Thomas Hunt Morgan, 160 anni dalla nascita : quando l’ereditarietà diventò visibile nei cromosomi

Nato il 25 settembre 1866, Thomas Hunt Morgan trasformò una piccola mosca in uno dei più potenti strumenti della genetica moderna

I suoi esperimenti contribuirono a dimostrare che i geni sono localizzati sui cromosomi, collegando i caratteri ereditari osservati da Mendel a strutture fisiche presenti nelle cellule

Una piccola mosca con gli occhi bianchi contribuì a cambiare la nostra comprensione della vita. Quando Thomas Hunt Morgan cominciò a utilizzare la Drosophila melanogaster nei suoi esperimenti, la genetica era una disciplina ancora giovane. Le leggi formulate da Gregor Mendel nella seconda metà dell’Ottocento erano state riscoperte all’inizio del nuovo secolo, ma rimaneva aperta una domanda fondamentale: dove si trovavano materialmente i fattori responsabili dell’ereditarietà?

Mendel aveva mostrato che alcuni caratteri vengono trasmessi secondo regolarità matematiche. Non conosceva però i geni nel significato moderno del termine, né poteva conoscere la struttura del DNA. La biologia disponeva dunque di regole capaci di descrivere l’ereditarietà, ma non conosceva ancora con certezza il supporto fisico attraverso il quale quelle informazioni passavano da una generazione all’altra. Morgan contribuì in modo decisivo a colmare questa distanza.

A 160 anni dalla sua nascita, il 25 settembre 1866, la sua storia permette di osservare uno dei passaggi più affascinanti della scienza moderna: il momento nel quale qualcosa che poteva essere dedotto attraverso i caratteri degli organismi cominciò a trovare una posizione precisa all’interno della materia vivente.

Da Mendel ai cromosomi

La strada non cominciò con Morgan. Tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento, gli studi sulla divisione cellulare avevano reso sempre più evidente il comportamento particolare dei cromosomi. Theodor Boveri e Walter Sutton avevano proposto indipendentemente che proprio queste strutture potessero rappresentare il supporto dei fattori ereditari.

L’ipotesi era suggestiva: durante la formazione delle cellule sessuali, i cromosomi si separavano secondo modalità che ricordavano sorprendentemente la segregazione dei caratteri descritta da Mendel. Ma una corrispondenza non è ancora una dimostrazione. Occorreva trovare un legame sperimentale tra un determinato carattere ereditario e un determinato cromosoma. È qui che entrarono in scena Morgan e le sue mosche.

Una stanza piena di moscerini

All’Università Columbia di New York, Morgan allestì un laboratorio destinato a diventare celebre come la Fly Room, la stanza delle mosche. La Drosophila melanogaster possedeva caratteristiche particolarmente convenienti per gli studi genetici: era piccola, facile da allevare, si riproduceva rapidamente, produceva numerosi discendenti e presentava caratteri osservabili con relativa facilità. Inoltre possiede soltanto quattro coppie di cromosomi.

Generazione dopo generazione, Morgan e i suoi collaboratori potevano quindi osservare la comparsa e la trasmissione di mutazioni e confrontarle con le previsioni dell’ereditarietà mendeliana. Nel 1910 Morgan individuò un maschio con una caratteristica insolita: invece dei normali occhi rossi possedeva occhi bianchi.

Lo incrociò con femmine dagli occhi rossi e seguì il carattere nelle generazioni successive. Il risultato mostrava qualcosa di particolare: il colore bianco degli occhi era collegato al sesso dell’animale. Morgan comprese che il fattore responsabile doveva essere associato al cromosoma X. Un carattere osservabile dell’organismo era stato così collegato a uno specifico cromosoma.

I geni trovano un luogo

Era un cambiamento concettuale enorme. Il gene non era più soltanto un’entità teorica necessaria per spiegare le regolarità dell’ereditarietà. Cominciava a essere possibile collocarlo fisicamente.

Gli esperimenti successivi condotti dal gruppo di Morgan rafforzarono questa interpretazione. Caratteri differenti tendevano a essere ereditati insieme con frequenze particolari, indicando che i geni responsabili si trovavano sullo stesso cromosoma. Nasceva il concetto di linkage, associazione genetica.

Se due geni sono vicini sullo stesso cromosoma, hanno una maggiore probabilità di essere ereditati insieme. Se sono più distanti, aumenta la probabilità che vengano separati durante la ricombinazione che avviene nella meiosi. L’ereditarietà acquistava così una geografia: i geni non erano distribuiti astrattamente, ma occupavano posizioni lungo strutture fisiche.

Disegnare una mappa senza vedere i geni

Uno dei passaggi più straordinari arrivò attraverso il lavoro di un giovanissimo collaboratore di Morgan, Alfred Sturtevant. Nel 1911 Sturtevant intuì che la frequenza con cui due caratteri venivano separati dalla ricombinazione poteva essere utilizzata per stimare la distanza relativa tra i rispettivi geni. Costruì così la prima mappa genetica.

È difficile non cogliere la forza epistemologica di questo passaggio. I ricercatori non potevano osservare direttamente un gene attraverso il microscopio. Non conoscevano ancora la struttura molecolare del DNA. Eppure riuscivano a stabilire l’ordine relativo dei geni su un cromosoma analizzando statisticamente ciò che accadeva nelle generazioni successive.

Era possibile, in altre parole, mappare qualcosa che non si poteva ancora vedere direttamente. La scienza trasformava gli effetti osservabili in informazioni sulla struttura invisibile che li produceva.

Vedere attraverso gli effetti

La vicenda di Morgan offre così un esempio particolarmente chiaro di un principio fondamentale della conoscenza scientifica: il reale non coincide necessariamente con ciò che possiamo osservare direttamente. Molte entità della scienza sono state inferite prima di poter essere osservate o caratterizzate con strumenti più potenti.

Atomi, particelle subatomiche, geni, campi e numerosi oggetti astronomici sono diventati conoscibili attraverso gli effetti che producono, attraverso previsioni verificabili e attraverso la convergenza di evidenze differenti. Questo non significa naturalmente che qualsiasi entità invisibile possa essere considerata scientificamente reale. La differenza sta nella prova.

Un’ipotesi scientifica deve produrre conseguenze che possano essere confrontate con l’esperienza. Deve permettere di spiegare osservazioni e, quando possibile, prevederne di nuove. Nel caso della genetica di Morgan, l’ipotesi cromosomica produceva previsioni precise sulla trasmissione dei caratteri e gli esperimenti continuavano a confermarle.

Prima del DNA

Oggi parlare di geni e cromosomi sembra quasi naturale. Sappiamo che i cromosomi sono costituiti da DNA associato a proteine e che il DNA contiene l’informazione genetica. Possiamo sequenziare genomi, confrontare miliardi di basi e intervenire direttamente su specifiche sequenze attraverso tecniche di ingegneria genetica.

Morgan lavorava in un mondo completamente diverso. La struttura a doppia elica del DNA sarebbe stata descritta soltanto nel 1953, anni dopo la sua morte. E la dimostrazione che il DNA costituisse il materiale genetico avrebbe richiesto ulteriori passaggi sperimentali.

Morgan e i suoi collaboratori non conoscevano quindi il linguaggio molecolare dell’ereditarietà. Avevano però scoperto qualcosa di fondamentale sulla sua organizzazione: i geni erano associati ai cromosomi e disposti secondo un ordine lineare. La biologia aveva cominciato a collegare informazione e materia.

Il Nobel e la nascita della genetica moderna

Nel 1933, Morgan ricevette il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina per le sue scoperte sul ruolo svolto dai cromosomi nell’ereditarietà. Il riconoscimento premiava anche indirettamente una straordinaria stagione collettiva di ricerca.

Nella Fly Room lavorarono scienziati come Sturtevant, Calvin Bridges e Hermann Muller. Il laboratorio di Morgan diventò una vera scuola della genetica moderna. Le ricerche sulla Drosophila mostrarono la potenza degli organismi modello: studiando un essere vivente relativamente semplice è possibile individuare principi biologici che hanno una validità molto più ampia.

Ancora oggi la piccola mosca della frutta continua a essere utilizzata nei laboratori di tutto il mondo per studiare sviluppo, genetica, neuroscienze, invecchiamento e malattie.

Il gene non era la fine della storia

La genetica successiva avrebbe anche mostrato che il quadro è molto più complesso di quello disponibile ai tempi di Morgan. Un gene non determina necessariamente da solo un carattere in maniera semplice e lineare. Molti tratti dipendono dall’interazione di numerosi geni, dalla regolazione della loro espressione, dall’ambiente, dallo sviluppo e da complessi meccanismi cellulari.

Anche l’immagine di geni rigidamente immobili sui cromosomi sarebbe stata modificata. Barbara McClintock avrebbe mostrato l’esistenza di elementi genetici capaci di spostarsi nel genoma. La conoscenza scientifica non cancellava Morgan: lo superava incorporandone le scoperte in un quadro più ampio. È un’altra caratteristica essenziale della scienza: una teoria può essere straordinariamente feconda senza rappresentare l’ultima parola sulla realtà.

Informazione e materia

A distanza di oltre un secolo, il lavoro di Morgan pone infine una questione che continua ad attraversare la biologia contemporanea: che cosa significa dire che un organismo contiene informazione?

Il DNA è una molecola fisica. I cromosomi possiedono una struttura materiale. Eppure l’ordine delle sequenze genetiche contribuisce a determinare processi biologici che si sviluppano nel tempo. Materia e informazione non appaiono quindi come due mondi completamente separati.

L’informazione biologica esiste attraverso configurazioni materiali e produce effetti soltanto all’interno di sistemi cellulari capaci di leggerla, regolarla e utilizzarla. Questo impedisce anche di ridurre troppo facilmente la vita a un semplice programma informatico.

Un organismo non è soltanto il proprio DNA. Il genoma opera dentro cellule, tessuti, organismi e ambienti attraverso reti di interazioni estremamente complesse. Ma l’intuizione nata dalle ricerche di Morgan rimane fondamentale: l’ereditarietà possiede un’organizzazione fisica che può essere studiata, misurata e progressivamente decifrata.

Quando l’invisibile diventa conoscibile

Thomas Hunt Morgan morì nel 1945, prima della rivoluzione della biologia molecolare e prima che l’umanità potesse leggere direttamente la sequenza del DNA. Eppure la strada che avrebbe condotto fino alla genomica contemporanea passa anche attraverso quella piccola stanza piena di moscerini alla Columbia University.

Mendel aveva scoperto regolarità matematiche nell’ereditarietà. Sutton e Boveri avevano indicato nei cromosomi un possibile supporto materiale. Morgan e il suo gruppo costruirono il ponte sperimentale tra questi due mondi. Da allora quel ponte è diventato sempre più preciso: dai cromosomi al DNA, dal DNA alla doppia elica, dai singoli geni ai genomi completi.

A 160 anni dalla nascita di Morgan, la sua storia ricorda così qualcosa che riguarda l’intera impresa scientifica: non dobbiamo necessariamente vedere direttamente una realtà per cominciare a conoscerla, ma dobbiamo costruire prove abbastanza solide da distinguere ciò che esiste da ciò che semplicemente immaginiamo. È in questo passaggio, dall’ipotesi alla prova, che l’invisibile può diventare conoscenza.