A CHE PUNTO SIAMO CON DARWIN (Parte seconda)

 

Post n. 46

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La trasmissione laterale o orizzontale

 

Il DNA (acido desossiribonucleico) è la molecola che contiene l’informazione genetica. È scritto nel DNA se un organismo sarà un essere umano, un albero o un microorganismo.

Nel DNA di tutti gli organismi, sono stati individuati decine di migliaia di segmenti chiamati geni.  I geni del DNA vengono trascritti in RNA messaggero ed espressi in proteine. Sono geni, o gruppi di geni, che stabiliscono il colore della pelle, il numero della dita di una mano e così via. Ogni organismo vivente trasmette sempre il proprio patrimonio genetico ai discendenti. Spesso nei discendenti il patrimonio ereditario subisce delle mutazioni, cioè dei cambiamenti casuali, che può cambiare l’espressione del gene. Come abbiamo scritto nel precedente articolo, a seguito di queste scoperte la teoria di Darwin venne ampliata alla genetica col nome di neodarwinismo, oggi nota come “teoria sintetica”. La teoria, afferma che la selezione naturale opera sui geni, che le variazioni di cui parla Darwin sono mutazioni casuali che compaiono in modo continuo nei geni e vengono trasmesse ai discendenti, e tale trasmissione viene chiamata verticale.

Durante il suo viaggio intorno al mondo Darwin aveva già intuito che le specie non erano entità fisse, come allora si credeva, e che vi fosse un legame tra le specie viventi e le specie estinte. Rappresentò questa idea con un disegno, una schizzo di un possibile albero genealogico, che divenne poi l’albero di Darwin.

 

 

Dopo la pubblicazione dell’origine delle specie vi fu, da parte di scienziati che accettarono la teoria dell’evoluzione di Darwin, un fiorire di alberi genealogici i cui rami, che rappresentavano le specie, convergono in un tronco. I rami di questi alberi della vita, attraverso il legame di parentela, partendo dall’apice, scendevano dagli organismi più complessi agli organismi meno complessi lungo il tronco dell’albero. Poiché i microbi erano all’epoca già noti, alcuni scienziati li posero alla base del tronco, col nome di Monera, dando l’idea che la vita avesse avuto inizio con i microbi.

La scoperta dei geni ha confermato l’idea sopra esposta, e il fatto che essi si trasmettono da un organismo ai propri discendenti stabilendo un legame di parentela, l’albero genealogico di Darwin che riguardava gli organismi superiori, fu definitivamente esteso ai micro organismi. Le ricerche di Carl Woese hanno infine evidenziato che tutti i microorganismi sono suddivisibili in: Batteri, Archea ed Eucarioti, e che tutti gli organismi viventi o estinti, attraverso la trasmissione verticale discendono da questi microorganismi. La rappresentazione dell’evoluzione attraverso alberi genealogici fu una potente metafora che contribuì a diffondere la teoria di Darwin e a cui non si sottrasse neanche Woese. Il suo albero parte naturalmente da batteri, archea ed eucariote ma pone alla base del tronco un ipotetico “Progenitore universale”. Che cosa fosse infine questo “Progenitore universale” non era dato sapere.

 

 

https://it.wikipedia.org/wiki/Carl_Woese

 

Nella seconda metà del secolo scorso la trasmissione verticale era l’unica accettata dagli scienziati. Era stato anche coniato il termine linea germinale, che non poteva assolutamente essere invasa dalla linea germinale di altre specie.

Sembrava tutto abbastanza chiaro quando a metà degli anni 90 venne definitivamente accettata, nel mondo batterico e fra eucarioti monocellulari, la trasmissione laterale detta anche trasmissione orizzontale: i geni non si trasmettono soltanto da un organismo ai propri discendenti ma anche tra cellule che non presentano alcun legame di parentela. Questa scoperta è stata come una bomba: l’albero genealogico basato su trasferimenti verticali, cioè sulla discendenza e sul legame di parentela, perdeva improvvisamente la base del tronco.

La storia della trasmissione genica laterale comincia all’inizio del secolo scorso. A quell’epoca un medico di nome S. Griffith notò che mettendo insieme Streptococcus Pneumoniae vivi, denominati R, che non provocavano gravi patologie con Streptococcus Pneumoniae morti di tipo S, che creavano patologie mortali, i pneumococchi vivi da innocui diventavano mortali. Nessuno a quell’epoca sapeva darsi una spiegazione perché si riteneva che le specie batteriche fossero entità fisse e stabili.  Soltanto intorno alla metà del secolo scorso gli studi di Griffith furono ripresi da Oswald Avery medico al Rockefeller Institute e dal suo gruppo. Avery scopri che era il Genoma, il DNA, o pezzi di esso che si trasferivano nelle cellule batteriche vive per poi essere trasmesse alle future generazioni e chiamò trasformazione questo tipo di trasferimento genico. Nel decennio successivo furono scoperte da Joshua Lederberg della Yale University altri due tipi di trasferimento: la coniugazione che avviene attraverso il contatto tra i batteri, una specie di sesso batterico, una sveltina come l’ha soprannominata David Quammen, e la trasduzione dovuto ai Virus che spesso prelevano materiale genetico da un batterio e lo trasferiscono in un altro batterio. Intorno agli anni sessanta del secolo scorso sorse inoltre il problema della resistenza agli antibiotici da parte di batteri patogeni. La comparsa così veloce di resistenza ai farmaci da parte di diversi ceppi batterici non poteva essere spiegata come lento processo Darwiniano di mutazioni, ma poteva essere spiegato solo attraverso la trasmissione laterale di parti di informazioni genetiche tra batteri. Intorno alla metà degli anni settanta ci si accorse che il trasferimento genico orizzontale non era una questione che riguardava solo il campo medico ma investiva tutto il mondo batterico, dall’origine della vita fino ai nostri giorni e ne aveva influenzato l’evoluzione. Verso la fine del secolo scorso il trasferimento genico laterale, ormai universalmente accettato, cambiò definitivamente la forma dell’albero e per W. J. Doolittle divenne un albero reticolato.

 

A seguito della scoperta della trasmissione laterale anche Woese definì il progenitore universale come un’aggregazione comune ma alquanto flessibile di cellule primitive che si evolveva come un’unità e che infine raggiunse una fase nella quale si spezzettò in varie comunità distinte.

Ora, la scoperta della resistenza ai farmaci pone però anche delle riflessioni di carattere generale. Se un ceppo batterico riesce a sviluppare una resistenza ai farmaci dovrebbe essere, secondo la selezione naturale, il più adattato nel nuovo ambiente e le linee evolutive meno adatte dovrebbero lentamente estinguersi. Accade invece che la colonia che ha sviluppato la resistenza ai farmaci trasferisce, attraverso il trasferimento genico laterale, l’informazione ai suoi competitor cioè anziché competere, collabora. Nell’articolo precedente, veniva evidenziato come secondo Lynn Margulis la vera novità evolutiva deriva dalla simbiosi e che la vita sulla terra ha seguito la via della cooperazione e non della lotta per la sopravvivenza. Ma, mentre la simbiosi ha avuto origine 1,5 miliardi di anni fa, la cooperazione i batteri lo praticano già dalla loro origine 3,5 miliardi di anni. Poiché la vita ha avuto origine con i batteri, allora la vita sulla terra non ha seguito la via della cooperazione ma è fondata sulla cooperazione.

All’inizio del nuovo millennio si pensava ancora che il trasferimento genico orizzontale riguardasse solo i batteri. Secondo la maggior parte degli scienziati i geni non potevano passare da una specie all’altra, la linea germinale degli organismi superiori era protetta da una barriera insormontabile. Ma con lo sviluppo tecnologico per il sequenziamento genico questa barriera iniziò a cedere e alla fine crollò. Si iniziò con un gruppo specifico di animaletti, i rotiferi, in cui furono trovati ventidue geni provenienti da batteri, funghi e uno addirittura da un pianta. In seguito fu anche scoperto che geni batterici erano contenuti nei genomi di insetti e invertebrati. Furono rinvenuti tracce di DNA batterico in tumori umani.

Insomma, si è scoperto che il trasferimento genico laterale riguarda tutti gli organismi.

Per concludere segnalo solo alcune delle numerose pubblicazioni degli ultimi anni.

17 febbraio 2012

Nelle piante prove di trasferimento genico tra specie (Red. Le Scienze on line)

Una nuova ricerca ha permesso di documentare un'altra via di trasmissione dei geni tra piante di diverse specie che hanno in comune solo un antico antenato. Non sono noti i dettagli del processo, ma sembra che il materiale genetico trasportato nell'aria dai grani di polline su differenti specie sia acquisito dalle piante ospiti durante l'impollinazione.

08 marzo 2013

L’alga rossa che sopravvive rubando i geni ai batteri (Red. Le Scienze on line)

L’alga rossa Galdieria sulphuraria riesce a sopravvivere in ambienti estremi, molto acidi e ricchi di metalli, grazie ai geni che ha acquisito da organismi più semplici tramite un trasferimento orizzontale. Il meccanismo, tipico delle cellule procariote, ma assai più raro tra gli organismi con una struttura cellulare complessa, è stato scoperto sequenziando il genoma dell'alga.

13 marzo 2015

Dai microorganismi al genoma umano, ecco i nostri geni stranieri (Red Le Scienze on line)

© Sean Busher/Corbis

Il passaggio di geni dai microrganismi agli animali più complessi è un meccanismo comune e nel corso dell'evoluzione ha lasciato agli esseri umani un'eredità di circa 145 geni "stranieri". E' quanto emerge da una nuova analisi comparata dei genomi di diverse specie, dal moscerino delle frutta ai primati, compreso l'uomo.

10 luglio 2018

Il trasferimento genico che ha trainato l’evoluzione

© iStock/iLexx 

Una ricerca su diverse centinaia di specie di funghi, piante e animali ha documentato che il trasferimento di elementi genici trasponibili tra specie differenti è stato molto più diffuso del previsto nel corso dell'evoluzione, cambiando radicalmente anche il genoma dei mammiferi.

 

30 giugno 2021

Il DNA salta tra le specie animali, nessuno sa con quale frequenza

di Christie Wilcox/Quanta Magazine

Banco di Aringhe. Aringhe e osmeridi producono entrambi proteine antigelo grazie allo stesso gene, anche se i loro antenati si sono separati oltre 250 milioni di anni fa e il gene è assente in tutte le altre specie di pesci imparentate con loro. (© Humberto Ramirez/Getty Images) 

La scoperta di un gene condiviso da due specie di pesci non imparentate è la prova più recente ed eclatante del fatto che i trasferimenti orizzontali di geni nei vertebrati accadono con una frequenza sorprendente e hanno un notevole impatto evolutivo.

 I responsabili di tale trasferimento sono generalmente virus e batteri che infettano le cellule di piante e animali e vi trasferiscono segmenti dei loro geni. Inoltre, i patogeni batterici che entrano nelle cellule vegetali e animali possono prelevare materiale genetico estraneo, trasportalo nelle loro cellule e quindi servire da vettori per il trasferimento genico orizzontale. Fino ad alcuni anni fa si riteneva che virus e batteri fossero gli unici vettori per il trasferimenti genico orizzontale tra piante e animali. Insomma non poteva esserci una trasmissione diretta per le cellule vegetali, che generalmente hanno una parete cellulare protettiva. Negli ultimi anni è stato scoperto che anche gli insetti, con le loro parti dure e affilate, possono incidere la parete protettiva e trasferire materiale genetico estraneo sia a piante che animali.

Oggi si ritiene che non ci siano ormai barriere che impediscano l'ingresso di materiale genetico estraneo nelle cellule di qualsiasi specie sulla terra, e che oltre al trasferimento genico verticale anche il trasferimento genico orizzontale investe tutto il processo evolutivo degli organismi viventi dalle origini fino ai nostri giorni.

Epigenetica

Dunque, ritornando ancora una volta a Darwin, i discendenti non sono tutti uguali ma presentano variabilità che si accumulano nell’arco di generazioni, sopravvive l’individuo che presenta le variazione più adatte in un determinato ambiente. E richiamando ancora il neodarwinismo, le variazioni di cui parla Darwin sono mutazioni casuali che compaiono in modo continuo nei geni e vengono trasmesse ai discendenti, sopravvive l’individuo che presenta le mutazioni più adatte in un determinato ambiente. In definitiva, parafrasando il concetto, il solo compito dell’ambiente è quello di scegliere l’individuo che presenta le mutazioni genetiche più adatte.

Ma con la scelta del più adatto l’ambiente ha veramente concluso il suo compito?

Come riporta Richard C. Fancis nel suo saggio “L’ultimo mistero dell’ereditarietà” 2011, erano i tempi bui della seconda guerra mondiale. In tutta l’Olanda imperversava la carestia ma nel Nord del paese essa fu particolarmente pesante e persistente. Più tardi fu iniziato uno studio sugli effetti della carestia a lungo termine, in particolare su coloro che allora si trovavano nel grembo materno. In queste persone i ricercatori evidenziarono, un aumento dell’obesità di circa il cinquanta per cento rispetto a coloro che erano venuti al mondo prima e dopo la carestia, e problemi di natura psichica come la depressione. Alla fine degli anni novanta c’erano abbastanza prove da concludere che l’ambienta fetale abbia giocato un ruolo sulla loro salute.

Ma come si è potuto produrre tutto questo?

Oggi sappiamo che sono i geni a creare le speciali proteine atte a svolgere tutti i processi biochimici che sostengono gli organismi viventi. Per regolazione genica si intende un controllo della cellula sull’attività dei geni e si pensava che questa regolazione genica fosse l’unica e di breve durata. La carestia olandese ha evidenziato l’esistenza di una regolazione genica a lunga durata chiamata “regolazione epigenetica”. Nel 2000 fu scoperto da due ricercatori, Randy e Waterland, che la regolazione epigenetica si esplica attraverso marcatori generalmente gruppi –CH₃, gruppo metilico, che si lega ad un gene per cause ambientali e lo disattiva, e sono proprio questi geni metilati che sono stati scoperti nei soggetti che hanno subito la carestia. L’ambiente fetale, in questo caso, ha avuto azione a lungo termine. Nel corso della produzione di spermatozoi e ovociti il genoma viene ripulito dai marcatori, ma in diversi casi questi geni metilati riescono a passare alla successiva generazione dando origine ad una eredità epigenetica.

 Michael K. Skinner in Le Scienze 02 ottobre 2014 in un articolo dal titolo “Un nuovo tipo di eredità” conclude: «Le azioni dei geni possono essere regolate da fattori «epigenetici», delle molecole che si attaccano al DNA e alle proteine dei cromosomi e che esprimono l’informazione indipendentemente dalle sequenze di DNA. Gran parte delle modificazioni epigenetiche vengono cancellate poco dopo il concepimento. Gli inquinanti, lo stress, la dieta e altri fattori ambientali possono causare cambiamenti persistenti nella miscela di modificazioni epigenetiche nei cromosomi, e in questo modo possono alterare il comportamento delle cellule e dei tessuti. Sorprendentemente, alcuni cambiamenti acquisiti possono essere trasmessi ai discendenti. In teoria la vostra salute e quella dei vostri figli potrebbero essere modificate da fattori a cui è stata esposta la vostra bisnonna durante la gravidanza. L’eredità epigenetica potrebbe avere un ruolo in patologie come l’obesità e il diabete, nonché nell’evoluzione delle specie»

Anche Michael Brooks in “Oltre il limite” 2015 riprende nel suo libro il problema della carestia olandese ma lo amplia in funzione evoluzionistica. Jean-Baptiste Lamarck fu il primo ad affermare che i cambiamenti nel mondo organico fossero il risultato di una legge e non da interventi miracolosi, e fu, da questo punto di vista, forse il primo evoluzionista. Lamarck era anche convinto che i caratteri acquisiti durante la vita si trasmettessero alla discendenza. Egli prese come esempio le giraffe che inizialmente dovevano avere il collo corto ma che si allungava un po’ per arrivare alle foglie. Questa caratteristica venne trasmessa alla prole che a sua volta nello stesso tentativo allungarono ancora un po’ di più il loro collo fino a quando tutte le giraffe svilupparono un collo lungo. Naturalmente tale processo fu smentito dai fatti, l’idea della trasmissione dei caratteri acquisiti fu sepolta, Lamarck morì cieco, povero, buttato nella catacombe di Parigi e spesso irriso dagli evoluzionisti.

Ma Lamarck non aveva totalmente torto aveva solo sbagliato a prendere la giraffa come esempio.

Lo struzzo si siede spesso a terra e nei punti di contatto la pelle diventa spessa e dura formando delle callosità dove non crescono piume. Sembrava che quelle callosità si formassero durante la vita dello struzzo tutte le volte che si sedeva a terra. Negli anni quaranta del secolo scorso Conrad Waddignton dell’Università di Edimburgo scoprì che le parti callose lo struzzo li presenta già alla nascita e quindi si formano durante lo sviluppo dell’embrione. Questo significa che un carattere acquisito dai progenitori dello struzzo era stato trasmesso alla prole. Per confermare i suoi sospetti sottopose dei moscerini della frutta, prima della loro metamorfosi, a shock termico e scoprì che cambiava la disposizione delle venature sulle loro ali e tale disposizione si manteneva per generazioni. Un fattore ambientale aveva apportato un cambiamento in un carattere dei moscerini della frutta e questi lo hanno trasmesso alla prole. Waddington coniò il termine epigenetica (in aggiunta alla genetica), ma le sue idee rimasero marginali nel contesto evolutivo. Dopo lo studio sulla carestia olandese si moltiplicarono le ricerche in cui l’ambiente causa cambiamenti epigenetici. Nel 2011 ricercatori del Salk Institute in California dimostrarono che i gruppi metilici possono influire su migliaia di geni. I ricercatori arrivarono alla conclusione che l’influenza degli effetti epigenetici supera di centinaia di miglia di volte quella delle mutazioni e che tali effetti possono durare fino a trenta generazioni. Come riporta ancora Brooks, due ricercatori, Kuzawaa e Sweet, analizzando i dati raccolti negli archivi del Johns Hopkins Hospital fino ai nostri giorni, hanno evidenziato come l’effetto dello schiavismo si rifletta ancora oggi sul peso dei nascituri di madri afroamericane. E Kuzawa e Sweet concludono: «Dobbiamo davvero smetterla con la nostra ossessione della genetica e iniziare a guardare agli effetti più duraturi dell’ambiente sulla biologia e sulla salute, soprattutto se subiti all’inizio della vita».

Il saggio di Sharon Moalem ha un titolo emblematico “L’eredità flessibile. Come i nostri geni ci cambiano la vita e come la vita cambia i nostri geni”. Non mi dilungo su sintesi già esposte ma di Moalem riporto solo uno studio sulle api e un consiglio.

Lo studio: «Una regina e le sue operaie possono nascere dagli stessi genitori, e possono avere DNA completamente identici. Eppure le loro differenze comportamentali, fisiologiche e anatomiche sono profonde, […]. Quando la colonia decide che è il momento di avere una nuova regina, i suoi membri scelgono alcune larve fortunate e le immergono nella pappa reale. […] le piccole principesse mangiano, mangiano e mangiano finché non ne emergono come eleganti principesse di sangue blu.  […] I loro geni non sono diversi ma è cambiata l’espressione genica, un meccanismo chiamato epigenetica». Più avanti Moalem riporta lo studio dei ricercatori della Oregon State University i quali hanno scoperto che mangiare spinaci inducono cambiamenti epigenetici contro le mutazioni genetiche prodotte da cancerogeni nella carne cotta.

Il consiglio. Mangiate spinaci.

Per concludere, forse è veramente auspicabile, come riportato da Telmo Pievani, (articolo citato nel prima parte), la costruzione di una “sintesi evoluzionistica estesa” ovvero una teoria che non si limiti a spiegare l’evoluzione solo attraverso geni e selezione.

 

                                                                           Giovanni Occhipinti

 

Prossimo articolo: riedizione dell'art. Il brodo prebiotico, il 1° Mito (Fine Aprile)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

WHERE DO WE STAND WITH DARWIN (Part two)

 

Post n. 46 English

English Etichetta Zoa

 

Lateral or horizontal transmission

DNA (deoxyribonucleic acid) is the molecule that contains the genetic information. It is written in DNA whether an organism will be a human being, a tree or a microorganism.

In the DNA of all organisms, tens of thousands of segments called genes have been identified.  The DNA genes are transcribed into messenger RNA and expressed in proteins. It is genes, or groups of genes, that determine skin colour, the number of fingers on a hand and so on. Every living organism always  transmits its genetic heritage to its descendants. Often in the descendants the inheritance undergoes mutations, i.e. random changes, which can change the expression of the gene. As we wrote in the previous article, as a result of these discoveries Darwin's theory was extended to genetics under the name of neo-Darwinism, now known as 'synthetic theory'. The theory states that natural selection works on genes, that the variations Darwin is talking about are random mutations that appear continuously in genes and are passed on to descendants, and this transmission is called vertical.

During his voyage around the world, Darwin had already realised that species were not fixed entities, as was then believed, and that there was a link between living and extinct species. He represented this idea with a drawing, a sketch of a possible family tree, which later became Darwin's tree.

 

After the publication of the Origin of Species there was, by scientists who accepted Darwin's theory of evolution, a flourishing of family trees whose branches, representing the species, converged into a trunk. The branches of these trees of life, through the bond of kinship, descended from the most complex organisms to the least complex organisms along the trunk of the tree. Since microbes were already known at the time, some scientists placed them at the base of the trunk, under the name of Monera, giving the idea that life began with microbes.

The discovery of genes confirmed the above idea, and the fact that they are passed on from one organism to its descendants by establishing a kinship link, Darwin's family tree, which concerned higher organisms, was definitively extended to microorganisms. Carl Woese's research finally showed that all microorganisms could be subdivided into: Bacteria, Archaea and Eukaryotes, and that all living or extinct organisms, through vertical transmission descend from these microorganisms. The representation of evolution by means of family trees was a powerful metaphor that helped to spread Darwin's theory and which Woese did not shy away from either. His tree naturally starts with bacteria, archaea and eukaryotes but places a hypothetical 'Universal Progenitor' at the base of the trunk. What this 'universal progenitor' actually was is not known.

 

 

 

In the second half of the last century, vertical transmission was the only one accepted by scientists. The term germline was coined, which could not possibly be invaded by the germline of other species.

Everything seemed clear enough when, in the mid-1990s, lateral transmission, also known as horizontal transmission, was finally accepted in the bacterial world and among single-celled eukaryotes: genes are not only passed on from one organism to its descendants, but also between cells that are not related at all. This discovery was like a bombshell: the family tree based on vertical transfers, i.e. descent and kinship, suddenly lost its trunk base.

The story of lateral gene transmission begins at the beginning of the last century. At that time, a doctor named S. Griffith noticed that by putting together live Streptococcus Pneumoniae, called R, which did not cause serious diseases with dead Streptococcus Pneumoniae type S, which created fatal diseases, the harmless live pneumococci became fatal. No one at the time could explain why, because bacterial species were thought to be fixed and stable entities.  It was not until the middle of the last century that Griffith's studies were taken up by Oswald Avery, a doctor at the Rockefeller Institute, and his team. Avery discovered that it was the genome, DNA, or pieces of it that were transferred into living bacterial cells to be passed on to future generations, and he called this type of gene transfer transformation. In the following decade, two other types of transfer were discovered by Joshua Lederberg of Yale University: conjugation, which occurs through contact between bacteria, a kind of bacterial sex, a quickie as David Quammen dubbed it, and transduction due to viruses that often take genetic material from one bacterium and transfer it to another bacterium. The problem of antibiotic resistance by pathogenic bacteria also arose around the 1960s. Such a rapid emergence of drug resistance by different bacterial strains could not be explained as a slow Darwinian process of mutations, but could only be explained by the lateral transmission of parts of genetic information between bacteria. By the mid-1970s, it was realised that horizontal gene transfer was not just a medical issue, but affected the entire bacterial world, from the origin of life to the present day and influenced its evolution. Towards the end of the last century, lateral gene transfer now universally accepted, definitively changed the shape of the tree and for W. J. Doolittle it became a reticulated tree.

 

 Following the discovery of lateral transmission, Woese also defined the universal progenitor as a common but rather flexible aggregation of primitive cells that evolved as a unit and finally reached a stage where it broke up into several distinct communities.

However, the discovery of drug resistance also raises general considerations. If a bacterial strain succeeds in developing drug resistance it should, according to natural selection, be the best adapted in the new environment and the less adapted evolutionary lines should slowly die out. What happens instead is that the colony that has developed drug resistance transfers the information to its competitors through lateral gene transfer, i.e. instead of competing, it cooperates. In the previous article, it was pointed out that, according to Lynn Margulis, the real evolutionary novelty comes from symbiosis and that life on earth has followed the path of cooperation and not of the struggle for survival. However, while symbiosis originated 1.5 billion years ago, bacteria have been practising cooperation since their origin 3.5 billion years ago. Since life originated with bacteria, then life on earth did not follow the path of cooperation but is based on cooperation.

At the beginning of the new millennium, horizontal gene transfer was still thought to be restricted to bacteria. According to most scientists, genes could not be passed from one species to another; the germ line of higher organisms was protected by an insurmountable barrier. However, with the technological development of gene sequencing, this barrier began to break down and eventually collapsed. It began with a specific group of small animals, the rotifers, in which twenty-two genes were found from bacteria, fungi and even one from a plant. Later it was also discovered that bacterial genes had snuck into the genomes of insects and invertebrates. Traces of bacterial DNA were found in human tumours.

In short, it turns out that lateral gene transfer affects all organisms.

To conclude, I would like to highlight just a few of the many publications in recent years.

17 February 2012

Evidence of gene transfer between species in plants (Red. Le Scienze online)

A new research has documented another way of gene transmission between plants of different species that share only one ancient ancestor. The details of the process are not known, but it seems that genetic material carried in the air by pollen grains on different species is acquired by host plants during pollination.

08 March 2013

The red alga that survives by stealing genes from bacteria (Red. Le Scienze online)

The red alga Galdieria sulphuraria is able to survive in extreme environments, very acidic and rich in metals, thanks to the genes it has acquired from simpler organisms through a horizontal transfer. The mechanism, typical of prokaryotic cells but much rarer among organisms with a complex cell structure, was discovered by sequencing the alga's genome.

13 March 2015

From microorganisms to the human genome, here are our foreign genes (Red Le Scienze online)

© Sean Busher/Corbis

Passing genes from microorganisms to more complex animals is a common mechanism and over the course of evolution has left humans with a legacy of around 145 'foreign' genes. This is the result of a new comparative analysis of the genomes of different species, from the fruit fly to primates, including humans.

10 July 2018

The gene transfer that drove evolution

© iStock/iLexx

Research on several hundred species of fungi, plants and animals has documented that the transfer of transposable gene elements between different species has been far more widespread than expected over the course of evolution, radically changing even the mammalian genome.

30 June 2021

DNA jumps between animal species, no one knows how often

by Christie Wilcox/Quanta Magazine

Herring bank. Herring and osmerids both produce antifreeze proteins thanks to the same gene, even though their ancestors split off over 250 million years ago and the gene is absent in all other related fish species. (© Humberto Ramirez/Getty Images)

The discovery of a gene shared by two unrelated fish species is the most recent and striking evidence that horizontal gene transfers in vertebrates occur with surprising frequency and have a major evolutionary impact.

Those responsible for such transfer are usually viruses and bacteria that infect plant and animal cells and transfer segments of their genes into them. In addition, bacterial pathogens that enter plant and animal cells can pick up foreign genetic material, transport it into their cells and thus serve as vectors for horizontal gene transfer. Until a few years ago, it was thought that viruses and bacteria were the only vectors for horizontal gene transfer between plants and animals. In other words, there could be no direct transmission to plant cells, which generally have a protective cell wall. In recent years, it has been discovered that even insects, with their hard, sharp parts, can cut through the protective wall and transfer foreign genetic material to both plants and animals.

It is now believed that there are no barriers to the entry of foreign genetic material into the cells of any species on earth, and that in addition to vertical gene transfer, horizontal gene transfer also affects the entire evolutionary process of living organisms from their origins to the present day.

 

 

 

Epigenetics

So, returning once again to Darwin, descendants are not all the same but present variability that accumulates over generations, and the individual with the most suitable variation in a given environment survives. And, again recalling Neo-Darwinism, the variations Darwin is talking about are random mutations that appear continuously in the genes and are transmitted to the descendants; the individual with the most suitable mutations in a given environment survives. Ultimately, to paraphrase the concept, the environment's only task is to choose the individual with the most suitable genetic mutations.

However, with the choice of the most suitable, has the environment really completed its task?

As Richard C. Fancis reports in his essay "L’ultimo mistero dell’ereditarietà" 2011, it was the dark days of the Second World War. Famine raged throughout Holland, but in the north of the country, it was particularly severe and persistent. Later, a study was started on the long-term effects of the famine, particularly on those who were in the womb at the time. In these people, the researchers found an increase in obesity of about fifty per cent compared to those who had come into the world before and after the famine, and psychological problems such as depression. By the late 1990s there was enough evidence to conclude that the foetal environment played a role in their health.

However, how could this be produced?

Today we know that it is genes that create the special proteins that carry out all the biochemical processes that sustain living organisms. Gene regulation refers to the cell's control over the activity of genes, and it was thought that this gene regulation was the only one of short duration. The Dutch famine highlighted the existence of long-lasting gene regulation called 'epigenetic regulation'. In 2000 it was discovered by two researchers, Randy and Waterland, that epigenetic regulation takes place through markers generally -CH3 groups, a methyl group, which binds to a gene due to environmental causes and deactivates it, and it is these methylated genes that were discovered in the subjects who suffered from the famine. The foetal environment, in this case, had a long-term effect. During sperm and egg production, the genome is cleansed of markers, but in several cases, these methylated genes manage to pass on to the next generation, giving rise to epigenetic inheritance.

Michael K. Skinner in Le Scienze 02 October 2014 in an article entitled 'Un nuovo tipo di ereditarietà' concludes: «The actions of genes can be regulated by "epigenetic" factors, molecules that attach to DNA and chromosome proteins and express information independently of DNA sequences. Most epigenetic changes are cancelled out shortly after conception. Pollutants, stress, diet and other environmental factors can cause persistent changes in the mix of epigenetic modifications in chromosomes, and in this way can alter the behaviour of cells and tissues. Surprisingly, some acquired changes can be passed on to descendants. Theoretically, your health and that of your children could be altered by factors to which your great-grandmother was exposed during pregnancy. Epigenetic inheritance may play a role in diseases such as obesity and diabetes, as well as in the evolution of species»

Michael Brooks, too, in “Oltre il limite” 2015, takes up the problem of the Dutch famine in his book, but expands it in an evolutionary way. Jean-Baptiste Lamarck was the first to assert that changes in the organic world were the result of a law and not of miraculous interventions, and he was, from this point of view, perhaps the first evolutionist. Lamarck was also convinced that traits acquired during life were passed on to descendants. He took the example of giraffes, which were initially supposed to have short necks but which stretched a little to reach the leaves. This characteristic was passed on to their offspring who in turn in the same attempt lengthened their necks a little more until all giraffes developed long necks. Of course, this process was disproved by the facts, the idea of transmission of acquired traits was buried, Lamarck died blind, poor, thrown into the Paris catacombs and often mocked by evolutionists.

But Lamarck was not totally wrong; he was just wrong to take the giraffe as an example.

The ostrich often sits on the ground and at the points of contact the skin becomes thick and hard, forming calluses where no feathers grow. It seemed that these calluses formed during the ostrich's life every time it sat on the ground. In the 1940s, Conrad Waddignton of the University of Edinburgh discovered that the ostrich's calloused parts are already present at birth and are therefore formed during the development of the embryo. This meant that a character acquired from the ostrich's ancestors had been passed on to its offspring. To confirm his suspicions he subjected fruit flies to heat shock prior to their metamorphosis and found that the arrangement of veins on their wings changed and this arrangement was maintained for generations. An environmental factor had brought about a change in one of the fruit flies' characters and they passed it on to their offspring. Waddington coined the term epigenetics (in addition to genetics), but his ideas remained marginal in the evolutionary context.

After the Dutch famine study, research into how the environment causes epigenetic changes multiplied. In 2011, researchers at the Salk Institute in California demonstrated that methyl groups can affect thousands of genes. The researchers concluded that the influence of epigenetic effects exceeds that of mutations by hundreds of thousands of times and that these effects can last up to thirty generations. As Brooks again reports, two researchers, Kuzawaa and Sweet, analysing data collected from the archives of the Johns Hopkins Hospital up to the present day, have shown how the effect of slavery is still reflected today in the weight of babies born to African-American mothers. In addition, Kuzawa and Sweet conclude: «We really need to stop our obsession with genetics and start looking at the longer-lasting effects of the environment on biology and health, especially when experienced early in life»

Sharon Moalem's essay has the emblematic title “L’eredità flessibile. Come i nostri geni ci cambiano la vita e come la vita cambia i nostri geni”. I won't expand on summaries already given, but I will just quote a bee research and a piece of advice from Moalem.

The research: «A queen and her workers may be born of the same parents, and may have completely identical DNA. Yet their behavioural, physiological and anatomical differences are profound, [...]. When the colony decides it is time for a new queen, its members select a few lucky larvae and dip them in royal jelly. [...] The little princesses eat and eat and eat until they emerge as elegant blue-blooded princesses». Their genes are not different but gene expression has changed, a mechanism called epigenetics. Further on, Moalem reports on the study by researchers at Oregon State University who found that eating spinach induces epigenetic changes against genetic mutations produced by carcinogens in cooked meat.

The advice. Eat spinach.

To conclude, perhaps it is truly desirable, as Telmo Pievani, (article quoted in part one), to construct an “extended evolutionary synthesis”, i.e. a theory that is not limited to explaining evolution through genes and selection alone.

 

                                                                           Giovanni Occhipinti