Dalla fecondazione alla nascita: come si costruisce un essere umano

In un pomeriggio d'inverno del 1827, in un laboratorio dell'Università di Königsberg, Karl Ernst von Baer fece scivolare l'ovaio di una cagna sotto il suo microscopio e vide qualcosa che nessuno era mai riuscito a confermare. Nascosta dentro uno dei piccoli follicoli pieni di liquido c'era una singola sfera pallida, l'ovulo dei mammiferi. Si sospettava la sua esistenza da circa centocinquant'anni, da quando gli anatomisti avevano per la prima volta ipotizzato che i mammiferi, come gli uccelli, dovessero originarsi da una qualche forma di uovo, ma nessuno l'aveva mai osservato davvero. Von Baer lo fece, e in quello stesso anno pubblicò il risultato in un sottile trattato in latino dal titolo solenne, De Ovi Mammalium et Hominis Genesi, "Sulla genesi dell'uovo dei mammiferi e dell'uomo".

Quella singola osservazione segnò il vero inizio dell'embriologia moderna, perché individuò il punto di partenza di ogni vita umana in una sola cellula. Tutto ciò che ne consegue, i trilioni di cellule di un corpo adulto, ogni organo, ogni nervo, ogni osso, risale alla fusione di quell'ovulo con uno spermatozoo. La domanda a cui risponde questo articolo è ingannevolmente semplice: come fa una singola cellula, senza alcun progetto appeso a una parete e senza alcun capomastro a dirigere il traffico, a ripiegarsi fino a diventare un essere umano completo nel corso di quaranta settimane?

Un incontro che quasi non avviene mai

La fecondazione è molto più rara e geograficamente specifica di quanto la sua reputazione lasci intendere. Durante l'eiaculazione, un uomo rilascia nell'ordine di duecento milioni di spermatozoi, un numero enorme che esiste proprio perché il viaggio che li attende è brutale. Gli spermatozoi devono percorrere l'intera lunghezza dell'utero ed entrare nella tuba di Falloppio, contro le correnti, attraverso un ambiente chimico ostile, e la maggior parte di loro non ce la fa. Di quei duecento milioni, solo poche centinaia raggiungono effettivamente l'ampolla, il tratto esterno e ampio della tuba di Falloppio dove di norma avviene la fecondazione.

Il fattore tempo rende l'incontro ancora più ristretto. Dopo l'ovulazione, l'ovulo rimane vitale solo per circa dodici-ventiquattro ore. Se gli spermatozoi non stanno già aspettando nella tuba o non arrivano entro quella breve finestra, l'ovulo degenera e va perduto. La fecondazione è quindi rara, breve e legata a un punto specifico del corpo. L'immagine popolare di una corsa frenetica che si conclude con un arrivo trionfale non è sbagliata, ma sottovaluta quante siano le possibilità che l'incontro non avvenga affatto.

La chimica dell'incontro tra spermatozoo e ovulo

Quando uno spermatozoo raggiunge finalmente l'ovulo, l'unione non è una semplice collisione ma una sequenza di passaggi molecolari che devono avvenire in ordine. L'ovulo è avvolto da un rivestimento esterno spesso chiamato zona pellucida, un guscio di glicoproteine. Lo spermatozoo si lega per prima cosa a una specifica glicoproteina di quel rivestimento, un evento di riconoscimento che contribuisce a garantire, in condizioni normali, che ovulo e spermatozoo appartengano alla stessa specie.

Il legame innesca il passaggio successivo. La testa dello spermatozoo porta un cappuccio chiamato acrosoma, pieno di enzimi. Al contatto, il cappuccio acrosomiale svuota quegli enzimi, che digeriscono un varco attraverso la zona pellucida così che lo spermatozoo possa raggiungere la membrana dell'ovulo. Le due membrane si fondono quindi, e il contenuto dello spermatozoo, compreso il suo nucleo, passa nell'ovulo. In quel momento due nuclei aploidi, ciascuno portatore di un singolo corredo di ventitré cromosomi, si combinano in un unico nucleo diploide che porta il complemento completo di quarantasei. Quella singola cellula combinata è lo zigote, la prima cellula di un nuovo individuo e la linea di partenza genetica di tutto ciò che verrà dopo.

Sbattere la porta in faccia a un secondo spermatozoo

Nell'istante in cui il primo spermatozoo si fonde con l'ovulo, compare un nuovo problema. Se un secondo spermatozoo riuscisse a entrare, la cellula risultante porterebbe tre corredi di cromosomi invece di due, una condizione triploide, e un embrione di questo tipo non può svilupparsi normalmente. La soluzione dell'evoluzione è bloccare l'ovulo nel momento stesso in cui inizia la fecondazione, e lo fa con due meccanismi separati che operano su scale temporali diverse.

Il primo è quasi istantaneo. Entro una frazione di secondo dalla fusione, la membrana dell'ovulo subisce un rapido cambiamento nella sua carica elettrica, una depolarizzazione che funge da blocco veloce, rendendo per un istante impossibile la fusione di un altro spermatozoo. Questa barriera elettrica è rapida ma temporanea, un ripiego. Il secondo meccanismo è più lento e permanente. Nei secondi e nei minuti successivi, l'ovulo rilascia enzimi che induriscono chimicamente la zona pellucida, trasformando il rivestimento un tempo recettivo in un guscio impenetrabile. Insieme, queste due reazioni, il rapido blocco elettrico e il lento blocco chimico, garantiscono che un solo spermatozoo contribuisca con il suo genoma. Senza di esse, l'esito ordinario della fecondazione sarebbe una cellula triploide condannata, e una gravidanza riuscita sarebbe l'eccezione anziché la regola.

Da una cellula a una sfera cava di cellule

Una volta fecondato, lo zigote fa qualcosa che all'inizio sembra quasi un imbroglio. Si divide, e poi si divide di nuovo, ma non cresce. Il volume totale rimane all'incirca costante mentre il numero di cellule aumenta, così ogni cellula successiva è più piccola della precedente. Questa fase iniziale di divisione senza crescita si chiama segmentazione, e procede secondo un orologio sorprendentemente regolare, con il numero di cellule che raddoppia all'incirca ogni venti ore.

Il calendario è facile da seguire. Intorno a un giorno e mezzo ci sono due cellule, al quarto giorno una sfera compatta di circa sedici cellule chiamata morula, e al quinto o sesto giorno una sfera cava chiamata blastocisti, con un ammasso interno di cellule (la massa cellulare interna, che diventa l'embrione vero e proprio) su un lato di una cavità piena di liquido. Per tutto questo tempo l'ammasso in crescita è ancora avvolto all'interno della zona pellucida originale e immutata, mentre scende lentamente lungo la tuba di Falloppio verso l'utero. Solo quando raggiunge l'utero la blastocisti si schiude da quel rivestimento e si annida nella parete uterina, l'evento chiamato impianto, che àncora la gravidanza e dà inizio alla lunga collaborazione tra embrione e madre.

Tre foglietti che diventano un intero corpo

Nella terza settimana dopo la fecondazione, l'embrione compie la manovra che trasforma una sfera di cellule nell'abbozzo di un animale organizzato. La massa cellulare interna si riorganizza in tre foglietti piatti sovrapposti l'uno sull'altro, i tre foglietti embrionali: ectoderma all'esterno, mesoderma nel mezzo ed endoderma all'interno. Questa disposizione apparentemente semplice è il progetto generale dell'intero corpo, perché ogni tessuto di un essere umano può essere ricondotto a uno di questi tre foglietti.

Le attribuzioni sono coerenti e furono, opportunamente, determinate dallo stesso von Baer nel 1828. L'ectoderma dà origine alle superfici esterne e al sistema nervoso, compresi la pelle, i capelli e l'intero encefalo e midollo spinale. Il mesoderma produce i tessuti strutturali e circolatori, i muscoli, le ossa, il sangue, il cuore e i reni. L'endoderma forma i rivestimenti interni, il tubo digerente e gli organi che ne germogliano, compresi i polmoni, il fegato e il pancreas. Una volta che questi tre foglietti sono al loro posto, lo sviluppo diventa una questione di ripiegamento, migrazione e segnalazione, mentre i foglietti si piegano e interagiscono per scolpire gli organi. La maggior parte di questa costruzione degli organi, chiamata organogenesi, va all'incirca dalla terza all'ottava settimana, ed è il tratto più delicato e più vulnerabile dell'intero processo.

L'organo temporaneo costruito da due persone

Mentre l'embrione sta deponendo i suoi organi, un altro organo si assembla in parallelo, e non appartiene a nessun singolo individuo. La placenta è un organo a tutti gli effetti, ma uno strano, costruito da una miscela di tessuto fetale (il trofoblasto, le cellule esterne della blastocisti) e tessuto materno (l'endometrio, il rivestimento dell'utero). È unica nella biologia dei vertebrati sotto diversi aspetti: viene costruita da zero per ogni gravidanza, dura le intere quaranta settimane e non un giorno di più, svolge diversi compiti contemporaneamente e viene espulsa insieme al bambino per poi essere scartata.

Vale la pena enumerare i compiti della placenta, perché svolge il lavoro di diversi organi adulti simultaneamente. Si occupa dello scambio gassoso, fornendo ossigeno e rimuovendo l'anidride carbonica al posto dei polmoni che il feto non può ancora usare. Gestisce la nutrizione e i rifiuti, trasferendo glucosio, amminoacidi e altri nutrienti al feto e portando via le scorie metaboliche. E funziona come una ghiandola endocrina, producendo ormoni che mantengono la gravidanza e preparano il corpo della madre al parto e all'allattamento. C'è un equivoco persistente che vale la pena correggere qui, perché è tra gli errori più comuni degli studenti in tutta la materia: il sangue della madre e il sangue del feto non si mescolano. Le due circolazioni restano completamente separate. Tutto lo scambio avviene per diffusione attraverso la sottile membrana dei villi coriali, le proiezioni fetali simili a dita immerse in pozze di sangue materno. L'ossigeno, i nutrienti e i rifiuti attraversano quella membrana, ma i due flussi sanguigni non si uniscono mai.

Quaranta settimane in tre atti

La gestazione umana dura circa quaranta settimane, convenzionalmente divise in tre trimestri di circa tredici settimane ciascuno, e ogni trimestre ha le proprie priorità di sviluppo, i propri rischi caratteristici e le proprie tappe cliniche. Il primo trimestre è l'epoca della costruzione. È qui che avvengono tutti la fecondazione, la segmentazione, l'impianto, i tre foglietti embrionali e l'organogenesi, e poiché viene posto in essere il piano corporeo di base, è anche il periodo di massima vulnerabilità alle interferenze. Il secondo trimestre riguarda in larga parte la crescita e il perfezionamento, mentre gli organi già formati maturano e si ingrandiscono e il movimento diventa rilevabile. Il terzo trimestre riguarda la rifinitura e l'aumento di peso, mentre il feto ingrassa, i polmoni maturano fino al punto di poter respirare aria e il corpo si prepara alla vita esterna.

L'embriologia traccia una linea particolarmente netta in questa cronologia, alla fine dell'ottava settimana. Prima di quel momento l'organismo in sviluppo si chiama embrione; dopo, feto. La distinzione non è una scelta di parole arbitraria. Segna il momento in cui l'organogenesi si conclude essenzialmente, quando gli organi principali sono stati abbozzati e il lavoro si sposta dalla costruzione di nuove strutture al semplice far crescere quelle esistenti. Un embrione è in costruzione; un feto, per la maggior parte, sta crescendo.

Ciò che è notevole dell'intera sequenza di quaranta settimane è la precisione con cui oggi può essere seguita. L'ostetricia moderna può datare una gravidanza con un'approssimazione di circa una settimana, visualizzare un cuore che batte intorno alla sesta settimana e identificare il sesso del feto all'incirca alla sedicesima. È uno dei processi meglio mappati di tutta la biologia umana, e il suo calendario è stabilito non da alcuna istruzione esterna ma dal genoma stesso, lo stesso insieme di geni, che si accendono e si spengono in un ordine fisso, che ha costruito ogni essere umano mai esistito.

Punti chiave

Lo sviluppo umano inizia quando uno tra poche centinaia di spermatozoi sopravvissuti, su duecento milioni, raggiunge l'ampolla della tuba di Falloppio entro la breve finestra di dodici-ventiquattro ore dell'ovulo, si lega alla zona pellucida, rilascia i suoi enzimi acrosomiali e si fonde formando uno zigote diploide, dopodiché un rapido blocco elettrico e un lento blocco chimico sigillano l'ovulo contro qualsiasi secondo spermatozoo che altrimenti creerebbe una cellula triploide non vitale. Lo zigote si segmenta poi senza crescere, raddoppiando all'incirca ogni venti ore da due cellule a una morula di sedici cellule al quarto giorno fino a una blastocisti cava al quinto o sesto giorno, il tutto all'interno della zona pellucida originale, prima di impiantarsi nella parete uterina e riorganizzarsi nella terza settimana in tre foglietti embrionali (ectoderma, mesoderma, endoderma) da cui deriva ogni tessuto, un'attribuzione stabilita dallo stesso von Baer nel 1828. L'organogenesi prosegue fino all'ottava settimana, la linea di demarcazione in cui l'embrione diventa feto, mentre la placenta, un organo temporaneo costruito congiuntamente dal trofoblasto fetale e dall'endometrio materno, si fa carico dello scambio gassoso, della nutrizione, della rimozione dei rifiuti e della produzione di ormoni per le intere quaranta settimane senza mai mescolare i due flussi sanguigni separati. La gravidanza si svolge attraverso tre trimestri di circa tredici settimane, ciascuno con priorità distinte, in una sequenza così ben mappata che l'ostetricia moderna può datarla con un'approssimazione di una settimana, eppure il cui intero calendario è scritto ed eseguito dal genoma.