Appunti di filosofia della biologia

Filosofia della biologia

Genetica

Tutti gli umani sono uguali per il 99,7% del DNA, le differenze genetiche sono attribuibili solo allo 0,3%. Queste sono dovute a errori nella duplicazione del DNA, che possono generare delle mutazioni ereditabili. Secondo la genetica mendeliana, i geni sono entità che causano il fenotipo, ovvero le caratteristiche osservabili dell’individuo. La genetica molecolare, invece, considera il gene come una porzione di DNA, trasformando il concetto astratto di Mendel in un concetto fisico. Il DNA costituisce il genotipo, mentre tutto il resto di ciò che è osservabile costituisce il fenotipo.

Il corpo umano è formato da vari organi che svolgono diverse funzioni e ognuno di essi è formato da diversi tipi di cellule. Ogni cellula contiene, nel nucleo, una copia del DNA. Questo è una lunga molecola formata da due polimeri di forma elicoidale. Esso è organizzato in diversi filamenti indipendenti che, in una certa fase dello sviluppo della cellula, si compattano e formano i cromosomi. Ogni cellula umana contiene 23 paia di cromosomi (23 dalla madre e 23 dal padre) e ogni coppia include due cromosomi identici. Ognuno dei 46 cromosomi contiene l’intero genoma. I cromosomi sessuali si dividono tra quelli maschili (xy) e quelli femminili (xx).

I geni passano da una generazione all’altra, essi si trovano dentro alle cellule, nel DNA, e codificano le proteine, che sono coinvolte in ogni funzione biologica. Galton osserva che genitori e figli non sono identici e che i tratti dei figli non costituiscono un valore di mezzo tra i tratti dei due genitori, come la statura. Inoltre, alcuni tratti riappaiono da generazioni ancestrali (regressione e atavismo). La legge dell’eredità ancestrale consiste in una formula matematica relativa alla proporzione in cui ogni antenato contribuisce a un certo tratto nella generazione attuale.

Biometria

La biometria, i cui esponenti sono Galton e Pearson, è un approccio empirico all’ereditarietà, che si basa sull’evidenza empirica fornita dall’apparenza fisica degli individui. Essa è influenzata dal positivismo e dall’empirismo, per quanto riguarda l’attenzione alle caratteristiche osservabili e la mancanza di spiegazioni basate su entità teoretiche o metafisiche invisibili.

Mendel conduce degli esperimenti sulle piante nel 1866 e osserva che i caratteri passano da una generazione all’altra con pattern specifici, ipotizzando che qualcosa di importante succeda al di sotto delle caratteristiche osservabili. A volte, i tratti sembrano scomparire e poi riapparire nelle generazioni seguenti, per cui Mendel assume che ciò che viene trasferito da una generazione all’altra non siano i caratteri, ma alcuni fattori generativi. Johansen distingue tra:

• Genotipo: fattori generativi, materiale ereditabile (geni).
• Fenotipo: caratteristiche osservabili causate dal genotipo.

Vengono introdotte delle entità causali inosservabili, i geni, sotto le caratteristiche osservabili. I dati di Mendel sono:

• I tratti vengono ereditati indipendentemente.
• I geni esistono in forma alternativa (alleli).
• Ogni gene ha due alleli, che possono essere identici (omozigosi) o diversi (eterozigosi).
• Alcuni alleli si esprimono sempre (dominanti), mentre altri restano nascosti (recessivi).

All’inizio del XX secolo avviene la riscoperta degli studi di Mendel e vengono sistematizzate le sue leggi. In questo periodo si sviluppa la biologia molecolare, che vede la congiunzione di genetica mendeliana e biochimica. Essa rivela il ruolo dei geni nella produzione delle proteine e nella regolazione delle funzioni biologiche. Il materiale ereditario si scopre localizzato nella molecola del DNA e i biologi iniziano a pensare che i geni siano localizzati dentro ai cromosomi.

Teoria cromosomica dell’ereditarietà

La teoria cromosomica dell’ereditarietà (1910), di Morgan e Bridges, dimostra che i caratteri passano da una generazione all’altra seguendo il movimento fisico dei cromosomi durante la replicazione della cellula. Le leggi di Mendel, così, vengono riformulate in termini citogenetici.

Nel 1953, Watson e Crick descrivono il modello di DNA a doppia elica, rendendo conto di tre aspetti del materiale ereditario:

• Funzione riproduttiva
• Funzione evolutiva
• Funzione fenotipica

La complementarietà delle due eliche suggerisce i meccanismi per cui il DNA può replicarsi e migrare da una cellula all’altra. L’evoluzione può avvenire tramite le mutazioni, ovvero errori casuali nella replicazione del DNA, che determinano dei cambiamenti nella struttura chimica. Questo avviene tramite la sostituzione delle basi del DNA: A-T C-G. Le mutazioni determinano le differenze individuali entro una specie e costituiscono le basi per l’evoluzione.

Dogma centrale della biologia molecolare

Secondo il dogma centrale della biologia molecolare, l’informazione genetica procede in modo unidirezionale dal DNA alle proteine. L’informazione genetica si trova nel DNA, che può autoreplicarsi. Il DNA viene trascritto in RNA, il quale viene traslato in proteine, che assolvono alle funzioni biologiche. Il ribosoma crea un amminoacido per ogni codone, formato da tre nucleotidi. Gli amminoacidi formano le catene peptidiche che, a loro volta, creano le proteine. Esistono 4³ = 64 possibili combinazioni di basi, ma solo 20 tipi di amminoacidi. Il gene è una porzione di DNA che può essere trascritta in RNA e trasformata in proteine. Il fenotipo consiste in ogni tratto risultante dalla trascrizione e trasformazione del DNA. Gli alleli sono forme alternative dello stesso gene.

Ogni cromosoma dello stesso tipo ha gli stessi geni, ma la struttura chimica di questi geni può essere diversa in diversi individui, a causa delle mutazioni. Le proteine sono catene di amminoacidi. Ogni umano dispone di 46 cromosomi a coppie, in ognuna delle quali uno viene dal padre e uno dalla madre. Ci sono due coppie dello stesso gene in ogni cellula. Le differenze tra individui non dipendono dai geni, ma da quale allele dello stesso gene, in quanto ogni umano porta gli stessi geni. Le mutazioni sono spesso neutrali, cioè non hanno effetto sul fenotipo, ma in alcuni casi causano delle differenze in alcuni aspetti dell’organismo.

Condizioni genetiche

Si può distinguere tra:

• Condizioni mendeliane: dovute a mutazioni nel singolo gene e portano sintomi importanti. In genere, se c’è quel gene, la malattia si presenta (es. fibrosi cistica). Alcune singole mutazioni nucleotidiche, dovute a errori nella replicazione del DNA, possono causare dei problemi di grande entità. Ad esempio, può cambiare la forma della proteina, come avviene nell’anemia falciforme. Spesso, le malattie mendeliane coinvolgono molte mutazioni in un singolo gene. Esistono moltissime malattie di questo tipo, ma ognuna di esse è rara. Un esempio è la PKU, che provoca un’incapacità nel metabolismo, per cui l’organismo non è in grado di metabolizzare l’amminoacido della fenilalanina che, così, si accumula nell’organismo causando dei danni cerebrali e dei problemi del neurosviluppo. Occorre intervenire sull’ambiente cambiando la dieta, anche se è una malattia ereditaria. Si può capire se un individuo ce l’ha vedendo se i genitori hanno quell’allele, sono malattie facili da prevedere, ma dipende anche da se la condizione è dominante o recessiva. L’analisi del pedigree è lo studio della trasmissione entro la famiglia, risalendo l’albero genealogico. Si possono identificare gli aspetti molecolari dei geni mendeliani, ma alcuni geni codificano delle proteine non funzionali, che non hanno effetti sul fenotipo.
• Tratti poligenici: dovuti a effetti piccoli di moltissimi geni. L’ambiente è importante e si tratta di questioni di gradi, cioè qualcosa che si ha di più o di meno, le differenze sono quantitative (es. cancro, disturbi mentali, malattie metaboliche). Mentre le condizioni mendeliane affliggono in modo binario (si ha o no), questi sono questione di gradi (es. obesità). Si tratta di variazioni quantitative, con un’eziologia complessa, in cui intervengono molti fattori genetici e ambientali. Contano sia i geni che lo stile di vita, per esempio, l’obesità unisce problemi metabolici a dieta e attività. Ogni allele ha dei piccoli effetti individuali sul fenotipo ed è difficile individuarli tramite analisi classiche. Il gene non è necessario e sufficiente per essere obesi. Questi tratti vengono studiati con metodi indiretti, ovvero studi familiari su bambini adottati e su gemelli identici allevati separatamente. Se le similarità fenotipiche aumentano all’aumentare del grado di parentela, allora si assume che il fenotipo abbia basi genetiche. I bambini adottati presentano un genotipo diverso, ma esperiscono un ambiente comune, mentre i gemelli identici allevati separatamente hanno il 100% dei geni in comune, ma vivono in ambienti diversi. Questi ultimi, se sviluppano comunque lo stesso tratto è genetica, altrimenti è determinato dall’ambiente.
• Anormalità cromosomiche: non dipendono da un singolo gene, ma da un’anormalità nei cromosomi, che coinvolge un gran numero di geni. Un esempio è la sindrome di Down, causata dal fatto che ci siamo tre cromosomi 21 anziché due. Sono identificabili con un test genetico prenatale.

Si studiano le cascate biochimiche partendo dalla proteina e, quando si sa quale non funziona, se ne può analizzare la struttura chimica e fare inferenze su quale sequenza di DNA la codifica:

A + B + C = fenotipo A

A + B + C = fenotipo B

Negli anni Ottanta avvengono degli sviluppi nella localizzazione specifica delle sequenze di DNA nel cromosoma e nella determinazione della struttura cromosomica. Si usa un chip di DNA complementare per localizzare una specifica sequenza di cromosomi. Si inserisce una sonda con del colorante fluorescente nel nucleo della cellula. Essa viaggia finché non trova la parte di DNA complementare, a cui si lega colorando la molecola. Tramite il microscopio, si individua il punto dove la sonda fluorescente inserita si è legata ai cromosomi. Questa tecnica è chiamata ibridazione in situ (ISH). Tuttavia, non è detto che la sonda si leghi nel modo giusto.

Progetto Genoma Umano

Al fine di investigare i tratti poligenici serve sequenziare l’intero genoma umano ed è ciò che è stato fatto con il Progetto Genoma Umano. Nel 2000, Clinton annuncia che è stato sequenziato il genoma umano. Il progetto è iniziato nel 1990 ed è finito ufficialmente nel 2003. Non si tratta, però, del genoma umano in generale, ma del genoma di una singola persona e costituisce la base per analizzare quello degli altri individui e le malattie correlate. Esso ha aperto la strada alla medicina personalizzata o di precisione, che consiste nel prevedere e prevenire l’insorgere di certe malattie tramite diagnosi precise e trattamenti personalizzati. Il genoma umano contiene circa 20.000 geni, 3,2 biliardi di paia di basi e può produrre circa 100.000 proteine, ma si pensava di trovare circa 300.000 geni. Il DNA contenuto in ogni cellula misura 180 cm. Più del 98% del DNA non è codificante, cioè non contiene informazioni per codificare le proteine, per questo veniva chiamato “junk DNA”.

Il “Genome-wide association studies” si occupa di identificare le singole mutazioni più frequenti in una popolazione che presenta una malattia. Questo, però, non funziona perché porta a risultati non replicabili e a una conoscenza meccanicistica limitata. La proteomica studia come le proteine si organizzano in uno modo o in un altro e come, a seconda della struttura, cambino funzione. Tuttavia, esistono tantissimi tipi di proteine che svolgono funzioni diverse e non possiamo osservarle nel loro ambiente naturale, ma solo tramite analisi indirette della loro struttura chimica.

Determinismo

Il determinismo può essere distinto in:

• Determinismo causale: ogni evento è necessitato da un evento precedente e dalle leggi della natura.
• Determinismo biologico: rigida causazione indipendente da fattori ambientali.
• Determinismo genetico: il comportamento umano e l’attività mentale sono controllati dalla costituzione genetica individuale. Tutti i tratti sono ricondotti a qualcosa di innato e determinato geneticamente.

Secondo l’essenzialismo, le similitudini tra entità sono ascrivibili a una natura immutabile o essenza delle cose. Il concetto di “innato”, invece, fa riferimento al fatto che lo sviluppo di un tratto è stabilito in anticipo, prima dell’esperienza e dell’apprendimento. Se qualcosa è nella nostra natura, allora è inevitabile e non c’è libertà. In questo caso, la responsabilità morale cadrebbe.

L’innatismo e la causazione del singolo gene costituiscono due importanti narrative. I primi dati della genetica mostrano una relazione semplice tra genotipo e fenotipo. I singoli fattori genetici sembrano causare lo sviluppo di diversi tratti, come aveva osservato Mendel. Il dogma centrale implica una relazione univoca tra gene e tratto, cioè un gene per ogni proteina e una proteina per ogni malattia: 1 gene 1 proteina 1 tratto. Ciò deriva da un fraintendimento degli esperimenti di Mendel, infatti non c’è un gene per un tratto. Negli studi di Mendel, i tratti sono ereditati indipendentemente, perché i geni esistono in forme alternative (alleli) e ogni individuo ha due alleli per un gene, ma questa è una visione astratta dei geni, che vengono considerati come unità stabili che agiscono al di fuori del contesto. Il genotipo, quindi, è più importante degli aspetti ambientali.

In quest’ottica, il gene è una porzione di DNA che può essere tradotta in RNA e trasformata in proteina e il fenotipo consiste in ogni tratto formato dalla trascrizione del gene. Mendel, nei suoi esperimenti di incrocio di piante, fa accoppiare delle piante sempre più simili nel fenotipo creando delle linee pure, con solo una caratteristica definita in ogni linea, per poi far accoppiare le linee pure tra loro, e da ciò ricava le regole dell’ereditarietà. Egli non voleva comprendere l’ereditarietà, ma selezionare le piante per l’agricoltura. A questo fine ottiene delle popolazioni di piante con una peculiare composizione genetica. Il difference-maker è un gene che, da solo, genera delle differenze osservabili nel fenotipo. Le popolazioni di Mendel sono identiche geneticamente tranne che per un gene, che non codifica una certa proteina e genera la differenza.

Vi è una cascata biochimica che porta o meno un tratto a seconda del punto della catena dove c’è l’interruzione, causando un fenotipo diverso. Le differenze fenotipiche sono dovute a differenze in un solo gene, anche se il tratto è dovuto a più geni. Mendel non guarda alla complessità, ma semplifica, per questo viene criticato da Weldon, secondo cui i fenotipi non sono discreti e il difference-maker funziona solo negli esperimenti. I tratti sono poligenici e sono rari i casi in cui un solo gene fa la differenza, c’è una grande variabilità nei tratti e ognuno di essi è complesso e poligenico. Anche nelle condizioni mendeliane, non è detto che il gene sia sufficiente per l’insorgere della malattia.

Per esempio, la mutazione FOXP2 è associata a disordini nel linguaggio umano, ma quindi è il gene del linguaggio? Esso codifica la proteina che regola l’espressione genetica, ma non si trova solo nel cervello, è anche in altri organi e in altri vertebrati. Tale gene non causa specificatamente il linguaggio, ma è coinvolto in reti complesse che causano diversi tratti., è necessario ma non sufficiente, servono altri fattori. Un gene può influenzare tanti aspetti del fenotipo e questo può essere influenzato da molti geni. Si parla di pleiotropia quando un gene colpisce uno o più fenotipi che non sembrano correlati tra loro. Non c’è una relazione 1:1 tra gene e tratto, ma più di un tratto può essere influenzato dallo stesso gene.

Le mutazioni mendeliane hanno effetti devastanti su molte funzioni delle cellule, ma anche i fattori ambientali sono necessari per l’insorgere della malattia, il gene è necessario ma non sufficiente, anche se la malattia è legata a un gene. La causazione genetica è forte, ma non innata, dipende anche da condizioni ambientali, che possono evitare che insorga. Il problema è risolvibile modificando il contesto ambientale, esso dipende dall’interazione tra organismo e ambiente. Quest’ultimo può far sì che non ci sia più disfunzione, ma variazione neutra. Il termine “dominante” di Mendel, non è usato per definire un tratto assoluto, ma il comportamento del tratto in uno specifico contesto. Lo si è usato per riferirsi a una qualità di un allele fissa e invariabile, dove x è dominante su y in ogni circostanza e questo è un problema della comunicazione e dell’insegnamento della genetica.

Concetto di gene

Il concetto iniziale di gene è legato a quello di difference-maker. Il dogma centrale implica il concetto di gene produttivo, mentre oggi si parla di network regolatori a livello genetico, cioè reti complesse di interazioni tra molti geni, proteine e fattori ambientali. Più del 98% del DNA non è codificante, ma regola le interazioni tra geni per creare le proteine, quindi regola l’espressione del gene. Il meccanismo regolatorio determina se la sequenza viene trascritta o no, dove la trascrizione inizia e finisce e quanto della sequenza viene trascritto. Questa funzione è stata scoperta da J. Monod tramite il modello OPERONE LAC. La regolazione va al di là del DNA e la stessa sequenza di DNA può codificare diverse proteine. Tramite il meccanismo dello splicing, il DNA viene processato tagliando le sequenze non codificanti (introni) e assemblando le rimanenti sequenze codificanti.