Biologia dello sviluppo

Introduzione biologia dello sviluppo

Citando Aristotele, considerato da molti come il primo embriologo della storia, la scienza comincia con la meraviglia che spinge gli uomini alla conoscenza. E quale domanda l’umanità si è sempre posta? “Da dove e come nasce la vita?” Ormai sappiamo che lo sviluppo di un organismo pluricellulare origina da uno zigote che si divide per mitosi e continueremmo a riferirci a questa scienza come embriologia se studiassimo solo i processi dalla fecondazione alla nascita, invece lo sviluppo non si arresta a questo. Si parla più propriamente di biologia dello sviluppo, poiché studia anche i processi transitori che conducono all’organismo adulto.

È la scienza del divenire... Mentre ad una macchina non è richiesta di funzionare finché non è costruita, un organismo vivente deve funzionare mentre si sta costruendo: respirare prima di avere i polmoni, digerire prima di avere un intestino ecc.

Partendo da due domande: in che modo l'uovo fecondato dà origine all'organismo adulto e in che modo questo organismo adulto genera ancora un altro organismo, identifichiamo 6 aspetti biologici di cui si occupa la biologia dello sviluppo:

• Differenziamento cellulare
• Morfogenesi
• Accrescimento
• Riproduzione
• Evoluzione
• Interazione con l’ambiente

Differenziamento

Un’unica cellula, l’uovo fecondato, dà origine a centinaia di tipi cellulari differenti: cellule muscolari, nervose, endocrine, epidermiche, linfociti ecc. Si genera quindi una diversità cellulare, ma come, con lo stesso materiale genetico in (quasi) ogni cellula, queste possono essere diverse fra loro?

Morfogenesi

Le cellule differenziate non hanno una distribuzione casuale, ma sono organizzate in strutture funzionali, organi e tessuti, con una precisa disposizione molto ordinata. Le dita sono sempre alle estremità delle mani, gli occhi sempre sul viso. Come viene mediata la morfogenesi? E come viene ereditata dalle generazioni successive?

Accrescimento

Le cellule che si stanno dividendo hanno perfettamente presente quando smettere di farlo. La divisione cellulare è strettamente regolata. Addirittura, ci sono organismi eutelici, cioè che possiedono un numero costante di cellule per tutta la loro vita e che possiedono un accrescimento volumetrico, e non quantitativo attraverso mitosi. Esempi: Tardigradi, nematodi (es. 959 cellule).

Riproduzione

Lo spermatozoo e l'uovo sono cellule altamente specializzate; esse soltanto possono trasmettere da una generazione all'altra le istruzioni per riprodurre un organismo.

La cellula uovo è la cellula più grande che l'individuo abbia e in alcuni casi la schiusa avviene precocemente e gli embrioni sono in grado di alimentarsi autonomamente (es. larve). Il vitello è il materiale di riserva che permette il sostentamento dell’embrione nelle prime fasi di sviluppo, è sostanzialmente una componente citoplasmatica ricca in glicoproteine, carboidrati e lipidi.

In base alla quantità di vitello le cellule vengono classificate in:

• Uova isolecitiche: come quelle di Echinodermi, Molluschi e Mammiferi che hanno una quantità di vitello scarsa ma uniformemente distribuito. Depositare uova con poco vitello è un'importante strategia evolutiva poiché le componenti del vitello sono sintetizzate dal fegato della madre e quindi richiedono un notevole dispendio di risorse ed energie.
• Uova mesolecitiche: degli Anfibi, con una modesta quantità di vitello situata nel polo vegetativo. Pesci e anfibi depongono uova in elevato numero e nascondendole in posti strategici ma non sorvegliandole.
• Uova telolecitiche: come quelle di Pesci, Rettili e Uccelli che hanno un vitello abbondante che occupa quasi tutta la cellula. Rettili e uccelli che producono uova telolecitiche, poche ma con molto vitello, dedicano loro cure parentali più marcate.
• Uova centrolecitiche: uova degli insetti con un’abbondante quantità di vitello al centro della cellula.

Quando avviene la segmentazione, il suo piano di divisione è rallentato dalla presenza e dal quantitativo di vitello, esso è una sostanza inerte che, quando è in quantità abbondanti, addirittura ostacola la divisione, cambiando la posizione del piano di divisione. Ne deriva che ogni tipologia cellulare ha la sua velocità di divisione. Il polo ricco di vitello è detto polo vegetativo, dove la concentrazione di vitello è scarsa identifichiamo il polo animale.

Lo spermatozoo è una cellula molto piccola che deve essere molto leggera e molto mobile. È costituito da una testa in cui troviamo il pronucleo maschile che verrà trasferito alla cellula uovo con la fecondazione, un centriolo che verrà trasferito e da cui genereranno i fusi per le divisioni cellulari, una vescicola acrosomiale essenziale per la fecondazione e la coda, il suo flagello. La cellula uovo che viene fecondata, che prima aveva un metabolismo ridotto al minimo volto a garantire la sopravvivenza, vede il suo metabolismo attivarsi.

Evoluzione

L’evoluzione degli organismi dipende da modificazioni dello sviluppo che sono ereditabili dalle generazioni successive. Le modificazioni ereditarie sono quelle che garantiscono all’embrione di sopravvivere mentre si sviluppa. Un esempio è la cavità amniotica comparsa 255 milioni di anni fa che ha permesso ai vertebrati di spostarsi sulla terra. Altro esempio è la zampa del cavallo, oggi unidattila, ha avuto un antenato a 5 dita. Lo sviluppo maggiore del dito medio rappresenta un importante adattamento alla corsa nelle praterie.

Interazione ambientale

Lo sviluppo di molti organismi è influenzato da informazioni derivate dall’ambiente che circonda l’embrione.

• Determinazione del sesso nel verme marino Bonellia viridis: Dalle uova schiuse nascono larve indifferenziate che solitamente si differenziano in femmine. Se però le larve entrano a contatto con la proboscide di una femmina, a causa della presenza dell’ormone bonellina, queste si differenziano in maschi che entrano all’interno della loro sacca genitale, qui vivranno come simbionti.
• Embrioni di Zebrafish: Se si comparano due embrioni provenienti da un’area normale e un’area impattata (es. Deep Horizon) si denotano uno sviluppo normale e uno compromesso. Gli embrioni esposti a elevate quantità di idrocarburi producono larve con gravi anomalie: ridotto sviluppo delle cartilagini nel cranio, branchie e torace, ed errata migrazione delle cellule delle creste neurali.
• Sindrome alcolica fetale (FAS) nell’uomo: Nel feto, l'alcool altera la consegna di ossigeno e di nutrizione ai tessuti ed agli organi di sviluppo. Gli arti, le giunzioni e le barrette possono essere deformati, la crescita in ritardo durante e dopo la nascita, udito e perturbazioni visive, difetti del cuore, del rene e dell'osso e microcefalia. Uno degli effetti principali di FAS è danneggiamento del sistema nervoso centrale, specialmente il cervello.

Questi sei punti fondamentali della biologia dello sviluppo ci serviranno per analizzare tutti gli argomenti del corso.

Approcci alla biologia dello sviluppo

Diversi approcci ed esperimenti hanno fatto la storia della biologia dello sviluppo, ma 3 sono quelli fondamentali utilizzati nello studio dell’embriologia:

Approccio anatomico

Quello descrittivo è stato il primo tipo di approccio, non avendo a disposizione la strumentazione opportuna poiché non ancora inventata, l’unico mezzo disponibile era l’occhio, si poteva solo osservare ciò che era osservabile e descriverlo. Il ricercatore si fa osservatore. Ci si poneva la domanda ‘Che cosa?’ Si cercava di delineare fisicamente le parti dell’embrione che avrebbero dato forma alla struttura dell’adulto. L’embriologia descrittiva delinea lo sviluppo embrionale e post-embrionale di un sistema.

Approccio sperimentale (embriologia sperimentale)

Nella seconda metà del ‘900 iniziano gli esperimenti di manipolazione su alcuni embrioni, Conklin fu il primo che con i suoi esperimenti sui tunicati cercò di delineare delle mappe presuntive. Ci si poneva la domanda ‘Come? Come fanno a sapere le cellule cosa devono diventare o che struttura formare?’

Approccio genetico/molecolare

L’embriologia che studia le molecole e i geni coinvolti nello sviluppo, concetto estremamente importante perché capace di fornire informazioni su errori nello sviluppo. Conoscendo la funzione di un determinato gene so quali sono le problematiche che può causare nel caso non dovesse funzionare.

Approccio anatomico: embriologia descrittiva

Diverse linee si intrecciano tra loro a costituire l'approccio anatomico allo sviluppo. La prima è l’embriologia comparata, che studia come l'anatomia si modifica nello sviluppo di organismi differenti. La seconda, che si basa sulla prima, è l’embriologia evoluzionistica e studia come modificazioni dello sviluppo possono provocare modificazioni nell'evoluzione, e come la serie dei progenitori di un organismo può limitare i tipi di modificazioni possibili. Lo stesso Darwin ha tratto alcune delle sue conclusioni grazie ad alcune teorie di Von Baer. La terza linea dell'approccio anatomico alla biologia dello sviluppo è la teratologia, che studia le malformazioni e difetti congeniti. Analizziamole:

• Embriologia comparata: Aristotele, in “La generazione degli animali”, osservò le differenti modalità di nascita degli animali dalle uova. Identificò le due diverse modalità di segmentazione oloblastica (completa) tipica delle uova isolecitiche e mesolecitiche e meroblastica (parziale) tipica delle telolecitiche e centrolecitiche. Definì anche i concetti di specie vivipara, ovipara e ovovivipara. Aristotele fu il primo a parlare di sviluppo come evento multifasico in cui ogni fase si svolge amplificando e definendo quella precedente, lo possiamo definire quasi un visionario.
• Malpighi: Tristemente ricordato per essere stato sostenitore del preformismo, teoria secondo la quale le diverse parte di un embrione erano preformate fin dal suo inizio, presenti in miniatura all’interno dell’uovo o dello spermatozoo (homunculus), e che divenivano soltanto più grandi con lo sviluppo. Malpighi effettuò i suoi studi tramite osservazione dello sviluppo dell’uovo del pollo, sviluppo che descrisse sapientemente con delle illustrazioni comparabili con immagini recenti catturate con strumentazione all’avanguardia.
• Wolff: Osserva delle strutture stadio-specifiche (spesso temporanee) che si delineano durante lo sviluppo dell’embrione del tutto diverse da quelle dell’adulto, perché funzionali a quella precisa fase di sviluppo. Con questo concetto viene accantonata la teoria del preformismo.

Il superamento vero e proprio del Preformismo è determinato da 3 ricercatori:

• Pander: Fu il primo a individuare i foglietti embrionali (ectoderma, mesoderma, endoderma). Conclude che gli organi derivano da ‘proto-tessuti’ il cui sviluppo è indotto dall’interazione dei foglietti embrionali.
• Rathke: Studia i vertebrati e si accorge dell’aumento della complessità dello sviluppo durante le sue fasi. Ad esempio, le stesse strutture embrionali danno origine alle branchie dei pesci oppure all’arcata orale ed orecchio medio nei mammiferi.
• Van Baer: Matura 4 principi, di cui approfondiremo il quarto ed ultimo, principio per il quale è diventato famoso.
  1. Durante lo sviluppo compaiano prima le caratteristiche generali del gruppo ampio di appartenenza e successivamente quelle più specifiche, ad esempio tutti i vertebrati appaiono simili quando inizia a formarsi il tubo neurale.
  2. Da quelle generali a loro volta, man mano, generano e si sviluppano quelle più specifiche. Ad esempio, tutti hanno inizialmente lo stesso tipo di cute che poi si differenzia in scaglie, o squame o piume ecc… O ancora, lo sviluppo degli arti inizialmente è simile, poi si differenziano.
  3. L’embrione di una data specie, anziché passare attraverso gli stadi adulti di animali inferiori, se ne allontanano. I solchi faringei degli embrioni di uccelli e mammiferi non assomigliano in modo particolareggiato alle fessure branchiali dei pesci adulti. Assomigliano piuttosto ai solchi faringei degli embrioni di pesci e degli altri embrioni di vertebrati. Mentre i pesci conservano ed elaborano questi solchi in vere fessure branchiali, i mammiferi li convertono in strutture quali Ie tube di Eustachio (tra l'orecchio e la faringe).
  4. L’embrione di un animale superiore e l’embrione di un animale inferiore sono simili SOLO nello stadio iniziale, per esempio in differenti vertebrati sono notevoli le somiglianze di essi negli stadi iniziali dello sviluppo, col tempo si svilupperanno e accentueranno le differenze. Gli embrioni umani non passano mai attraverso uno stadio equivalente ad un pesce o un uccello adulti, però gli embrioni, negli stadi iniziali, di umani, pesci e uccelli condividono caratteristiche comuni.

Oltre a questi principi, Von Baer illustrò anche l’ovulo dei mammiferi, diventando il primo a dimostrare che l’ovulo si trova all’interno della struttura follicolare descritta da Graaf. L’embriologia comparata dello sviluppo ha permesso di descrivere i cicli della vita degli organismi animali. Ogni animale passa attraverso stadi di sviluppo simili, quelli compresi tra fecondazione e nascita vengono definiti stadi di embriogenesi. Gli stadi dell’embriogenesi sono:

• Fecondazione: È il momento di contatto e penetrazione dello spermatozoo nella cellula uovo, unione dei materiali genetici dei due gameti e attivazione dell’uovo, che inizia a svilupparsi.
• Segmentazione: (già osservata e identificata ai tempi da Aristotele) Nelle prime fasi di segmentazione la mitosi è detta bifasica perché mancano le fasi G1 e G2, questa mancanza favorisce una notevole velocità di sviluppo. Queste cellule sono dette blastomeri e alla fine della segmentazione generalmente formano una struttura sferica detta blastula. (animali come lo Xenopus vedono all’interno della loro blastula una cavità detta blastocele, la cui funzione è regolare il corretto sviluppo dei foglietti embrionali).
• Gastrulazione: A fine segmentazioni le mitosi rallentano e i blastomeri vanno incontro a delle migrazioni, che porteranno alla formazione dei 3 foglietti embrionali: ectoderma, mesoderma ed endoderma. Gastrula è il nome dello stadio in cui si trova ora l’embrione.
• Organogenesi: I tre foglietti embrionali si riorganizzano per formare tessuti e organi, interagendo tra loro. Molti organi contengono cellule che derivano da più di un foglietto embrionale, come ad esempio la cute, il cui stato più esterno, l’epidermide, origina dall’ectoderma e lo strato sottocutaneo, il derma, dal mesoderma. Al termine di questa fase non parliamo più di embrione ma di feto.

Questi stadi sono comuni alle due tipologie di sviluppo, diretto e indiretto. Gli organismi che hanno uno sviluppo diretto appaiono come miniature dell’adulto che devono raggiungere la maturità sessuale. Gli animali che hanno uno sviluppo indiretto producono delle larve che sono morfologicamente diverse dall’adulto e contano uno stadio che lo sviluppo diretto non prevede, la metamorfosi.

• Metamorfosi: In molte specie l’organismo che esce dall’uovo o che è messo al mondo non è sessualmente maturo, esso è una larva. In molte specie lo stadio larvale è quello che dura più a lungo e lo stadio adulto è breve e funzionale solo alla riproduzione. Spesso le larve rappresentano l’unico stadio in cui l’organismo di nutre, ad esempio la farfalla del baco da seta nello stadio larvale su nutre molto in modo da fornire energia all’adulto in cui muterà, che sarà provvisto di una piccola cavità buccale non idoneo al nutrimento. Le femmine si accoppiano non appena escono dalla crisalide e volano una sola volta per la deposizione delle uova e poi muoiono.

Embriologia evoluzionistica

Si studia come modificazioni dello sviluppo possano provocare modificazioni nell’evoluzione. Figura principale quando si parla di embriologia evoluzionistica è quella di Darwin, egli fu molto ispirato dal lavoro di Van Baer. Darwin riteneva che le somiglianze fra gli embrioni rivelassero l’esistenza di un antenato comune, di una connessione genetica fra differenti gruppi di animali. La sua teoria dell’evoluzione rivoluzionò l’embriologia comparata e le fornì un nuovo obiettivo, ovvero descrivere l’evoluzione dei viventi. Darwin era affascinato dai crostacei, specialmente dai Cirripedi, nei quali osserva gli stadi larvali che notò estremamente simili agli stadi larvali dei gamberi.

Mettendo a confronto gli arti anteriori di vari animali, denotò delle strutture omologhe che riconducono a un antenato comune tetrapode, ma osservò anche delle progressive modificazioni per consentire un maggiore adattamento all’ambiente. Se però prendo in considerazione solo gli arti che si sono evoluti per permettere il volo, osservo strutture analoghe, preposte a svolgere una funzione simile ma che si sono sviluppate in modo indipendente, molto tempo dopo che le due linee divergessero dall’antenato comune. Questa è definita divergenza evolutiva, altro esempio è la presenza di AFGP (proteine antigelo) in pesci che vivono in acque estremamente fredde, filogeneticamente distanti. Questi non hanno un antenato comune ma hanno dovuto adattarsi allo stesso ambiente.