universul genetic

Genele ancestrale nu sint o fictiune, o speculatie stiintifica, ci o realitate concreta. Tehnicile tot mai perfectionate de cercetare a universului genetic ne dau speranta indreptatita ca foarte curand vom sti care gene au ramas nemodificate de miliarde de ani. Ce poate fi mai emotionant decit sa intelegem ca, la urma urmei, purtam in noi o parte din cea mai uluitoare aventura a vietii — nasterea primei celule  (C. Maximilian, in revista Magazin (Buc.), nr. 996 din 6 nov. 1976).

Referindu-se la, modificarea organizarii celulare, cu trecerea de la forma simpla, sau ,procariota, a bacteriilor la forma complexa sau eucariota, a levurilor si a organismelor superioare; sau trecerea de la starea unicelulara la starea pluricelulara; sau aparitia vertebratelor, Fr. Jacob, laureat al premiului Nobel, in lucrarea sa Logica viului, pentru care Universitatea din Lausanne i-a acordat premiul, Arnold Reymond in 1975, subliniaza ca fiecare dintre aceste etape corespunde in realitate cu o crestere considerabila a cantitatii de acid nucleic. Dar despre cresterea cantitatii carui tip de ADN este vorba?

Odata cu aparitia amiboflagelatelor primitive, natura vie a avut posibilitatea in conditiile atmosferei oxidante sa se dezvolte si sa se diversifice intr-un ritm accelerat. Pe langa energia furnizata de glicoliza anaeroba, amiboflagelatele primitive dispuneau si de o importanta cantitate de energie chimica rezultata din respiratie. Pentru realizarea trecerii spre forme superioare de organizare si functii diferentiate a fost necesara aparitia treptata a unor gene mai bogate in perechi de nucleotide, cu noi raporturi intre bazele azotate, gene cu functii speciale, pe care noi in anul 1962 le-am denumit aerobe pentru a le deosebi de genele ancestrale (anaerobe). Deci, odata cu aparitia eucariotelor ancestrale si cu conditiile oxidante, patrimoniul genetic al celulei s-a marit treptat prin adaugarea de noi si noi elemente de informatie ereditara (gene) a caror exprimare fenotipica necesita un consum mai mare de energie in comparatie cu genele ancestrale, crescand gradul de organizare a celulei. Secventa nucleica anaeroba nu contine informatie convertibila in structuri diferentiate proprii organismelor aerobe. Asadar, eucariotele reprezinta traducerea secventelor nucleice aerobe, cantitativ si calitativ deosebite in privinta continutului informational in comparatie cu grupul de gene ancestrale.

Aceste concluzii au fost exprimate in lucrarile noastre cu peste un deceniu in urma: Dar marile salturi calitative in evolutia si organizarea organismelor vii in etapa aeroba a filogenezei sunt legate direct de aparitia acizilor nucleici aerobi (O. Udriste, 1965); diferentierea organismelor in atit de numeroase specii (atat in regnul vegetal, cat si in cel animal) este indisolubil legata de aparitia succesiva a acizilor nucleici aerobi alcatuind o colectie tot mai vasta, ceea ce se constata si in dimensiunile liniare ale moleculelor de ADN incomparabil mai mari la mamiferele superioare fata de bacterii (O. Udriste, 1964). Aceasta demonstreaza ca fiecare salt pe o treapta superioara a vietii este legat indisolubil de aparitia unor noi matrite (cifruri) cu rol genetic specific speciei. Varietatea de acizi nucleici aerobi reprezinta produsul etapei aerobe de dezvoltare a materiei vii; ei se afla impreuna cu acizii nucleici anaerobi, acestia fiind produsul etapei anaerobe a filogenezei (O. Udriste, 1965). Spre deosebire de acizii nucleici anaerobi — al caror rol se rezuma la organismele actuale, la comanda si controlul unor procese de natura fermentativa asigurind un grad minim de organizare a celulelor — moleculele de ADN aerobi concentreaza intreaga informatie genetica a celulei, acumulata in etapa aeroba a filogenezeii; (O. Udriste, 1965).

Perfectionarea codului genetic si universalizarea lui, la procariote (virusuri, alge albastre, bacterii) si la eucariote (plante si animale), au insemnat un pas deosebit de important in evolutia materiei vii, permitind inregistrarea unei cantitati practic infinite de informatii. In conditiile atmosferei oxidante si ale codului genetic comun. S-a realizat cresterea si diversificarea treptata a continutului mesajului genetic, a programului genetic, prin contributia unor procese esentiale, ca: inmultirea perechilor de nucleotide, mutatiile distincte genice si cromozomale recombinarea genetica, migratiile, procesele genetice intimplatoare, selectia naturala si izolarea reproductiva. Paralel au avut loc evolutia si perfectionarea cailor metabolice de obtinere a energiei si evolutia structurii si specializarii proteinelor, cu aparitia de noi enzime specifice (J. D. Watson, 1970; R. Mathey, 1972; E. Zukerkandl, 1972; B. Droz si colab., 1973; R. Acher, 1974; C. Maximilian, 1975), determinate adesea de mai multe gene.

La evolutia genelor au contribuit procese importante, ca: duplicatia, deletia, inversia, translocatia, fuzionarea, fisionarea, aneuploidia, poliploidia. Dintre aceste modificari, cele mai importante sint inversiile si mai ales duplicatiile, care au permis genei ancestrale sa exprime doua lanturi polipeptidice. Ulterior, fiecare dintre acestea a evoluat independent, de exemplu, lanturile polipeptidice ale hemoglobinei. De asemenea, pe baza unor date recente, s-a dedus ca moleculele de Ig (imunoglobulina) in forma actuala deriva dintr-o unica gena primitiva care codifica un polipeptid de circa 110 aminoacizi (N. Pozsgi. Gr. Ghyka, 1974). Duplicarea genelor ramine insa mecanismul fundamental, care a imbogatit patrimoniul ereditar al speciilor, factorul care a pus dispozitia selectiei naturale noi proteine, noi posibilitati de adaptare la mediu. Duplicatia a fost urmata de substituiri de aminoacizi, de deletii sau chiar de noi insertii de aminoacizi (C. Maximilian si Daniela Duca- Marinescu, 1975).

Fiecare salt succesiv pe scara evolutiei filogenetice aerobe a insemnat o crestere a continutului informational cel mai adecvat si specific in catenele de ADN aerob, o marire liniara a acestor secvente nucleice in corelatie cu treapta de evolutie a speciei, ceea ce se reflecta in cresterea complexitatii, diversitatii si functionalitatii specifice a proteinelor tot mai distincte fata de proteinele procariotelor, in formarea de noi caractere morfologice, in cresterea complexitatii organismului, fiecare noua structura genetica exprimand un nou fenotip. Se poate postula ca functiile fiziologice si in consecinta proteinele care participa la realizarea lor au evoluat in ritmuri foarte grosiere paralel cu acela al evolutiei morfologiei normale. In acest caz, proteinele inferioare actuale ar putea fi considerate ca relativ mai apropiate de proteinele ancestrale decit cele ale speciilor superioare (R. Acher, 1974). Cat priveste dificultatile pe care le intampina explicarea dezvoltarii filogenetice de pe pozitiile geneticii contemporane nu trebuie sa ne inchipuim ca ele au fost inlaturate total... De pilda, duplicatia genelor ca eventuala explicatie a evolutiei poate intimpina si ea anumite obiectii. S-a atras atentia ca tocmai un grad inalt de duplicatie genica poate corela cu o stagnare evolutiva (Bier si Muller, 1969). Formele cele mai conservative se caracterizeaza tocmai printr-o redundanta a informatiei genetice, care stabilizeaza atit de puternic genomul, incit inabusa in germene orice progres filogenetic (Sapovalov, 1974) (I. Peatnitchi, 1975). Daca lungimea filamentului ADN la o bacterie, de pilda E. coli, masoara 1 mm, contine circa 20 000000 de semne si poate codifica citeva mii de proteine, la om, lungimea secventei nucleice atinge 2 m , contine peste 3 000 000 000 de semne, celula umana codificind circa 100 000 de proteine specifice. O bacterie contine o informatie de 1013 biti, in timp ce informatia structurala a organismului uman este de 1023 biti (Dancoff si Quastier, 1953). Deci, in linii mari, putem afirma ca evolutia substratului material al ereditatii, incepind cu gena ancestrala si sfirsind cu genele care guverneaza ereditatea celor 4.5 milioane de specii de organisme existente in prezent, s-a produs prin cresterea numarului de nucleotide si a numarului de gene. Cercetandu-se continutul de ADN la peste 200 de specii din unitatile taxonomice majore, incepind cu virusurile si sfirsind cu plantele si animalele superioare, s-a stabilit ca numarul de nucleotide dintr-un cromozom variaza de la 1 X 103 la 3 X l07 la procariote si de la 3 X 106 la 1 X 1010 la eucariote, deci de la 1000 la 10 miliarde (Sparrow Underbrink si Baetke, 1983). Iata sursa imbogatirii si variatiei informatiei genetice (N. Ceapoiu, 1976).

Dupa cum se vede, complicarea organizarii corespunde deci unei alungiri a programului. Daca evolutia a devenit posibila, aceasta s-a datorat o data mai mult relatiei dintre structura organismului in spatiu si secventa liniara a mesajului genetic (Fr. Jacob, 1972). Cresterea continutului informational al ADN in filogeneza este corelata atit cu cresterea sa liniara, cit si cu schimbarea compozitiei nucleotidice (J. M. Rendet. 1965). Pornind de la microorganisme si alge, odata cu cresterea complexitatii organizarii si diferentierii in filogeneza se schimba raporturile dintre bazele azotate. ADN trece treptat de la tipul GC la tipul AT, adica scade continutul in guanina si citozina si creste continutul in adenina si timina (Chargaff si colab., 1950; Weed si colab.. 1950; Cepimoga, 1958; Serenkov si Vladicenskaia, 1962). Este limpede ca intre procariota ancestrala si bacteria aeroba actuala exista o enorma discontinuitate, o extraordinara diferenta structurala si functionala. Ce inseamna o protocelula anaeroba in comparatie, de pilda, cu banala E. coli, cind aceasta din urma contine in cromozomul circular circa 3000 (dupa alti autori 10 000) de gene (la formarea carora participa aproximativ 3 000 000 de perechi de nucleotide) si circa 15 000 de ribozomi reprezentind o patrime din masa celulei? Cuplarea glicolizei anaerobe cu mecanismul oxidatiei aerobe de transfer eliberand 90% din energia materiei organice intrata in circuitul metabolic, cresterea patrimoniului genetic vadita in dimensiunea liniara de 1 mm a secventei nucleice, complexitatea si marea viteza de executie a reactiilor biochimice, ca si mecanismele mai evoluate de autoreglare la E.coli reliefeaza nu numai distanta la scara timpului geologic dintre cele doua tipuri de celule, ci subliniaza pregnant si rolul salutar al atmosferei oxidante in evolutia diferentiata a materiei vii. Iata de ce nimic nu ingaduie masurarea gradului de rudenie intre organismele primitive si bacteriile actuale. Materialul initial al evolutiei ni-l putem doar inchipui. Daca admitem ca el avea oarecare asemanare cu celula bacteriana de astazi, nu ne putem insa imagina ca el sa fi posedat o atare compiexitate deconcertanta. In spatele fiecarei bacterii pe care o consideram, in spatele fiecaruia dintre constituentii ei se afla o indelungata istorie, tot atit de necesara pentru intelegerea sistemului ca si cunoasterea structurii lui.(Fr. Jacob, 1970).