Con le ricerche di Thomas Morgan, all’inizio del Novecento, il gene cessa di essere un’entità teorica e diventa una realtà sperimentale: localizzato sui cromosomi, ordinabile in mappe, soggetto a ricombinazione e mutazione. La pubblicazione del suo "The Theory of the Gene" (1926) ha sancito la nascita della genetica causale e quantitativa, che collega ereditarietà, evoluzione e citologia e apre la strada alla genomica e alla medicina genetica.
La genetica causale nasceva cent'anni fa, quando Thomas Hunt Morgan (1866-1945) tirava le somme di oltre venti anni di studi sperimentali su Drosophila melanogaster. Pubblicato a febbraio, The Theory of the Gene (Yale University Press, New Haven, 1926) fu uno spartiacque nella storia della biologia. “Teoria”, non il concetto del gene, che c’era già almeno come unità di trasmissione, né “che cosa è un gene?”, che non si sa nemmeno oggi. Teoria, perché senza teoria non ci sono spiegazioni causali nella scienza e questo è bene dirlo ai tempi nei quali si narra di data science, come theoryless science.
Il gene da quel momento cessava definitivamente di essere un concetto astratto, da usare per fare calcoli matematici, senza impegnarsi a comprenderne la natura, per diventare, grazie alle ricerche di Morgan e del suo gruppo, un oggetto di studio sperimentabile. La genetica si costituiva come un ambito disciplinare che integrava biologia, fisica e chimica.
I geni: entità reali o astrazioni matematiche?
All’inizio del XX secolo la genetica era un sistema di conoscenze frammentato. Gli esperimenti di Gregor Mendel, pubblicati nel 1866, furono riscoperti solo nel 1900 da tre gruppi di biologi (de Vries, Correns, von Tschermak): dimostrarono l’esistenza, in teoria, di unità ereditarie discrete, ma non chiarirono né dove fossero localizzate fisicamente né come funzionassero biologicamente. Il dibattito scientifico era dominato da tre problemi principali: l’ereditarietà era “particolata” o continua? I caratteri erano determinati da fattori materiali o da processi fisiologici diffusi? La teoria mendeliana era compatibile con l’evoluzione darwiniana? Molti biologi restavano scettici sull’idea dei geni come entità reali, considerandoli semplici astrazioni matematiche utili a descrivere rapporti statistici.
Nel 1909 il botanico danese Wilhelm Johannsen introdusse il termine gene per indicare un’unità ereditaria teorica, evitando qualsiasi ipotesi sulla sua natura materiale. Johannsen operò una distinzione cruciale tra genotipo (costituzione ereditaria) e fenotipo (caratteri osservabili), mostrando che l’ambiente può modificare l’espressione dei tratti, senza alterare la struttura ereditaria. Con questo passaggio la genetica acquisì un linguaggio concettuale preciso e separò definitivamente l’ereditarietà dai caratteri acquisiti. Sul piano teorico l’aveva già fatto August Weismann. Qualche anno prima, nel 1905, il biologo britannico William Bateson, che aveva svolto un ruolo decisivo nella diffusione delle idee mendeliane, inventò il termine genetics per quella che era ormai una disciplina autonoma. Bateson promosse l’uso del concetto di gene, ma rimase prudente sulla sua localizzazione cellulare, riflettendo l’incertezza teorica dell’epoca.
Il gene diventa un oggetto sperimentale misurabile
Intanto, il biologo tedesco Theodor Boveri, tra il 1902 e il 1904, aveva dimostrato che i cromosomi sono entità individuali dotate di continuità strutturale. Studiando lo sviluppo embrionale dei ricci di mare, osservava che durante l’anafase della divisione cellulare i cromosomi vengono separati in modo ordinato e che gli errori di segregazione causano anomalie nello sviluppo. Questo mostrava che la corretta distribuzione cromosomica è essenziale per il destino biologico dell’organismo. Boveri intuì che la segregazione mendeliana dei caratteri rifletteva quella fisica dei cromosomi, ponendo le basi della teoria cromosomica dell’ereditarietà.
Lavorando a partire dal 1910 con Drosophila melanogaster come modello sperimentale, in un laboratorio della Columbia University di New York, chiamato Fly Room, Morgan dimostrò che i geni sono localizzati sui cromosomi, che sono disposti linearmente lungo di essi e che la ricombinazione genetica deriva da scambi fisici tra cromosomi omologhi. Attraverso l’analisi quantitativa delle frequenze di ricombinazione, il suo laboratorio costruì le prime mappe genetiche, rendendo il gene un oggetto sperimentale misurabile. Un’unità di ricombinazione. Con la biologia molecolare diventerà anche un’unità di informazione e di trascrizione. Chi prova a dare una definizione di gene oggi ne parla come di «una sequenza funzionale di DNA che produce uno o più prodotti biologicamente attivi (RNA o proteine) che viene trasmessa ed evolve». In modo diverso siamo tornati all’astrazione.
Anche l’ereditarietà diventa misurabile
Con The Theory of the Gene, Morgan sistematizzò la nuova visione: il gene è un’unità fisica localizzata, trasmissibile e soggetta a mutazione. Le leggi di Mendel trovavano una spiegazione cellulare concreta e la genetica si integrava pienamente con la teoria dell’evoluzione. Venivano spiegate in termini di movimenti dei cromosomi. Questo fu un passaggio epistemologico cruciale: l’ereditarietà diventava un meccanismo cellulare osservabile, non più soltanto una regola statistica. Morgan fu inizialmente critico del darwinismo classico, ma contribuì in modo decisivo alla sua integrazione genetica. Allo stesso tempo, va ricordato e sottolineato che si oppose apertamente all’eugenica, rifiutando l’uso politico e semplificato della genetica umana. La sua posizione non era né moralistica né umanitaria. Per lui, che ci capiva davvero, l’eugenica era pseudoscienza.
Morgan e i suoi dimostrarono che i geni sono organizzati in sequenza lungo i cromosomi, che la distanza tra geni può essere misurata tramite le frequenze di ricombinazione e che era possibile costruire mappe genetiche. La cartografia genetica nasceva da quelle ricerche: per precisione, la prima mappa la creò il suo collaboratore Alfred Sturtevant nel 1913. La mutazione genetica diventava un evento materiale: le variazioni ereditarie non erano fluttuazioni continue, ma alterazioni discrete del materiale genetico, osservate, riprodotte e studiate sperimentalmente. Ecco il collegamento preciso tra la genetica e la teoria dell’evoluzione.
La biologia dell’ereditarietà era diventata sperimentale e quantitativa. Inclusa la creazione di un’unità di misura, la morgan e il centimorgan: proposta da Sturtevant nel 1913, veniva standardizzata negli anni Venti. Nella Fly Room si osservava regolarmente che i geni vicini sul cromosoma ricombinano raramente, mentre quelli lontani ricombinano più frequentemente. Su questa base empirica si cominciò a ordinare i geni, a stimare le distanze relative e a costruire mappe genetiche lineari. La morgan è definita come la distanza genetica per cui, in media, ogni cromatide subisce un evento di crossing-over tra due loci, anche se la ricombinazione osservabile nei gameti non supera mai il 50%. Nella pratica si usa il centimorgan (cM): 1 cM = 1% di ricombinazione. E così il genoma diventava uno spazio fisico misurabile.
Analizzare i processi evolutivi
Morgan e la sua squadra inventarono anche un nuovo metodo di ricerca genetica. Il primo organismo modello standardizzato fu appunto Drosophila melanogaster, che presentava un ciclo vitale rapido, alta fertilità, mutazioni visibili e basso costo. Era anche l’origine degli organismi di riferimento. Il suo laboratorio introdusse la registrazione sistematica delle mutazioni, l'incrocio controllato su larga scala e l’analisi statistica rigorosa dei fenotipi. Il microscopio diventava uno strumento indispensabile, per studi non solo descrittivi ma causali. Si iniziavano a usare colorazioni selettive, tecniche di fissazione e preparati meiotici. Era l’atto fondativo della citogenetica, concettualmente la premessa del sequenziamento genomico moderno. Nasceva il concetto di cariotipo come firma genetica a livello cellulare: i cromosomi si contano, gli assetti cromosomici si confrontano e le anomalie strutturali si studiano. Senza teoria cromosomica, il cariotipo sarebbe solo anatomia cellulare.
Attraverso lo studio della frequenza di ricombinazione divenne possibile non solo ordinare i geni lungo i cromosomi, ma anche stimare distanze genetiche, tassi di ricombinazione tra popolazioni e varietà biologiche, e analizzare direttamente i processi evolutivi in atto. Anche la genetica delle popolazioni passava così dalla costruzione teorica astratta a uno strumento sperimentale operativo. In questo contesto, Theodosius Dobzhansky, formatosi nel laboratorio di Morgan, svolse un ruolo decisivo nel collegare la genetica sperimentale all'evoluzione darwiniana. Insieme a Ernst Mayr e George Gaylord Simpson, contribuì alla formulazione della teoria sintetica dell’evoluzione, che integrò selezione naturale, genetica mendeliana, sistematica e paleontologia in un quadro unitario.
Il ruolo delle anomalie genetiche e cromosomiche
Anche la malattia ereditaria diventava visibile a livello cromosomico. Con la citogenetica si scoprivano errori di segregazione, duplicazioni e delezioni che causano fenotipi patologici. Già negli anni Trenta si iniziò a osservare che le cellule tumorali presentano anomalie cromosomiche e che l’instabilità genetica accompagna la trasformazione cellulare. Anche se la genetica molecolare si svilupperà solo a partire dalla metà del XX secolo, la citogenetica fornì per la prima volta la prova che il cancro è legato ad alterazioni del patrimonio cromosomico. In particolare, già a partire dagli studi di Theodor Boveri, era emersa l’idea che anomalie nella segregazione e nell’organizzazione dei cromosomi potessero innescare la trasformazione neoplastica, anticipando il concetto moderno di cancro come malattia del genoma cellulare. Potendo riconoscere gli assetti cromosomici anomali e la trasmissione di malattie ereditarie, era possibile prevenire questi disturbi, spesso molto gravi. Per cui si affermò, dopo la Seconda guerra mondiale e lasciata alle spalle, almeno linguisticamente, l’eugenica, la consulenza genetica precoce e lo studio della genealogia familiare dei disturbi genetici.
La citogenetica avviò una profonda trasformazione della medicina e della biologia, rendendo possibile visualizzare l’ereditarietà, localizzare le cause genetiche e intervenire sui meccanismi di trasmissione genetica. Una trasformazione che, come oggi vediamo, è ancora in corso. Si trattò della costruzione di una nuova infrastruttura conoscitiva, capace di integrare l’osservazione cellulare, la genetica sperimentale e le applicazioni cliniche.
In agricoltura, questo cambiamento diede nuovo slancio al miglioramento genetico: lo studio sistematico dell’ibridazione, la selezione controllata delle varietà e l’uso dei marcatori genetici permisero un aumento significativo della produttività agricola già nel primo Novecento.
Per Thomas Hunt Morgan, il gene era una «fiction conveniente»: un costrutto teorico estremamente potente, ma non un oggetto semplice e immediatamente dato dalla natura. Un’idea che rimane attuale a oltre un secolo di distanza. Il gene continua, infatti, a essere un concetto operativo, non un’entità naturale definita in senso essenzialistico, il cui significato varia a seconda del contesto teorico, sperimentale e tecnologico in cui viene utilizzato.
