  Self-domestication in Homo sapiens: Insights from comparative genomics.

PLoS ONE 12(10): e0185306. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0185306

 

The “Domestication Syndrome” in Mammals: A Unified Explanation Based on Neural Crest Cell Behavior and Genetics

Adam S. Wilkins, Richard W. Wrangham and W. Tecumseh Fitch

GENETICS July 1, 2014 vol. 197 no. 3 795-808; https://doi.org/10.1534/genetics.114.165423

 

Konrad Lorenz – Gli otto peccati capitali della nostra civiltà – Adelphi 1992 ISBN 88-459-0168-8

 

Un gene per la determinazione del sesso delle tartarughe

Chi conosce queste straordinarie creature sa che il sesso delle tartarughe, così come di diversi altri rettili, è dipendente dalla temperatura. Mentre nei mammiferi maschi e femmine sono definiti dalla combinazione dei cromosomi sessuali X e Y, che sono molto diversi tra loro, nei rettili il sesso viene determinato nel mezzo dell’embriogenesi, quando le gonadi “sentono” i cambiamenti della temperatura esterna. Durante questa fase sensibile, temperature intorno ai 26,5°C produrranno con maggiore probabilità maschi, mentre temperature intorno ai 33°C produrranno con maggiore probabilità femmine.

Tartaruga Caretta caretta (Di Strobilomyces – Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=719666)

È un sistema potenzialmente rischioso perché soggetto alle fluttuazioni ambientali. Il riscaldamento globale costituisce un pericolo per molte specie di tartarughe marine, non solo perché l’aumento del livello dei mari contribuisce alla perdita degli habitat di nidificazione, ma anche perché le alte temperature sono causa di una maggiore nascita di femmine, alterando il normale rapporto tra sessi nelle popolazioni. Ciononostante, se la determinazione temperatura-dipendente del sesso è stata selezionata nel tempo assieme a quella cromosomica, con cui siamo più familiari, è probabile che produca un vantaggio per la “fitness” dell’individuo, ossia la sua capacità di riprodursi. Immaginiamo ad esempio che un’area molto calda sia più adatta alla nidificazione: nasceranno femmine in proporzione maggiore, così da incrementare il numero dei nidi nelle prossime stagioni.

Il meccanismo molecolare è ancora tutto da chiarire e si compone di una cascata di eventi che attivano o inibiscono i geni coinvolti nella determinazione degli organi sessuali maschili o femminili. Secondo un recente studio condotto sulla specie Clehydra serpentina, a monte del processo potrebbe esserci il gene CIRBP (cold-inducible-RNA binding protein). Il gene codifica per una proteina coinvolta nel processamento dell’RNA messaggero, lo strumento attraverso cui l’istruzione contenuta nel DNA viene “letta” e tradotta in componenti funzionali, le proteine. CIRBP è espresso nelle gonadi e molto precocemente durante la fase temperatura-sensibile: alla sua attivazione seguono una serie di altre attivazioni o repressioni di numerosi geni coinvolti nella determinazione del sesso. Gli scienziati hanno inoltre individuato due varianti dello stesso gene, che si distinguono per una singola “lettera” nella loro sequenza di DNA e che rispondono alla temperatura in maniera diversa. Soltanto una è sensibile alle alte temperature, e difatti, le tartarughe che la possiedono, hanno una maggiore probabilità di svilupparsi come femmine rispetto alla media.

E’ dunque probabile che il gene CIRPB sia direttamente coinvolto nella determinazione del sesso delle tartarughe sin dalle sue fasi più precoci, anche se ulteriori indagini chiariranno più precisamente il suo ruolo.

Di Erika Salvatori

Per approfondire:

Lupo grigio appenninico: stato attuale in Italia

Il lupo grigio appenninico, Canis lupus italicus, popola le zone appenniniche e delle Alpi italiane fino ad espandersi in Francia sudoccidentale e in Svizzera.

Esemplare di lupo grigio europeo (Di [1] – https://www.flickr.com/photos/kachnch/16364273038, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38480628)
Sebbene negli anni ’70 la sua popolazione fosse stata ridotta a causa di persecuzioni da parte dell’uomo a circa un centinaio di esemplari, dall’ultimo sondaggio dell’ISPRA (2016) risulta un incremento del numero dei lupi a oltre 2.000 unità. Ciò è stato possibile grazie a progfetti di conservazione e tutela – da ricordare la campagna “San Francesco” del 1976 che ha permesso di tutelare legalmente il lupo.

Il lupo grigio presenta, come definito dal nome, un manto grigio fulvo, che tende a diventare rossiccio nei periodi estivi; vive tipicamente in branchi fino a 7 individui e si distingue dal lupo europeo per la sua dentizione meno robusta e i canini meno ricurvi.

In Italia attualmente il lupo popola il 90% delle zone appenniniche e il 10% di zone alpine, occupando un’area che va dal parco nazionale del Gran Paradiso fino al Gargano.

Tra le minacce che mettono a repentaglio la conservazione del lupo in Italia, la più rilevante è rappresentata dall’ibridazione con il cane, la variante domestica della stessa specie.

Tale fenomeno altera l’integrità genetica del lupo appenninico e rischia di avere serie ripercussioni sia sui caratteri morfologici che sul comportamento degli individui ibridi. Ad esempio il colore del mantello nero riscontrato all’interno della popolazione di lupo appenninico rappresenta un carattere ereditato da un fenomeno di ibridazione con il cane.

Esemplare di lupo grigio appenninico, Canis lupus italicus (Di Guido Mastrobono – Lupo AppenninicoUploaded by Mariomassone, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32777305)

I lupi neri, definiti “melanici”, sono frutto di un’introgressione – cioè del passaggio di geni da una specie o da una sottospecie a un’altra – con il cane: a livello europeo si riscontrano solamente nella penisola italiana.

Inoltre sembra che gli ibridi tendano a perdere il naturale timore nei confronti dell’uomo e finiscano per entrare più facilmente in contrasto con gli interessi degli allevatori, determinando quindi indirettamente un aumento degli episodi di bracconaggio.

Infine è stato dimostrato che l’accoppiamento con il cane espone maggiormente il lupo al contagio di malattie come la rogna

Di L.R. e C.W.

Approfondimenti:

Le piante: una fonte pulita di energia elettrica

La ricerca di fonti di energia pulita è una delle grandi scommesse del nostro tempo. Le conseguenze dell’uso dei combustibili fossili, prima fra tutte il cambiamento climatico, ci impongono di intraprendere strade diverse e spesso inimmaginabili fino a pochi anni fa. E come sempre quando siamo a corto di idee, ecco che la natura, con i suoi straordinari ed ingegnosi meccanismi, giunge in nostro soccorso.

Una tipica foglia, la sede della fotosintesi (By Jon Sullivan – PdPhoto, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18858)

La più importante fonte di energia del nostro pianeta è il Sole, ma tra gli esseri viventi c’è chi ha imparato ad utilizzarlo molto meglio di noi. Le piante sono veri e propri campioni nella trasformazione dell’energia solare, il “motore” di un processo chiamato fotosintesi clorofilliana che converte l’anidride carbonica e l’acqua in zuccheri ed ossigeno. L’efficienza di questa trasformazione, dopo milioni di anni di evoluzione, si avvicina al 100%, mentre i nostri pannelli solari, per fare un paragone, operano con un’efficienza compresa tra il 12% e il 17%: in altri termini, la pianta trasforma quasi tutta la radiazione solare che assorbe in energia chimica, noi con le nostre tecnologie riusciamo ad utilizzarne solo una minima frazione.

Diversi gruppi di ricerca stanno studiando una strategia per ottenere elettricità dai vegetali. La corrente elettrica viene comunemente definita come un moto ordinato di cariche elettriche. Se vi state chiedendo perché cercarla proprio in una pianta, la risposta è semplice: perché è già lì! Durante le reazioni della fotosintesi le molecole d’acqua vengono “spezzate” liberando elettroni, ossia cariche negative. Questi ultimi sono trasferiti lungo una catena di trasportatori proteici e temporaneamente immagazzinati nella molecola NADP, così da essere utilizzati in una seconda fase alla sintesi del glucosio.

Schema della fotosintesi, detto “schema a Z” (By w:User:Bensaccount – http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Z-scheme.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3461098
Cloroplasti al microscopio (By Kristian Peters — Fabelfroh – Self-photographed, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1350193)

Ciò che un team di ricercatori della University of Georgia è riuscito a fare è stato interrompere la fotosintesi e catturare questi preziosi elettroni, prima che la pianta potesse utilizzarli per generare gli zuccheri. Per raggiungere lo scopo sono stati isolati i tilacoidi, sistemi di membrane appiattite e disposte in pile all’interno degli organuli responsabili della cattura della luce e della fotosintesi, che si chiamano cloroplasti. E’ proprio qui, tra le membrane tilacoidali, che si svolge il trasporto degli elettroni, grazie ad una sequenza di proteine che sono state  opportunamente manipolate per bloccare il flusso e deviarlo in strutture cilindriche 50000 volte più fini di un capello umano, i nanotubi di carbonio. Queste meraviglie della nanotecnologia funzionano come “trappole” di elettroni e li veicolano lungo i cavi elettrici.

Il sistema è ancora nelle sue fasi embrionali e l’elettricità prodotta molto modesta, ma ci sono margini di perfezionamento e l’ottimismo è tanto. Il concetto è di per sé così allettante che è stata fondata nel 2009, in Olanda, un’azienda che usa le piante per produrre energia elettrica, con un procedimento simile ma diverso. E’ stato messo a punto in questo caso un sistema per “catturare” gli elettroni prodotti dai microrganismi che consumano le sostanze di scarto della fotosintesi espulse dalle radici e liberate nel terreno, una metodologia che peraltro non danneggia o influenza in nessun modo la vita della pianta stessa. Il prossimo traguardo sarà portare questi e simili sistemi di produzione su larga scala, tale da soddisfare il fabbisogno energetico annuale medio delle famiglie o raggiungere le aree più povere del mondo.

Di Erika Salvatori

Riferimenti:

Sangue artificiale: a che punto siamo?

La donazione del sangue da parte di soggetti volontari sani è ad oggi l’unica modalità per assicurare continuità e sicurezza alle terapie trasfusionali. Ciononostante, complicazioni legate alla non compatibilità tra gruppi sanguigni, alla scarsa disponibilità e talora ai bassi standard di sicurezza riscontrati nei paesi in via di sviluppo rendono l’approvvigionamento di sangue per le trasfusioni un problema non indifferente. E’ plausibile pensare che in un futuro la ricerca scientifica consentirà di produrre sostituti artificiali del sangue, rivoluzionando la medicina trasfusionale? Gli scienziati credono di sì.

Sacca di sangue per trasfusioni (By ICSident at German Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29492562)

Il progetto è però ambizioso: il liquido rosso che circola nei nostri vasi sanguigni è straordinariamente complesso nelle sue funzioni e composizione. Costituito da milioni di composti chimici e cellule diverse, il sangue assolve meticolosamente a una serie di funzioni: trasporta ossigeno e nutrimento ai tessuti, raccoglie i prodotti del catabolismo, mantiene costanti pH e temperatura corporea, trasporta ormoni verso i loro tessuti bersaglio e ci protegge dai patogeni. Ancora non esiste un surrogato di sangue in grado di adempiere a tutti questi compiti, ma si stanno investigando diverse soluzioni, in buona parte basate sull’emoglobina, la proteina contenuta nei globuli rossi e responsabile del trasporto dell’ossigeno.

L’emoglobina è un tetramero, ossia una proteina costituita da quattro parti. Fuori dal globulo rosso viene però rapidamente degradata nelle forme dimerica o monomerica, costituite rispettivamente da due o una parte e potenzialmente tossiche. Per rendere l’emoglobina “acellulare” più stabile ed aumentare le sue performance in termini di trasporto di ossigeno, si è provato a modificarla chimicamente rinforzando i legami tra le sue quattro porzioni, collegando tra loro più molecole a formare una catena o coniugandola ad altri composti chimici. Nonostante le potenzialità, nessuna di queste soluzioni acellulari è veramente ottimale: l’emoglobina infatti funziona meglio all’interno del globulo rosso che non all’esterno.

Per questa ragione diversi gruppi di ricerca stanno studiando come generare globuli rossi artificiali. Semplificando al massimo, una cellula, e quindi anche un globulo rosso, è uno spazio acquoso delimitato da una membrana composta da grassi chiamati fosfolipidi. Incapsulando l’emoglobina in uno strato fosfolipidico è possibile quindi simulare una struttura cellulare ed aumentare di molto la sua stabilità nella circolazione sanguigna ed il trasporto di ossigeno.

I globuli rossi artificiali potrebbero dunque nei prossimi decenni diventare una realtà, alleviando la scarsità di sangue a disposizione per le trasfusioni in situazioni di emergenza ed in particolar modo nei paesi in via di sviluppo, dove si concentra l’80% della popolazione mondiale ma si raccoglie solo il 32% delle scorte mondiali di sangue e con bassi standard di sicurezza e alto rischio di trasmissione di infezioni.

Di Erika Salvatori

Fonti e approfondimenti: