Evoluzione e neodarwinismo. Una faccenda curiosa

Prima di iniziare metto chiaramente le carte in tavola: non ho alcuna intenzione di affermare che l’evoluzione in quanto FATTO STORICO non sia avvenuta. L’evidenza del succedersi delle specie nel corso del tempo è schiacciante (non ci sono dinosauri in giro) da non valere la pena di tornarci su. Da ciò ogni accusa di anti-evoluzionismo dovrebbe essere definitivamente fuori questione. Ciò che mi vede critico (e con me una larga e crescente parte della comunità scientifica internazionale, vedi ad esempio Noble, D. (2015). Evolution beyond neo-Darwinism: a new conceptual framework. Journal of Experimental Biology, 218(1), 7-13 ) è la spiegazione fornita da Darwin (e mummificata in una sorte di mitologia scientifica da un secolo circa di neo-darwinismo) sul COME tale processo possa essere avvenuto (visto poi che il COME è il campo di elezione della scienza).

 

Ma andiamo con ordine: in estrema sintesi, l’idea darwinista è quella che il motore dell’evoluzione siano le mutazioni casuali che possono provocare una piccola modificazione che risulti vantaggiosa in termini di riproduzione differenziale al portatore della medesima così che (grazie al tempo e al numero praticamente infinito di individui) ‘spostino’ le caratteristiche della specie verso altri equilibri. L’idea base è insomma quella di un processo lento e continuo. A onore del vero, Charles Darwin aveva affermato che, qualora la continuità del processo fosse stata falsificata, la sua teoria sarebbe stata inesorabilmente da cestinare. Il progresso della biologia (sia a livello molecolare che paleontologico) ha ampiamente falsificato l’ipotesi di continuità ma il neo-darwinismo rimane un dogma, perché? Forse riuscirò a darvi uno straccio di risposta alla fine del pezzo, ma riprendiamo con la storia della continuità.

 

Il processo evolutivo è tutto meno che continuo, per gran parte della storia della vita sulla terra gli unici organismi esistenti sono stati semplicissimi batteri e alghe azzurre poi, in un tempo relativamente rapido in senso geologico, si è presentata una diversità di forme e complessità paragonabile a quella odierna. Questo il dato paleontologico.

Ancora più stringente il dato molecolare: dovunque si guardi, la biologia ci rimanda sempre lo stesso messaggio di un numero minuscolo di forme ‘realmente esistenti’ rispetto alle configurazioni teoricamente possibili, due esempi eclatanti:

 

  1. Solo circa 400 tipi cellulari con un profilo largamente invariante di espressione genica sono presenti nel nostro organismo, laddove le configurazioni teoricamente possibili da circa 30000 geni ognuno che varia su quattro ordini di grandezza di livello di espressione sono di molto superiori al numero di atomi dell’Universo (Vickaryous, M. K., & Hall, B. K. (2006). Human cell type diversity, evolution, development, and classification with special reference to cells derived from the neural crest. Biological Reviews, 81(3), 425-455.).
  2. Il tipo di interazioni proteina-proteina (da cui deriva la possibilità di avere un metabolismo efficiente) è piuttosto sovrapponibile tra le diverse specie viventi, e implica un ordine di grandezza tra 104 e 105 reazioni chimiche metabolicamente rilevanti, laddove il numero di combinazioni possibili (per un organismo relativamente semplice come il lievito) arriva al numero astronomico di 107200 (Tompa, P., & Rose, G. D. (2011). The Levinthal paradox of the interactome. Protein Science, 20(12), 2074-2079.) insomma un numero con più di settemila zeri, laddove gli scienziati hanno invece stimato che il numero di atomi contenuti nell’Universo sia compreso tra 1079 e 1081 !!!!

 

Da un punto di vista puramente fisico, la cosa non è particolarmente singolare: la stessa possibilità di una scienza quantitativa deriva dal fatto che la natura sia strutturata da regolarità che fanno collassare il numero di ‘configurazioni possibili’ in un numero drasticamente inferiore di ‘configurazioni osservabili’. In altre parole il carbonio ha valenza 4 (può insomma formare quattro legami covalenti stabili con altri atomi) non ‘quante ne capita’, in condizioni vicine a quelle ideali, la pressione e il volume di un gas non ‘variano come loro aggrada’ ma seguono la legge dei gas perfetti PV=nRT e così via.

La (apparente) continuità delle variazioni vale solo nelle strettissime vicinanze della ‘configurazione di equilibrio’ ed è ciò che spesso si definisce ‘rumore’, tornando al caso dell’evoluzione, è ciò che determina la micro-evoluzione , quel processo che fa sì che un batterio possa acquisire  resistenza ad un antibiotico ma rimanendo LO STESSO BATTERIO. Certo la cosa non vale per la comparsa di nuove specie (macroevoluzione) o per i complessi co-adattamenti di fiori e specie impollinatrici che implicherebbero una serie di mutazioni coerenti del tutto al di fuori di ogni ragionevole probabilità (siamo dalle parti di una possibilità su 107200).

 

Per cercare di capirci qualcosa (ricordiamo che l’evoluzione è comunque avvenuta) dobbiamo allora prendere sul serio la realtà e lasciar perdere la mitologia del processo continuo e inarrestabile per puro effetto del caso che si confronta con l’ambiente e quindi ammettere che nella realtà esistono delle forme stabili e non solo il flusso di variazione (cominciamo ad avvicinarci alle motivazioni extra-scientifiche della mitologia evoluzionistica).

 

Io credo fermamente che la vita faccia parte (pur con tutte le sue peculiarità) del mondo fisico, per cui dovremmo guardare al mondo fisico per farci venire qualche idea ragionevole di come potrebbero essere andate le cose (Erenpreisa, J., & Giuliani, A. (2020). Resolution of Complex Issues in Genome Regulation and Cancer Requires Non-Linear and Network-Based Thermodynamics. International Journal of Molecular Sciences, 21(1), 240.).

 

Il punto di partenza è ciò che i neo-darwinisti hanno sempre taciuto: e cioè che le specie sono sostanzialmente stabili (da cavallo e cavalla nasce sempre un altro cavallo) e che la variazione continua è una piccola modulazione di frequenza su un assetto immutabile (d’altronde sappiamo come filosoficamente un certo tipo di pensiero veda la stabilità come il fumo negli occhi). Ciònonostante la macroevoluzione è avvenuta, allora dobbiamo porci il problema di come un sistema stabile possa ‘uscir fuori dalla sua trappola’ (un minimo energetico), nel caso dell’evoluzione il sistema in questione è una popolazione, proprio come nelle reazioni chimiche dove chi reagisce (trasformandosi in qualcos’altro) sono vastissime popolazioni di molecole.

La popolazione non risiede su un massimo assoluto di fitness (Emax..corrispondente alla migliore ‘configurazione’ per il successo riproduttivo, fitness appunto, e nel caso della chimica a un minimo energetico) ma oscilla attorno a esso e in generale si trova in una configurazione E0 vicina ma non coincidente con il massimo corrispondente al contesto. Chiamiamo questo contesto genericamente AMBIENTE e, aldilà dei meccanismi specifici di adattamento, chiediamoci, DATA LA SOSTANZIALE STABILITA DELLE SPECIE, IN QUALI SITUAZIONI L’AMBIENTE RIESCE A FORZARE IL SISTEMA AD ABBANDONARE IL SUO STATO DI EQUILIBRIO SPINGENDOLO VERSO UNO STATO DI EQUILIBRIO DIFFERENTE ATTRAVERSANDO UNA SORTA DI INTERMEDIO INSTABILE DI REAZIONE. Chiediamoci insomma come avvenga una  transizione.

La risposta è nota alla fisica da molto tempo: avviene per RISONANZA, un fenomeno scoperto da Huygens nella seconda metà del Seicento per cui un sistema oscillante A (nel suo caso una pendola) cambiava il suo periodo di oscillazione naturale e si sincronizzava con un altro sistema B (un’altra pendola dall’ altra parte della parete) che aveva una periodicità lievemente diversa. Fenomeni di risonanza sono l’ emergere di ritmi nei battimani a teatro o in ambito biologico i ritmi circadiani che si mettono in fase con il sole quando invece di per se sarebbero un pochino più lenti (come dimostrato da esperimenti eseguiti su persone che rimangono in grotta per settimane).

Tornando a noi, indipendentemente dal meccanismo, la cosa importante del paradigma delle transizioni di fase applicato alla biologia è che permette finalmente di comprendere fenomeni misteriosi come il differenziamento e lo sviluppo (qui si consiglia: (McDonnell, M. D., & Abbott, D. (2009). What is stochastic resonance? Definitions, misconceptions, debates, and its relevance to biology. PLoS computational biology, 5(5)).

 

L’idea fondamentale della proposta TRE (Teoria delle Risonanze Evolutive, che ho collaborato a sviluppare, vedi: Damasco, A., & Giuliani, A. (2017). A resonance based model of biological evolution. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications471, 750-756.) è quella di trattare il processo di speciazione (e quindi in generale l’evoluzione biologica) in maniera fisicamente motivata come una transizione di fase tra due stati stabili: una specie A (stabile come tutte le specie) che si trasforma in un’altra specie B (anche essa stabile). Né più né meno di come una specie molecolare (stabile) A si trasforma in una specie molecolare (stabile) B in una reazione chimica e, come in una reazione chimica, passa attraverso uno stato di transizione (instabile).

Sostituire la continuità del cambiamento con il carattere discreto della transizione è il fulcro della incommensurabilità tra TRE e neodarwinismo: nella TRE l’evoluzione (anche se ovviamente non in atto) è già in potenza presente nella forme esistenti, proprio come in chimica organica si può disegnare una molecola e derivarne le proprietà chimico-fisiche dalla formula di struttura posto che si rispettino i vincoli formali dettati dalla fisica (e.g. il carbonio deve avere valenza quattro).

Il passaggio dalla potenza all’atto (la sostanza materialmente prodotta) sarà catalizzato dalle opportune condizioni di reazione (risonanza con fattori ambientali oscillanti nella TRE).

Il punto da tenere ben presente è che il tema principale del modello proposto sono le condizioni di evolvibilità non i meccanismi dell’evoluzione. Non a caso la teoria si basa su un formalismo derivato dagli equilibri chimici e quindi dalla termodinamica che è una scienza che consente previsioni fenomenologiche molto precise ma che si è sviluppata su premesse meccanicistiche totalmente fantasiose (i padri della termodinamica classica credevano che il calore fosse un fluido: il flogisto o calorico). Le nostre idee chiaramente non sono (come sempre accade nelle scienze) del tutto personali, ma si iscrivono in una ‘aria dei tempi’ condivisa da altri ricercatori (vedi ad esempio: Dunkel, Jörn, et al. Stochastic resonance in biological nonlinear evolution models. Physical Review E, 2004, 69.5: 056118.), eppure la nostra pubblicazione ha scatenato un’ira scomposta nel mondo della biologia evolutiva con accuse di ‘creazionismo’ ‘falsa scienza’ e via di questo passo. Ma cosa avevamo dunque combinato suggerendo una ipotesi fondata su conoscenze fisiche assodate da secoli e coerenti con svariate osservazioni?

 

A mio parere la questione è che avevamo messo in discussione tre pilastri del pensiero filosofico moderno (capitalista?):

  1. Non esistono vincoli fisici posti dalla realtà materiale delle cose, tutto è modificabile a piacere!
  2. Il progresso (qualsiasi cosa sia) è continuo e inesorabile, mettersi di traverso è nel caso migliore da poveri illusi, nel caso peggiore da pericolosi terroristi.
  3. I bruschi cambiamenti di stato (ognuno la interpreti come vuole, Rivoluzioni? Cambi di Rotta?) sono tutt’al più una illusione.

 

A questo punto però sono troppo al di fuori del mio campo di competenze e lascio i commenti al mio amico Fabrizio che mi ha ‘commissionato’ questo pezzo e a voi lettori che pazientemente mi avete seguito fin qui.

Alessandro Giuliani (Primo Ricercatore Istituto di Sanità Biofisico)

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13 commenti per “Evoluzione e neodarwinismo. Una faccenda curiosa

  1. Giovanni
    30 gennaio 2020 at 13:31

    Non c’è stata nessuna evoluzione. Le specie sono apparse, perfette e compiute. E non si trasformano in altre specie… Come ha dimostrato il genetista Jerome Lejeune.

    • Alessandro Giuliani
      31 gennaio 2020 at 20:36

      in realtà Lejeune non ha dimostrato nulla ha solo detto che i rearrangiamenti cromosomici per lui necessari per passare da una situazione di accoppiamento cin prole fertile (la condizione per cui diciamo che due individui appartengono alla stessa soecie) a una situazione in cui ciò e impossibile sono molto improbabili. Questo è vero ma si sono in seguito scoperti modi per evitare questo passaggio è far nascere nuove specie (eg generazioni apomittiche). Ma il punto non è questo è che in ogni caso la macroevoluzione non è un processo continuo.

  2. Lory
    30 gennaio 2020 at 13:32
  3. ndr60
    30 gennaio 2020 at 15:50

    Stephen Jay Gould e Niles Eldredge svilupparono la teoria detta “degli equilibri punteggiati”, nella quale il cambiamento evolutivo è caratterizzato da lunghi periodi di stasi, in cui la specie rimane pressoché immutata, alternati/punteggiati da fasi di cambiamento rapido (in senso geologico). Secondo Gould gli equilibri punteggiati modificano uno dei pilastri fondamentali “nella logica centrale della teoria darwiniana.”
    Del resto, lo stesso Darwin affermava che «Molte specie, dopo essere state formate, non sono mai andate incontro a ulteriori mutamenti (…) ed i periodi, durante i quali le specie sono andate incontro a modificazioni, anche se lunghi misurati in anni, probabilmente sono stati brevi in confronto ai periodi in cui hanno mantenuto la stessa forma.»

  4. nicola volpe
    31 gennaio 2020 at 16:44

    Intervengo brevemente su questo articolo per dire due cose: la prima è che la Teoria delle Risonanze Evolutive -se dico una sciocchezza, qualcuno si prenda la pena di segnalarmelo- non mi sembra in radicale antitesi con la teoria darwiniana, la quale fu concepita, ricordiamolo, negli anni ’50 del XIX secolo. Da allora ad oggi, la biologia molecolare, la genetica e l’antropologia hanno fatto passi da gigante; la seconda è che, se Marx ebbe intenzione di dedicare la sua opera principale a Darwin, il quale declinò, un motivo doveva pure esserci. Ebbene, la risposta in questo articolo, laddove si dice che la mutazione è già presente in potenza (interessante il lessico aristotelico). E se Marx avesse visto proprio questo? E cioè che i sistemi sociali rechino in potenza i meccanismi stessi della loro trasformazione? Altrimenti perché darsi tanta pena per dimostrare che il capitalismo è uno stato transeunte della civiltà umana? Attenzione, il fatto stesso che “in potenza” un sistema sociale è trasformabile, ciò non significa che il passaggio all’atto sia cosa fatta.

    • Alessandro Giuliani
      1 febbraio 2020 at 11:00

      suggestiva ma rischiosa estrapolazione come sempre quando si passa dalla natura alla società. Il tema è che in natura bisogna aver chiara la distinzione tra vincoli e cause efficienti.
      Il citocromo di un batterio è quasi identico a quello umano in quanto sottoposto a vincoli che non hanno nulla a che vedere con le enormi differenze fra un batterio è un essere umano come la necessità di essere solubile in acqua o permettere il transito di elettroni nella struttura tridimensionale della proteina sono questi vicoli che decidono cosa si può o non si può fare in questo senso si parla di persistenza.

  5. 31 gennaio 2020 at 22:32

    Una teoria infondata che ha l’unico scopo di riesumare il finalismo ed implicitamente l’esistenza di un architetto divino.

    • Alessandro Giuliani
      1 febbraio 2020 at 11:11

      non credo sia infondata visto che stiamo ottenendo interessanti conferme sperimentali sull’ aumento di variabilità fenotipica in microrganismi sottoposto a forzanti ambientali oscillanti. Non capisco cosa c entri l architetto dell’ Universo io sono cattolico ma proprio perché credente penso che il.mondo non sia un gran casino ma comprensibile in termini di regolarità io leggo questo fatto a un Dio razionale chi non crede lo lega alla intrinseca organizzazione della natura. Se così non fosse non esisterebbe la scienza che proprio su queste regolarità si fonda tanto per fare un piccolo esempio senza le regolarità scoperte da Maxwell 150 anni fa questa nostra discussione a distanza non potrebbe avvenire.
      Tutto l impianto della teoria si basa su fisica stranota è non implica nessun architetto più di quanto non lo implichi qualsiasi reazione chimica o passaggio di fase o semplicemente l apertura a distanza della nostra auto con il circuito dello sportello che risuona alla stessa frequenza del nostro apparato di apertura che portiamo in tasca

  6. Luciano Battizocco
    1 febbraio 2020 at 3:21

    I bruschi cambiamenti di stato esistono: quando un sistema complesso va in singolarità, le equazioni che lo descrivono non danno più risultati coerenti ed il sistema è destinato ad attraversare un lungo periodo di instabilità, fino al raggiungimento del prossimo equilibrio di ottimo paretiano (cf Prigogine; cf Jay Gould). Esempi: il surriscaldamento globale in funzione dell’emissione di CO2; l’instabilità sociale in funzione della diseguaglianza economica; la disaffezione dei proseliti in funzione della corruzione della gerarchia.

    • Alessandro Giuliani
      1 febbraio 2020 at 11:13

      concordo è una interessante analogia

  7. Panda
    1 febbraio 2020 at 16:42

    Grazie, Alessandro, una testimonianza molto interessante.

    Ma come, dice l’anima bella, la scienza non si basa semplicemente su ipotesi di cui è benvenuta la contestazione sulla base di audaci congetture, come diceva il tale? Vuoi vedere che la pratica concreta delle scienze, pure di quelle naturali, somiglia più a quella descritta da Korsch e Lewontin che da Popper? 😉

    Ovvero quel che riporti, di là ovviamente del merito che non sono in grado di valutare, mi pare sintomatico del ruolo che la scienza nell’odierna società capitalistica è chiamata a ricoprire. Uno dei compiti è evidentemente contribuire a riprodurre il (non) senso del capitalismo, andare avanti senza porsi domande su direzione e meta. Anche la religione da questo punto di vista può risultare un ferrovecchio di cui sbarazzarsi: trovo molto significativo che in questi anni diversi scienziati, Dawkins in primis, si siano sentiti in dovere di assumersi il singolare compito di “confutare” la religione in nome della scienza. Non sono quindi stupito dalla natura degli attacchi di cui sei stato fatto oggetto.

    Altra questione riguarda più direttamente la scienza come strumento di legittimazione politica, quella che è stata simpaticamente chiamata “epistocrazia” (lo dice la scienza e quindi voi zitti!). Un compito a cui si accompagna la necessità di sostenere un’immagine della scienza “come unanimismo universale, «cattolicesimo» della ragione”, come dice Israel: dubito che una simile atmosfera risulti propizia all’audacia intellettuale.

    Mi convince meno il punto 1 della tua lista finale: non è scontato che la corrente di pensiero che in questi anni più ha contribuito ad ampliare l’idea di manipolabilità del soggetto, ossia il postmoderno, sia poi così ostile a forme di determinismo materialista. Lo notava, di nuovo, Israel e secondo me coglieva nel segno. Quando fai della cultura una sorta di vestito che si può mettere e togliere a piacere, a cosa riduci il soggetto se non al nudo bios? Che poi sia un naturalismo universalista anziché differenzialista, com’era il caso del razzismo (ma del social-darwinismo, no, o almeno non necessariamente), non cambia che il pensiero borghese convive benissimo col riduzionismo materialista. D’altra parte, c’è forse un modo di cementificare meglio certi aspetti della realtà sociale che presentarli come naturali?

    Penso faresti cosa gradita non solo a me se potessi consigliare qualche testo di livello non troppo specialistico che dia conto dell’attuale stato del dibattito sull’evoluzione. Grazie e buon lavoro.

    • Alessandro Giuliani
      1 febbraio 2020 at 18:15

      Caro Panda intanto grazie per aver citato il mio caro amico Giorgio che mi manca tantissimo. Sono d accordo con te sul fatto che la scienza esattamente come la religione possa essere usata (e di fatto lo è eccome) come un terribile è ancor piu insidioso della religione instrumentum regni..ne abbiamo conferme quotidiane e a questo turpe scopo può essere adattata qualsiasi teoria o modello interpretativo.
      Ciò detto io considero la scienza un mestiere artigiano e i tanti scienziati veri e appassionati che ho incontrato in quasi quaranta anni di lavoro sono ciò che io considero la scienza cosi come i tanti fratelli credenti che ho incontrato nella mia vita la Chiesa (le due popolazioni sono largamente sovrapposte in Russia specialmente sono praticamente coincidenti).
      Frequentare con amore la scienza della natura offre un antidoto al potere (che come cristiano considero opera del demonio) che è la passione per la verità ..speriamo non sia soffocata anche essa.
      Quanto al libro io consiglierei A casa nell’ Universo di Stuart Kauffmann.

  8. Francesco
    23 agosto 2021 at 0:01

    Da agnostico, sono molto interessato a queste teorie. Certo il slato dal biologico al sociale al politico è sempre pericoloso, ma in qualche modo può avvenire il contrario… il politico (o il religioso) può influenzare il sociale e la teoria biologica.
    Ma detto questo, uno dei punti più carenti del (neo)darwinismo è proprio quello della continuità e delle forme “intermedie” che mancano.
    Le specie restano “discrete” mentre le mutazioni sarebbero continue.
    Faccio un esempio volutamente banale: la tigre dai denti a sciabola. Non mi risulta che esistano dlle forme “intermedie” e d’altronde la coevouluzione dell’aspetto dentario con la guaina che “accoglie” i denti mi sembra enormemente complesso tale da essere legato a un’enorme mole
    di mutazioni in cui il solo gioco del caso sembra non essere sufficente.
    Stessa cosa direi per l’evoluzione degli uccelli attraverso l’Archeopterix. Certo tale specie appare una forma intermedia, ma come la si può definire dotata di maggior fitness? o comunque, altre forme intermedie magari impacciate nei movimenti terrestri e ancora inadeguate nel volo, come potrbbero avere una buona fitness? e comunque, perché mancano dei fossili di tali forme intermedie!
    Continuo/discreto, lì si gioca tutto!
    Non voglio dire che la TRE sia la soluzione, ma mi sembra che intanto sollevi il problema.
    Il pumto è che non si deve essere cattolici o credenti per mostrare alcune fallacie (o almeno criticità) del neodarwinismo.

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