La diversità della vita non è solo una questione di genetica ????

Uno studio UNIGE rivela come i vincoli meccanici, legati alla crescita dei tessuti, contribuiscono a generare la diversità delle strutture biologiche.

Come possiamo spiegare la diversità morfologica delle specie? Se la genetica è la risposta che viene spontanea in mente, non è l’unica spiegazione. Combinando osservazioni dello sviluppo embrionale, tecniche di microscopia progressi e modellazione computerizzata, un team multidisciplinare delUniversità di Ginevra (UNIGE) dimostra che lo sviluppo delle scaglie della testa del coccodrillo deriva da un processo legato all’ meccanico dei tessuti in crescita, piuttosto che della genetica molecolare. La diversità di queste scaglie, osservata in diverse specie di coccodrilli, deriva quindi dall’evoluzione dei parametri meccanici. Questi risultati offrono una visione senza precedenti delle forze fisiche coinvolte nello sviluppo e nell’evoluzione della diversità delle forme viventi. Potrebbero essere applicati ad altri sistemi biologici complessi. Questi lavori possono essere letti nella rivista Natura.

L’origine della diversità e della complessità morfologica degli esseri viventi rimane uno dei più grandi misteri della scienza. Per chiarire questo, gli scienziati studiano varie specie biologiche. Il laboratorio di Michel Milinkovitch, professore presso il Dipartimento di Genetica ed Evoluzione della Facoltà di Scienze dell’UNIGE, studia lo sviluppo e l’evoluzione delle appendici tegumentarie dei vertebrati – vale a dire le penne, i peli e le scaglie – per comprenderne i meccanismi fondamentali responsabile di questa diversità. Si ritiene generalmente che lo sviluppo embrionale di queste appendici sia dettato da processi genetici che comportano interazioni tra numerose molecole risultanti dall’espressione genica.

Come una “crepa” che si allarga

Tuttavia, analisi precedenti sullo sviluppo degli embrioni di coccodrillo hanno permesso al laboratorio di Ginevra di dimostrare che, a differenza di quelle del corpo, le scaglie che ricoprono il muso e le mascelle provengono da un processo che ricorda la propagazione delle crepe all’interno del corpo. UN materiale sottoposti a stress meccanico. Tuttavia, la natura esatta di questo processo fisico è rimasta sconosciuta.

Il team UNIGE ha risolto questo mistero grazie a un nuovo lavoro altamente multidisciplinare. Per prima cosa ha osservato l’aspetto delle squame durante lo sviluppo dell’embrione del coccodrillo del Nilo, che dura circa 90 giorni. Mentre a 48^th giorno, la pelle che ricopre le mascelle e il muso è ancora liscia, le pieghe della pelle compaiono dal 51^th giorno poi si allargano e si collegano a formare scaglie poligonali di due tipi: larghe e allungate sulla sommità del muso, più piccole e irregolari ai lati delle mascelle.

Il gruppo di Michel Milinkovitch voleva sapere se le differenze nella velocità di crescita tra l’epidermide, il derma e le ossa del cranio sottostanti potessero spiegare la comparsa delle pieghe, e quindi delle squame. Per raggiungere questo obiettivo, ha sviluppato una tecnica che consiste nell’iniettare un ormone nell’uovo di coccodrillo che attiva la crescita e l’irrigidimento dell’epidermide – il fattore di crescita EGF (per Fattore di crescita epidermico). Ha poi scoperto che ilattivazione la crescita e l’aumento della rigidità dello strato superficiale della pelle portano ad una spettacolare modificazione delorganizzazione pieghe della pelle.

“Osserviamo che la pelle prima si piega in modo anomalo e forma una rete labirintica che ricorda le pieghe del cervello, ma finisce per formare scaglie molto più piccole come nei caimani”, spiegano Gabriel Santos-Durán e Rory Cooper, ricercatori post-dottorato nel laboratorio di Michel Milinkovitch e coautori dello studio. Queste osservazioni mostrano che la variazione nella velocità di crescita e di irrigidimento degli strati cutanei è un semplice meccanismo evolutivo, capace di generare una grande diversità di forme di scaglie tra le diverse specie di coccodrilli.

Un modello 3D dello sviluppo della mascella

Gli scienziati hanno quindi utilizzato tecniche microscopiche avanzate, note come “fluorescenza foglio leggero”, per quantificare la velocità di crescita e la variazione di spessore dei diversi tessuti (epidermide, derma, tessuto osseo) ovunque sulla testa dell’embrione, ma anche l’organizzazione delle fibre dell’embrione collagene nel derma. Il team di Ginevra ha utilizzato questi dati per costruire un modello informatica tridimensionale (3D) che permette di variare la velocità di crescita e la rigidità dei tessuti.

“Esplorando questi diversi parametri, possiamo generare le diverse forme di squame corrispondenti ai coccodrilli del Nilo trattati e non trattati con EGF, ma anche al caimano dagli occhiali o all’alligatore americano. Queste simulazioni al computer dimostrano che la meccanica dei tessuti rende facile spiegare la diversità di forme di alcune strutture anatomiche in specie diverse, senza coinvolgere fattori genetici molecolari”, conclude Ebrahim Jahanbakhsh, ingegnere informatico nel laboratorio di Michel Milinkovitch e coautore dello studio.