Due gruppi di ricerca hanno fatto crescere embrioni umani fuori da un corpo femminile, su un terreno di coltura, per 13 giorni. Ha fatto scalpore, questa notizia, suscitando anche interrogativi di tipo etico sulle prospettive aperte dagli esperimenti, perché 14 giorni, due settimane esatte, sono considerate in diversi Paesi il limite invalicabile oltre cui è ammessa la sperimentazione su embrioni umani.
Barriera invalicabile. Finora questo limite temporale era considerato insuperabile innanzi tutto da un punto di vista tecnico. Al massimo, gli embrioni fuori dall’utero erano stati coltivati per nove giorni, più spesso per una sola settimana.
Quattro anni fa, un gruppo di ricercatori dell’università di Cambridge guidato dalla biologa Magdalena Zernicka-Goetz, era per primo riuscito a far crescere embrioni di topo oltre lo stadio in cui avviene l’impianto. Da allora, perfezionando i metodi, è riuscito a fare lo stesso con embrioni umani, e riporta i risultati su Nature Cell Biology. Nello studio pubblicato su Nature, un gruppo di ricercatori della Rockefeller University (con primo autore una giovane biologa italiana, Alessia Degli Incerti) ha annunciato di avere ottenuto un risultato analogo.
L'incontro e l'unione di due cellule altamente specializzate (i gameti), l'una derivante dall'uomo (lo spermatozoo) e l'altra dalla donna (la cellula uovo), dà origine alla vita, vale a dire allo zigote (uovo fecondato). Gli spermatozoi, emessi con il liquido seminale, sono in quantità variabile da 40 a 120 milioni per cc. Immessi in vagina con l'eiaculazione, viaggiano con movimenti propri, alla velocità di 2/3 millimetri al minuto e devono percorrere una distanza di circa 100/ 150 mm.
Foto: © Shutterstock
Cominciato con due cellule che si uniscono, questo sorprendente viaggio è una sorta di fabbrica di cellule. Da questa cellula se ne originano due, poi quattro e così via. Fino a 8, sono uguali e indifferenziate (si dicono totipotenti, perché ognuna può originare qualsiasi altra cellula dell'organismo). Si pensi che in 9 mesi questo ammasso, fatto inizialmente di poche cellule, aumenterà di 200 miliardi di volte. Quattro giorni dopo la fertilizzazione siamo solo a 16 cellule (blastomeri) che ancora non sono impiantate nell'utero (nella foto). Si tratta di uno stato di suddivisione chiamato morula per la forma a mora di gelso. Al 14° giorno si prepara l'impianto di quella che ora è chiamata blastula e che è composta da 100-150 cellule.
A sei settimane l'embrione fluttua nel liquido amniotico che lo protegge. È attaccato alla placenta attraverso il cordone ombelicale: da qui riceve i nutrienti e l'ossigeno necessario per il suo sviluppo, ma sono anche eliminati anidride carbonica e rifiuti del metabolismo. La placenta consente il passaggio delle molecole piccole ma non fa passare quelli più grandi come le ematiche, creando un'essenziale difesa. Nel caso per esempio che il bambino abbia una composizione sanguigna incompatibile con quella della madre, potrebbe scattare una risposta immunitaria per espellere il "corpo estraneo". A questo stadio l'embrione misura tra i 13 e i 22 millimetri di lunghezza. Le dita dei piedi e delle mani iniziano a configurarsi e a separarsi.
Nell'ottava settimana di gestazione si sviluppano corpo e arti: anche gli occhi sono già ben distinguibili. Questa data fa da spartiacque tra la fase embrionale e quella fetale: il feto a questo punto è in grado di reagire alla stimolazione intorno alla bocca contraendo i muscoli del collo e volgendo lentamente il capo. Ciò significa che i muscoli contengono fibre nervose: il sistema neurologico ha cominciato a funzionare. In questa fase la differenziazione delle cellule nei vari organi (organogenesi) è molto più importante della crescita in centimetri: a fluttuare nella pancia della mamma è un esserino di 23 millimetri di lunghezza e 1 grammo di peso.
Aggrappato al cordone ombelicale, il feto cresce (6 centimetri di lunghezza per una ventina di grammi, tra la dodicesima e la quindicesima settimana) e comincia a muovere braccia e gambe nella placenta che è già completamente sviluppata. Gli occhi sono formati, ma le palpebre rimangono serrate. All'interno del grembo materno il feto è circondato dal buio totale, anche se è probabilmente in grado di percepire variazioni di luminosità esterna. Alcuni esperimenti hanno rivelato infatti che indirizzando un fascio di luce intensa sull'addome della mamma, il feto si agita e le sue pulsazioni accelerano di 15 pulsazioni al minuto.
Tra la fine del primo trimestre e l'inizio del secondo il feto non sa sopravvivere autonomamente, ma possiede già sistemi e funzioni avanzate.
I dentini si formano all'interno delle gengive, crescono le unghie, costole e vertebre iniziano il processo di ossificazione che consente alle cartilagini di diventare ossa. Nell'immagine le ossa più dure sono quelle più gialle e definite, che sembrano scollegate le une alle altre. In realtà il collegamento c'è, ma è ancora cartilagineo e non visibile. A questo punto dello sviluppo il feto pesa 200 grammi.
Un feto alla diciannovesima settimana di gestazione è coperto da una diffusa lanugine, destinata a scomparire prima del parto: resterà solo quella del cranio. In realtà, alla nascita alcuni bambini sono molto più capelloni di altri. Ciò è dovuto al fatto che durante il sesto mese di gestazione si sviluppano i follicoli piliferi, da cui nascononel corso del settimo nasceranno i capelli. Il ciclo vitale di questa prima chioma finisce in contemporanea e i capelli cadono tutti insieme: se questo avviene mentre è ancora nel grembo materno, il bambino si presenta pelato alla nascita, altrimenti la sua capigliatura sarà relativamente folta. Queste differenze sono comunque dettate da predisposizioni genetiche.
Il viso nel feto si forma molto presto, già a 25 giorni dalla fecondazione, quando dall'embrione, che è poco più di un fagiolo, spuntano tre escrescenze, gli "archi branchiali". Se nei pesci si trasformano in branchie, nei mammiferi, i tre abbozzi si fondono fino a formare fronte, faccia e gola. Solo dopo altre 6-7 settimane la faccia acquista l'aspetto umano: prima dell'ultimo trimestre di gravidanza assume infine i lineamenti caratteristici dell'individuo. Questo feto, alla ventesima settimana, è lungo circa 19 centimetri e pesa 500 grammi: siamo circa a metà del viaggio...
A partire dal sesto mese (qui l'orecchio di un feto alla ventesima settimana), si registrano reazioni da parte del nascituro agli stimoli sonori che lo circondano: il flusso regolare del sangue materno, il ritmo costante del battito cardiaco e la voce della mamma lo cullano durante tutto il tempo della gestazione. Ma non solo. Se dall'esterno provengono rumori troppo forti, il piccolo reagisce con un'accelerazione del battito del cuore e movimenti di gambe e braccia. Il feto è inoltre sensibile alla musica: niente lo tranquillizza più del canto della madre e dell'ascolto di un brano di musica classica, come quella di Mozart e Vivaldi.
Già al quarto mese il sesso del nascituro è evidente: i genitali esterni infatti sono ben riconoscibili all'esame ecografico. Questo feto giunto alla ventiduesima settimana raggiunge i 650 grammi di peso e i 21 centimetri di lunghezza dalla testa al coccige. A questo stadio della gestazione i movimenti del feto sono facilmente percepibili dalla madre. Inoltre il piccolo affina la tecnica che lo porterà alla nascita a succhiare il latte materno: scopre il pollice inizia a succhiarlo. Più tardi, quasi al termine della gravidanza, il feto muove la bocca regolarmente ogni 10-20 secondi, anche nella fasi di sonno profondo: l'allenamento continua...
L'ecografia è una tecnica diagnostica basata sugli ultrasuoni usata per visualizzare l'interno del corpo umano e, nel caso della gravidanza, l'interno dell'utero. Quella bidimensionale consente di vedere l'interno come se fosse una sezione. La nuova ecografia dà invece una visione tridimensionale di quel che accade all'interno della pancia della mamma. Ecco invece un feto, giunto alla ventisettesima settimana e già posizionato per il parto, visto attraverso la risonanza magnetica: dopo la ventottesima, il bambino è in grado di sopportare un parto prematuro.
Nella prossima pagina, le meraviglie dell'ecografia 4D e la vita del nascituro in tempo reale...
Una visione straordinaria nel grembo materno la consente l'ecografia 4D che visualizza l'immagine tridimensionale in movimento e in tempo reale: si vede così il feto che muove le manine, si succhia il dito o gioca con il cordone ombelicale. La visione migliore è possibile dopo la venticinquesima settimana, quando il feto è di medie dimensioni.
Ai raggi X, le sagome dei due gemellini alla trentesima settimana sono evidenti (il loro scheletro è colorato in blu, mentre quello della madre è in rosso e giallo). I parti gemellari sono circa l'1 per cento e i gemelli si distinguono in "identici" (o monozigotici) e "non identici" (o dizigotici).
I primi derivano da un uovo fecondato da uno spermatozoo, mentre nel secondo caso a essere fecondate da due spermatozoi sono due uova diverse. Se i dizigotici, da un punto di vista genetico, si assomigliano non più di due fratelli, i monozigotici rappresentano due copie identiche dello stesso patrimonio genetico.
Qui sotto un video che raccoglie alcune di queste immagini.
Uno sguardo sui primi istanti. Entrambi i gruppi hanno fatto crescere gli embrioni, donati dalle cliniche per la fecondazione assistita - su un substrato di plastica trasparente, che ha permesso di fotografare le varie fasi di questi primi stadi del processo di sviluppo, ricerche che potrebbero portare a una migliore comprensione degli eventi di aborto precoce, aiutare le tecniche di fecondazione assistita o l’utilizzo di cellule staminali nella cura di malattie.
Quasi col pilota automatico. Si è visto che, come gli embrioni fanno normalmente nell’utero, anche dopo l’impianto sul substrato artificiale le cellule si sono riorganizzate dando vita alle strutture che poi formano la placenta e il sacco vitellino, e altri tipi di cellule, con la giusta organizzazione tridimensionale. Queste prime fasi del processo, insomma, avvengono in automatico, senza interazione col corpo della madre, al contrario di quanto si pensava.
Al quattordicesimo giorno, come richiesto dalle leggi inglesi e da quelle vigenti in diversi altri Paesi (in Italia è vietata la sperimentazione sugli embrioni) i ricercatori hanno interrotto l’esperimento. In tempo comunque per osservare che già a questi primi stadi lo sviluppo degli embrioni umani è diverso in alcuni dettagli non secondari da quello dei topi, ossia dal modello più studiato.
La matematica può davvero insegnarci qualcosa della natura? O si è semplicemente adattata alle forme naturali che pretendeva di descrivere? Le forme della natura spesso fanno intravedere le corrispondenti regolarità della fisica e della matematica. Quali sono le loro leggi e i loro seguiti dunque?
Per frattali i matematici intendono tutte quelle forme geometriche con dettagli così intricati che anche con successivi ingrandimenti rimangono tali. L'esempio più eclatante? Quello del fiocco di neve.
Dal grande al piccolo, la sfera è una delle forme preferite in natura. Pianeti, lune e stelle sono in modo più o meno approssimativo delle sfere. Mettendo le cose sotto la lente d'ingrandimento però si scoprono forme anche più affascinanti.
La sfera nella foto, simile - anche in questo caso - ad una pallina da tennis, solcata da tre linee proporzionali, è un granello di polline di un fiore della passione (Passiflora). Quando uno di questi granelli, che contiene i gameti maschili, si appoggia sullo stigma di una altro fiore, ha inizio la germinazione.
Anche la vita inizia da una sfera. L'ovulo verso cui si protende lo spermatozoo è rotondo, così come sono rotonde le prime cellule che si agglomerano per dar vita "alla vita". Le primissime fasi dello sviluppo dell'embrione umano, colte da questa micrografia elettronica, compongono la cosiddetta morula: qui sono 8 le cellule, chiamate blastomeri, la cui successiva divisione permetterà la formazione delle milioni di cellule di cui è composto il feto. A questo stadio, la morula non è ancora impiantata nell'utero.
Un matematico che, invece di calcolatrice e goniometro, usa… bolle di sapone? Ebbene sì: la matematica delle bolle esiste ed è nata ufficialmente attorno al 1830 quando il fisico belga Joseph Plateau cominciò a immergere varie strutture di filo metallico in acqua e sapone. I risultati? Sorprendenti. Si pensi che se si soffia con una cannuccia in una soluzione d'acqua, gli angoli che le lamine formano sono solo di due tipi: o di 120° o di 109° 28'. Tutta la seducente geometria della schiuma sta in un'unica bolla, qui a fianco in una foto scattata con il metodo Schlieren.
Che succede quando un sassolino rompe lo specchio di un laghetto o quando le prime gocce di pioggia cadono in una pozzanghera? Si creano onde concentriche che si diramano progressivamente verso l'esterno. La simmetria che si crea in questo caso è circolare: è determinata dal fatto che le increspature generate dal sassolino o dalla goccia si propagano allo stesso ritmo in tutte le direzioni.
Foto: © Antonio Martella
La superficie della Terra è irregolare e le condizioni meteorologiche sono influenzate proprio dalla conformazione del terreno. Le montagne creano nell'atmosfera delle onde e le nubi si formano in corrispondenza dei picchi delle onde, dove l'umidità si condensa a contatto con l'aria fredda.
I treni di onde che si formano con impressionante regolarità sono visibili dai satelliti puntati sulla Terra, come Aqua della Nasa, responsabile di quest'immagine delle South Sandwich Islands. Nel Pacifico meridionale, questa catena di undici isole vulcaniche, che si estende per 400 chilometri, emerge prepotente dall'oceano: la loro altezza varia da un minimo di 551 metri ad un massimo di 1.100 e disegna in questo modo le nuvole sovrastanti.
Possibile che anche lo sviluppo delle piante segua schemi matematici precisi? Certo è che molte di esse mostrano regolarità celate nei posti più inaspettati. Pensiamo per esempio ai numeri speciali (i cosiddetti numeri di Fibonacci) che ricorrono in molte strutture naturali come i fiori di giglio che hanno 3 petali o margherite e girasoli che possono averne 34, 55 o 89. I numeri di Fibonacci sono gli elementi di una sequenza numerica in cui ogni numero a partire dal terzo è la somma dei due precedenti (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34). Furono scoperti da Leonardo Pisano, detto Fibonacci, agli inizi del '200, osservando il mondo in cui si riproduceva una colonia di conigli. Difficilmente in natura troverete fiori con un numero di petali diverso da un numero di Fibonacci.
Foto: © Yll
Un mollusco che costruisce la sua casa seguendo una configurazione matematica? Sembra proprio di sì a vedere la conchiglia del nautilo: avvolta a spirale piana, è composta di celle curve che si avvolgono verso il centro e che si formano man mano che la creatura aumenta le sue dimensioni nella crescita. Il risultato è una spirale logaritmica perfetta. Oltre alla forma, i matematici hanno studiato le configurazioni che ornano le conchiglie: i motivi di molte conchiglie che sembrano irregolari sono infatti regolati da semplici regole matematiche secondo cui si depositano i pigmenti.
Abbiamo spesso notato come la bellezza nell'uomo sia frutto di complesse simmetrie. Anche il regno animale è caratterizzato specialmente da una simmetria, quella bilaterale, detta anche simmetria speculare in cui il lato sinistro e quello destro sono identici a meno di una riflessione. Pensiamo solo ad una farfalla in cui ogni ala reca l'immagine speculare del disegno presente sull'altra. Ma non ci sono solo riflessioni. Nella stella marina (Fromia monilis) qui a fianco, per esempio, si può vedere una simmetria di rotazione: ruotandola di cinque posizioni diverse, la stella mantiene infatti lo stesso aspetto.
Il cielo si muove con una regolarità che ha appassionato e ispirato l'uomo fin dall'antichità. A guardarci bene però il nostro sistema solare è regolato da un misto di caos e ordine. Si pensi agli spettacolari anelli di roccia che fluttuano attorno a Saturno. Si tratta di un sistema complicatissimo di anelli sottili (composti di rocce e ghiaccio), spazi vuoti e altre irregolarità. Gli spazi vuoti non sono casuali, ma determinati dalle perturbazioni dei satelliti che ruotano attorno al pianeta. Un astronomo britannico, Carl Murray, ha dimostrato che esiste una relazione matematica tra la massa del satellite e l'ampiezza del vuoto lasciato, che per l'esattezza è proporzionale ai 2/7 della massa.
Perché il manto di certi animali è coperto da geometriche strisce o costellato di macchie? La tigre (Panthera tigris altaica) nella foto, ma anche pesci, zebre e farfalle, si sono coperti di strisce per motivi evolutivi, per mimetizzarsi e meglio adattarsi nel proprio ambiente naturale. Nel 1956, il matematico inglese Alan Turing elaborò complesse equazioni matematiche sulla modalità di diffusione delle sostanze chimiche (e dei pigmenti) nei tessuti: secondo queste teorie queste sostanze (dette morfogeni, cioè creatori di forme) reagiscono tra di loro e si dispongono in configurazioni spontanee, ma non casuali. Certo i modelli di Turing erano un po' troppo scollati dalla realtà biologica, ma rappresentano l'ennesimo tentativo di usare la matematica per spiegare la bellezza della natura.
Limite da ridiscutere? Per questo motivo c’è chi invoca una revisione delle leggi e delle normative in vigore, che impongono il limite dei 14 giorni dalla fecondazione per lo studio sull’embrione, fissato più di trenta anni fa proprio per rendere accettabile alle diverse sensibilità etiche o religiose la sperimentazione scientifica su embrioni umani.
La scelta delle due settimane è dovuta al fatto che a questo stadio dal momento della fecondazione compare una struttura chiamata stria primitiva, un gruppo di cellule che sancisce il momento in cui l’embrione non può più dividersi o fondersi, cioè - secondo un certo punto di vista - acquisisce un’esistenza individuale. Questa convenzione fu proposta nel 1979 negli Stati Uniti, e da allora è stata accolta nelle legislazioni di 12 altri Paesi e nelle linee guida di altri cinque. Secondo molti scienziati, potrebbe essere opportuno ridiscuterne.
