L’Esperimento di Richard Lenski: Fallito

L’esperimento

Dal 1988 Richard Lenski ha coltivato dodici popolazioni di un unico ceppo di Escherichia coli (i colibatteri che vivono nell’intestino umano) che sono state propagate in un ambiente semplice. Due obiettivi di questo esperimento a lungo termine erano quelli di indagare le dinamiche del cambiamento evolutivo ed esaminare la riproducibilità dei risultati; questo osservandoli generazione dopo generazione per 20 anni e documentando i cambiamenti avvenuti. Lenski ci spiega il suo lavoro:

Le dinamiche di evoluzione fenotipica e genomica durante un esperimento di 50.000 generazione con E. coli.
“Abbiamo quantificato il grado di adattamento per selezione naturale, documentato la crescente specializzazione ecologica nel corso del tempo, osservato l’aumento di fenotipi mutatori, e anche visto l’origine di una nuova funzione che trascende l’usuale definizione di E. coli come specie. Abbiamo perseguito diversi approcci genetici per scoprire le mutazioni responsabili di questi cambiamenti, tra cui alcuni che incidono le reti di regolazione globali. Abbiamo inoltre recentemente sequenziato genomi completi per trovare tutte le mutazioni presenti in serie temporali di cloni campionati da alcune popolazioni e campioni di popolazione eterogenee per scoprire polimorfismi. Questi dati genomici forniscono nuove intuizioni nell’accoppiamento dinamico di evoluzione fenotipica e genomica, e nel ruolo delle mutazioni complesse nell’origine di nuove funzioni.”

University of Michigan, ecology and evolutionary biology

In 20 anni di tempo Lenski ha potuto osservare in laboratorio 50.000 generazioni di batteri, che equivalgono a circa un milione di anni per la popolazione umana. Le aspettative che gli evoluzionisti nutrivano per questo lungo esperimento erano alte perché, per ovvi limiti di tempo, l’evoluzione non può essere osservata direttamente. Bisogna sottolineare il fatto che per l’uomo, le possibilità evolutive nel corso di 50.000 generazioni sono minime rispetto ai batteri; essendo la riproduzione umana di tipo sessuale, ci sono il 50% di probabilità di perdere le eventuali variazioni (mutazioni) presenti nei genitori; la grandezza della popolazione umana è poi incommensurabilmente inferiore a quella della popolazione batterica e quindi si possono verificare meno mutazioni; infine il genoma umano, essendo molto più grande, verrebbe irrimediabilmente danneggiato da una frequenza di mutazioni alta come quella che avviene nei batteri.

Ogni 500 generazioni un campione di batteri veniva congelato e conservato come un “fossile” da esaminare successivamente, per descrivere a livello molecolare la sequenza e la cronologia delle eventuali mutazioni.

Come calcolato dallo stesso Lenski, durante i 20 anni si sono verificate più volte tutte le mutazioni possibili e, stando così le cose, l’esperimento può considerarsi concluso. Questa ripetitività delle mutazioni, però, più che esprimere le potenzialità della variabilità evolutiva è indicativa dei suoi limiti.

I risultati

I batteri sono stati coltivati in un terreno che conteneva un po’ di glucosio e molto citrato, perciò una volta esaurito il glucosio, i batteri avrebbero continuato a crescere solo utilizzando il citrato. Siccome i colibatteri in condizioni aerobiche (presenza di ossigeno) non sono in grado di utilizzare il citrato, avrebbero potuto continuare la crescita solo sviluppando tale capacità.

Dopo una serie di cambiamenti adattativi di scarso interesse evolutivo (ad esempio aumento delle dimensioni dei batteri), oppure degenerativi (mutazioni che hanno danneggiato gli apparati di riparazione del DNA, riducendo così la capacità dei batteri di neutralizzare le mutazioni che avvengono), dopo 31.500 generazioni è finalmente comparsa una nuova caratteristica: una parte dei batteri aveva acquisito la capacità di utilizzare il citrato, capacità che l’autore chiama “novità chiave”.

Lenski si è poi chiesto se tale acquisizione fosse dovuta ad una mutazione complessa e rara, oppure ad una sequenza di mutazioni delle quali la prima ha “preparato” la strada alle successive, fino ad arrivare all’effetto cumulativo della comparsa di una nuova caratteristica. Analizzando i campioni congelati, l’autore si è accorto che è dopo 21.000 generazioni che i colibatteri di una delle 12 provette hanno subìto qualche mutazione ed è da quella provetta che discende il ceppo che 10.000 generazioni più tardi svilupperà la capacità di nutrirsi di citrato; questo è stato confermato sperimentalmente, ripetendo il percorso evolutivo col ricoltivare i batteri congelati dopo la 21.000sima generazione. Quindi non si tratterebbe di una rara e complessa mutazione, ma di una sequenza di piccole mutazioni, con il risultato finale di acquisizione di una nuova caratteristica. Questo è precisamente il meccanismo darwiniano di accumulo di piccole variazioni con comparsa di nuove caratteristiche… ma si tratta solo di un’ipotesi. Per provare la sequenza delle mutazioni Lenski avrebbe dovuto sequenziare il DNA nelle diverse generazioni di batteri e descrivere esattamente le mutazioni ed il rapporto tra esse, cosa che l’autore non ha fatto e che intende fare in futuro.

Poiché l’inabilità dei colibatteri di nutrirsi di citrato è utilizzata in laboratorio come caratteristica distintiva per la loro identificazione, Lenski conclude che la scomparsa di tale caratteristica si può considerare come trasformazione di una specie in un’altra. Insomma, sarebbe in questo modo provato che piccole mutazioni nel corso della riproduzione possono avere un effetto cumulativo, con la comparsa di nuove caratteristiche e trasformazione di una specie in un’altra.

Quello che Lenski non ha detto

Ogni volta che in un dibattito si chiede di indicare un caso di evoluzione avvenuta in laboratorio viene citato l’esperimento Stanley Miller e quello di Lenski. Ma come per l’esperimento Miller anche in quello di Lenski non abbiamo evoluzione e vediamo più in dettaglio il perchè:

L’ E. coli è in realtà già in grado di utilizzare il citrato, ma solo in assenza di ossigeno (condizioni anaerobiche) con una serie completa di geni coinvolti nella sua fermentazione (Questo include un gene trasportatore citrato che codifica per una proteina di trasporto incorporata nella parete cellulare che porta citrato nella cellula. Questa serie di geni (operon) sono normalmente attivati solo in condizioni anaerobiche.),¹ mentre se nell’ambiente è presente ossigeno (condizioni aerobiche) questa capacità viene inibita. L’evoluzione consisterebbe dunque secondo Lenski in questa “nuova” capacità manifestata di utilizzare sempre il citrato, anche in presenza di ossigeno.

Allora cosa è successo? Uno scenario probabile è che le mutazioni hanno bloccato la regolazione di tale operon così che i batteri producono citrato trasportatore indipendentemente dallo stato ossidativo dell’ambiente del batterio (cioè, è sempre acceso -attivato). Questo può essere paragonato ad avere una luce che si accende quando il sole va giù – un sensore rileva la mancanza di luce e accende la luce. Un guasto del sensore potrebbe comportare che la luce rimanga sempre accesa. Questo è il tipo di cambiamento di cui stiamo parlando.

Un’altra possibilità è che un gene trasportatore esistente, come quello che normalmente impiega tartrato, che normalmente non trasporta citrato, sia mutato in modo tale che ha perso specificità e potrebbe quindi trasportare citrato nella cellula. Tale perdita di specificità è anche un risultato previsto delle mutazioni casuali. Una perdita di specificità equivale ad una perdita di informazioni, ma l’evoluzione dovrebbe spiegare la creazione di nuove informazioni; informazioni che specificano gli enzimi ed i cofattori in nuove vie biochimiche, come generare piume e ossa, nervi, o i componenti e l’assemblaggio di motori complessi come ATP synthase, per esempio.

L’esistenza di mutanti di colibatteri che si nutrono di citrato non è una novità appunto, ma è nota già dal 1982 (Hall BG. Chromosomal mutation for citrate utilization by Escherichia coli K-12. J Bacteriol 1982;151:1019-1024). La novità è semmai nelle conclusioni: la prima afferma che si tratta di una sequenza di mutazioni, ma essa rimane ipotetica fino a quando l’autore non la dimostri con il sequenziamento del DNA; la seconda conclusione afferma che i colibatteri utilizzanti citrato sono una specie diversa, ma è soltanto un gioco di parole, perché sarebbe come se gli europei fossero considerati di una specie diversa rispetto agli africani solo perché i primi tollerano il latte di mucca e gli altri no.

Che dire poi della conclusione che l’abilità di nutrirsi di citrato sia una “novità chiave”? Tutti i colibatteri sono in grado di nutrirsi di citrato, ma solo in condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno. Quindi le macchine molecolari che utilizzano il citrato sono già presenti nei batteri e, in condizioni anaerobiche, funziona anche una pompa molecolare che consente al batterio di trasportare il citrato dall’ambiente all’interno della cellula, funzione che è soppressa (o inespressa) quando è inutile, cioè in condizioni aerobiche. Perciò basterebbe un guasto nell’interruttore della pompa per lasciarla sempre attiva, cosa che è antieconomica e dannosa per la sopravvivenza del batterio in condizioni normali (in natura). Quindi la “novità chiave”, verosimilmente, è un guasto in un meccanismo già esistente, non la creazione di una nuova e complessa macchina molecolare. Cambiamenti di questo tipo si conoscono da tempo e in dettaglio, ma non portano certo ad un’evoluzione direzionale tale da trasformare un batterio addirittura in un batteriologo.

Per arrivare a delle conclusioni corrette bisogna verificare quale sia il ruolo del citrato nel metabolismo dell’E. coli. Il citrato è una molecola necessaria per la produzione di energia in presenza di ossigeno (ciclo di Krebs o Ciclo dell’acido citrico, acido tricarboxcylic (TCA))², ma è anche una molecola necessaria per la sintesi di altre sostanze necessarie alla cellula.

Il metabolismo energetico parte dalla demolizione del glucosio (uno zucchero), in una reazione che avviene secondo il seguente schema:

Come si vede l’ultimo prodotto della glicolisi è il Piruvato.

A questo punto vi sono due possibilità:

1 – Non si è in presenza di ossigeno, e allora il processo si conclude come una fermentazione

2 – Si è in presenza di ossigeno, e allora si prosegue verso il ciclo di Krebs

Quello che avviene nell’ E. coli in assenza di ossigeno è rappresentato nello schema seguente fornito dall’Università di Milano:

Come si vede, nel caso dell’ E. coli, l’acido piruvico (o piruvato) viene infine trasformato in Acetato, Etanolo e altre sostanze, i passaggi interessati sono evidenziati con una cerchiatura in rosso.

I prodotti della fermentazione possono essere diversi:

I prodotti della fermentazione acido-mista e le rispettive quantità dipendono dalle condizioni ambientali e dal tipo di microrganismo. Nel caso di Escherichia coli, ad esempio, per 100 moli di glucosio si ottengono le seguenti quantità di prodotto:[1] 42 moli di etanolo, 29 di succinato, 84 di lattato, 44 di acetato, 2 di formiato, 42 di idrogeno, e 44 di CO2.
Wikipedia

Ma come si vede, tra i prodotti della fermentazione non compare il citrato.

In condizioni anaerobiche quindi il batterio non è in grado di produrre il citrato che è necessario per il suo metabolismo. Non sorprende che quindi in tali condizioni esista un meccanismo che consente all’ E. coli di trasportare all’interno eventuali molecole di citrato presenti nell’ambiente.

Vediamo invece cosa accade se nell’ambiente è disponibile ossigeno. In tal caso il piruvato viene avviato al ciclo di Krebs:

Come si vede dalla figura, in presenza di ossigeno il Piruvato viene avviato al ciclo di Krebs che proprio all’inizio porta alla formazione del citrato. (Anche in questo caso i passaggi che interssano sono stati cerchiati in rosso).

Come vediamo in condizioni aerobiche, cioè ricordiamo in presenza di ossigeno, il citrato viene sintetizzato nella cellula e il suo pompaggio dall’esterno sarebbe inutile e dispendioso.
Ecco allora che alla luce di queste considerazioni appare plausibile l’ipotesi che l’incapacità di pompare citrato all’interno di E. coli, in condizioni aerobiche, sia da considerarsi un meccanismo di ottimizzazione metabolica. Un meccanismo che evita inutili sprechi energetici e inutili accumulazioni di citrato nella cellula.

Stando in questo modo le cose sarebbe dunque corretto affermare che la capacità di utilizzare citrato in condizioni aerobiche, apparsa nell’esperimento di Lenski, sia da considerarsi una rottura del meccanismo di spegnimento della pompa che lo trasporta all’interno del batterio.

Ma vediamo cosa viene affermato nelle considerazioni finali dallo stesso Lenski nell’articolo inaugurale apparso su PNAS nel giugno 2010 con il titolo Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli.

“Che meccanismo fisiologico si è evoluto, che permette la crescita aerobica su citrato? E. coli dovrebbe essere in grado di utilizzare il citrato come fonte di energia dopo che entra nella cellula, ma manca un trasportatore citrato che funziona in un ambiente ricco di ossigeno. Una possibilità è che la linea Cit + abbia attivato un trasportatore “criptico”, che era una volta un gene funzionale e che è stato silenziato per accumulo di mutazioni. Questa spiegazione sembra improbabile per noi perché il Cit-fenotipo è caratteristico di tutte le specie, che è molto varia e quindi molto vecchia. Ci si aspetterebbe che un gene criptico sia degradato per il recupero dopo milioni di anni di inutilizzo. Una possibilità più probabile, a nostro avviso, è che un trasportatore esistente sia stato cooptato per il trasporto citrato in condizioni aerobiche. Questo trasportatore potrebbe avere precedentemente trasportato il citrato in condizioni anossiche o, in alternativa, potrebbe aver rasportato un altro substrato in presenza di ossigeno. I cambiamenti evoluti potrebbe coinvolgere la regolazione dei geni, la struttura della proteina, o entrambi”

Come si vede è dunque lo stesso Lenski ad ipotizzare come “più probabile” la possibilità che la capacità di utilizzare il citrato in presenza di ossigeno sia dovuta all’utilizzo di un meccanismo preesistente e che era inizialmente inattivato in tali condizioni. Appare quindi corretto parlare di “rottura” di un meccanismo di blocco. La mutazione avrebbe dunque danneggiato la cellula di E. coli privandola di un’utile funzione metabolica.

Ma che di danno si tratti viene confermato anche da un’altra conseguenza della mutazione:

“Quali saranno i destini a lungo termine delle coesistenti sottopopolazionidi Cit- e Cit +? Abbiamo dimostrato che convivono stabilmente a causa della inferiorità delle cellule Cit+ nella competizione per il glucosio. Tuttavia, la linea Cit + potrebbe eventualmente acquisire mutazioni che compensano per le sue prestazioni inferiori, relative al glucosio, minando la convivenza.”

Le cellule mutate sono dunque svantaggiate nella competizione per il glucosio e devono sperare nell’insorgere di altre mutazioni per compensare questo svantaggio.

E, infine, ancora dalle parole dello stesso Lenski, la negazione che l’esperimento abbia portato alla nascita di una nuova specie:

“Le linee Cit+ e Cit- diventeranno eventualmente specie distinte?”

Possiamo dunque giungere alle seguenti conclusioni:

1 – L’esperimento di Lenski non ha prodotto un nuovo carattere (un’evoluzione) ma semplicemente un “guasto” in un meccanismo di blocco della cellula di E. coli.

2 – L’esperimento di Lenski non ha prodotto una nuova specie.

In altre parole, le conclusioni di Lenski sono l’ennesima testimonianza della incapacità degli evoluzionisti a distinguere tra l’alterazione del funzionamento di una struttura cellulare complessa già esistente per danno da mutazione (evento degenerativo e inutile per l’evoluzione) e la comparsa di una struttura cellulare complessa nuova in un organismo che prima ne era sprovvisto (evento indispensabile per potere immaginare un’evoluzione direzionale con trasformazione di un organismo in un altro, con la comparsa di forme nuove e più complesse di vita).

Considerando poi che nel periodo di osservazione si sono verificate più volte tutte le mutazioni possibili, il risultato dell’esperimento – più che una prova di evoluzione – è semmai la fine dei tentativi di provare sperimentalmente l’evoluzione.

Fonte

Lo stesso Lensky afferma:

Zachary Blount (coautore di un articolo sull’esperimento pubblicato su Nature ndr) sta attualmente studiando se il miglioramento di questa nuova funzione stia portando a cambiamenti che potrebbero qualificare gli utilizzatori di citrato come nuove o incipienti specie.

 

Per Lenski dunque la mutazione nel gene del citrato in E. coli non è da considerare come un evento di speciazione, siamo quindi davanti ad un caso di microevoluzione. Per lui infatti solo un miglioramento della nuova funzione potrebbe portare ad una nuova specie o ad una nuova specie incipiente.

Fonte

Quindi tutti coloro che portano come prova dell’evoluzione questo esperimento sono degli illusi che ingannano sè stessi.

La teoria dell’evoluzione è una favola che a molti piace credere perchè cosi non devono rendere conto al Giudice Creatore di tutte le cose. Infatti credendo nell’evoluzione possono darsi al peccato come vogliono e in un certo senso ‘far tacere’ la coscienza. Ma volendo o no, un giorno tutti quanti renderanno conto all’Eterno. 

Voi che ancora cretede in questa favola: RAVVEDETEVI, convertitevi dalle vostre vie malvagie, pentitevi dai vostri peccati, confessateli a DIO, e credete nell’evangelo di Gesù Cristo, e cioè che Egli è morto per i nostri peccati e che al terzo giorno Egli è risorto per la nostra giustificazione. Se non crederete, voi sarete condannati e andrete prima all’inferno e poi nel lago ardente di fuoco e di zolfo.

NOTE

1 – Pos, K.M., Dimroth, P. and Bott, M., The Escherichia coli Citrate Carrier CitT: a Member of a Novel Eubacterial Transporter Family Related to the 2-Oxoglutarate/Malate Translocator from Spinach Chloroplasts, J. Bacteriol. 180(16):4160–4165, 1998;
2 – L’esistenza del ciclo TCA in tutti gli esseri viventi liberi è un altro grande ostacolo per gli evoluzionisti da spiegare: un ciclo complesso che coinvolge una decina di diversi enzimi e cofattori che sono necessari per una parte enorme della biochimica della cellula.
3 – Holmes, Bob, Bacteria make major evolutionary shift in the lab, NewScientist.com news service, 09 June 2008.
Alcuni riferimenti del post sono ripresi dall’articolo di Enzo Pennetta in: Cooperator-Veritatis