Peregrinări prin genetică

Motivul pentru care am scris această lucrare are la bază observațiile în timp asupra pomilor fructiferi din grădina proprie, în care nu folosesc insecticide pentru combaterea omizilor.
În vara anului 2000, omizile au desfrunzit complet un măr, iar dezastrul mi-a atras atenţia asupra relațiilor biologice şi am urmărit cu interes derularea evenimentelor. Spre surprinderea mea, după câteva săptămâni, fără să intervin, pomul  a produs  muguri, apoi, flori şi frunze, de parcă măreția naturii mi-a răsplătit curiozitatea.
  Vă spun cu toată  sinceritatea, stimați cititori, că întâmplarea m-a fascinat,  fiind un exemplu de  adaptare a plantelor la condițiile mereu schimbătoare ale mediului ambiant, posibilitate pe care omul o poate valorifica pe măsura încălzirii globale. 
  Pentru validarea unor ipoteze, în vara anului următor am desfrunzit  un pom ca să urmăresc efectele.  Aşa cum mă  aşteptam, pomul a înfrunzit, a înflorit şi chiar a produs fructe, care,  din păcate,  nu au avut timp să ajungă  la maturaţie.
  Anii au trecut, iar pe 1 septembrie 2022, atunci când creștinii ortodocși  sărbătoresc Acoperământul Maicii Domnului, faptele au fost iarăși confirmate - prin observarea în grădină a unor pruni care au înflorit și înfrunzit (fig. 1 și fig. 2) după ce au fost defoliați de către omizi.

                          Fig. 1      Fig. 2

  De fapt, pe lângă reproducerea pe cale sexuată sau asexuată, regenerarea este o caracteristică generală a organismelelor vii de perpetuare în spațiu și timp pe baza informațiilor înscrise în zestrea genetică. Se ştie că pomii au capacitatea de a-și videca rănile, iar prin tăierea unei ramuri, se stimulează capacitatea plantei de a produce lăstari în zona adiacentă.
  Se știe că floarea se formează din mugurii florali sau micști, fiind organul de înmulțire a gimnospermelor și angiospermelor. De regulă, mugurii florali apar primii, sunt mai mari decât cei foliari  și au o formă aproape sferică. În cazul defolierii pomilor de către omizi, florile apar, de regulă, din muguri micști, semnalul epigenetic fiind de regenerare a frunzelor.
Regenerarea este întâlnită și în regnul animal, salamandrele și unele specii de șopârle au dezvoltat autonomia caudală,  altfel spus, un mecanism de apărare bazat pe pierderea voluntară a cozii atunci când indivizii sunt amenițați de către prădători. Ruperea cozii se poate realiza intravertebral sau intervertebral, cu mențiunea că regenerarea în cel de-al doilea caz este mai puțin probabilă decât în primul caz.
   Un alt exemplu elocvent îl reprezintă steaua de mare, care are capacitatea  de a-și regenera unul sau mai multe brațe amputate, ajungându-se ca la indivizii din genul Linckia această abilitate să fie utilizată pentru multiplicare asexuată - fiind capabili să se reconstituie în întregime dintr-un braț detașat.
  Mecanismele biologice de regenerare prezintă încă multe necunoscute. Este o provocare pentru cercetarea fundamentală şi aplicativă de a descifra enigmele proceselor biologice - pentru cunoașterea pe deplin a devenirii vieții pe Terra și adoptarea unor măsuri eficiente în stabilirea echilibrului dinamic din biosferă.
Se poate afirma că orice organism este rezultatul interacţiunii dintre ereditate şi mediu, factori ce intervin în proporţii variabile la formarea însuşirilor morfologice şi funcţionale, de la cele mai simple până la creier şi conştiinţă. 
Mecanismele genetice sunt universale în lumea vie şi funcţionează la om pe aceleaşi principii ca şi la primele organisme unicelulare apărute în istoria vieţii. Poate că nu suntem singuri în Galaxia Noastră, iar codul genetic este valabil şi pentru organisme extraterestre.
  Fiecare organism  este o asociere unică, pasageră şi perisabilă a unor gene, dar care trec bariera generaţiilor prin intermediul gameţilor. Pe de altă parte, studiile de epigenetică  au pus în evidență mecanisme biochimice  prin care genele interacționează cu mediul înconjurător  în exprimarea trăsăturilor fenotipice.
  Desigur, concepţia lui Darwin despre originea şi evoluţia speciilor reprezintă un salt calitativ în cunoaştere, dar  miracolul devenirii vieţii nu trebuie  lăsat doar pe seama selecţiei naturale în “lupta pentru existenţă” a indivizilor mai bine adaptaţi şi a mutaţiilor genetice aleatoare. Cercetările trebuie orientate pe descifrarea unor mecanisme  genetice dinamice, autoperformante şi adaptive la factorii interni şi externi.
Pentru  o înțelegere deplină a demersului cognitiv, se impune, prezentarea  sintetică a unor  noțiuni și procese din universul fascinant al geneticii.
  După apariţia geneticii moleculare, gena a fost  identificată cu un segment dintr-o macromoleculă de ADN sau ARN (în cazul ribovirusurilor şi a viroizilor), având o secvenţă de codoni care conţin informaţia genetică necesară pentru sinteza proteică, proteinele fiind  molecule complexe implicate în diverse procese  biologice prin care se derulează viața.
  Acizii nucleici reprezintă secvenţe de nucleotide, formate la rândul lor dintr-o bază azotată, o glucidă (zahar) şi un radical fosforic. Se cunosc cinci tipuri de baze azotate care intră în structura nucleotidelor, şi anume: două baze purinice, adenina (A) şi guanina (G), respectiv trei baze pirimidice, citozina (C), timina (T) şi uracilul (U). Primele patru baze azotate (A,G,C,T) sunt prezente la ADN, iar la ARN în locul timinei se află uracilul. Zaharurile din componenţa acizilor nucleici sunt riboza la ARN şi dezoxiriboza la ADN, ambele fiind pentoze.
  Din combinarea unei baze azotate purinice sau pirimidice cu o glucidă rezultă o nucleosidă, moleculă din care se obţine o nucleotidă prin ataşarea unui grup fosfat la pentoză.
  Se știe că ADN-ul uman este format din aproximativ 3 miliarde de baze azotate, care sunt incluse în aproximativ 20 000 de gene.
  Macromolecula de ADN este bicatenară, fiind formată din două lanţuri polinucleotide unite prin punţi de hidrogen (duble între adenină şi timină şi triple între guanină şi citozină), de natură electrostatică. Cele două catene sunt complementare, în sensul că legăturile de hidrogen se stabilesc între baze azotate purinice şi pirimidice (A-T, T-A, G-C, C-G) şi formează o spirală dublă (dublu helix) prin înfăşurare elicoidală în jurul unui ax comun.
  Replicarea (duplicarea) macromoleculei de  ADN  se  realizează cu ajutorul unor enzime (ADN-polimerazele, ligazele etc.), după modelul semiconservativ, în intervalul dintre două diviziuni celulare (interfază), când are loc dublarea cantităţii de material genetic.
  Prin ruperea legăturilor de hidrogen, se separă mai întâi cele două catene model, după care, prin ataşare (pe bază de complementaritate) a nucleotidelor libere din citoplasmă se formează două molecule fiice de ADN bicatenar, identice cu molecula mamă iniţială.
    Duplicarea ADN-ului precede fiecare diviziune celulară şi are loc în aşa-numita interfază (perioada dintre două diviziuni celulare succesive). ADN-ul este alcătuit din două lanţuri de nucleotide unite prin legături de hidrogen; el se poate găsi în interiorul nucleului în două forme, în funcţie de perioada din timpul ciclului celular: sub formă de cromatină, adică răsfirat, necondensat (în interfază) sau sub formă de cromozomi, fiind condensat, mai gros, vizibil la microscopul optic (în timpul diviziunii celulare).
Acizii  ribonucleici au în  general  o  structură  monocatenară, fiind  clasificaţi după  funcţiile îndeplinite,  astfel:
- ARN-viral, constituie materialul genetic al unor ribovirusuri (de exemplu, virusul mozaicului tutunului, virusul poliomielitei, virusul gripal, SARS-CoV-2);
- ARN-mesager (ARM-m), joacă un rol important în procesul de sinteză proteică, realizează prin transcripţie copierea informaţiei genetice a unei catene din macromolecula de ADN;
- ARN-de transfer (ARN-t), are rolul de a transporta aminoacizii la locul sintezei proteice;
- ARN-ribozomal (ARN-r), intră în componenţa ribozomilor, unde participă la sinteza celulară a proteinelor.
  Sinteza proteinelor “in vitro” se realizează pe baza informaţiei genetice codificate biochimic în ADN.  Codul genetic exprimă corespondenţa dintre succesiunea nucleotidelor din acizii nucleici şi succesiunea aminoacizilor din lanţul polipeptidic, având la bază o secvenţă de trei nucleotide, numită codon.
Referitor la codul genetic uman se pot face unele observaţii:
- din totalul de 64 codoni, 61 codifică cei 20 de aminoacizi, iar restul (UAA,UAG,UGA), marchează sfârşitul unui mesaj genetic (STOP);
- este universal valabil, redundant (mai mulţi codoni pot codifica acelaşi aminoacid) şi fără virgule (citirea informaţiei genetice se face continuu).
  În linii mari, în procesul sintezei proteice informaţia din moleculele de ADN este mai intâi transferată într-o macromoleculă de ARN-mesager, prin fenomenul de transcripţie , după care este codificată şi transformată într-o secvenţă de aminoacizi prin procesul de translaţie.   Fluxul de informaţie între acizii nucleici se poate considera bidirecţional, având în vedere că geneticianul H.Temin a demonstrat experimental că unele ribovirusuri, la care materialul genetic este o macromoleculă de ARN, sunt capabile să determine în celula respectivă sinteza unei macromolecule de ADN, cu ajutorul căreia se replică.
În prezent codul genetic explică mecanismele biosintezei proteinelor dar nu şi corelarea diferenţierii celulelor cu  structurarea organelor şi configurarea întregului organism prin controlul dispunerii celulelor  în spaţiu. Deşi teoretic putem separa informaţia de structură  şi funcţie, în realitate elementele triadei viului  relaţionează prin feedback  multiplu integrat şi se dezvoltă  împreună în cadrul organizării progresive a vieţii.
  Materializarea informaţiei “in actu” din starea “ in potentia” presupune derularea corelată a secvenţelor diviziunii, diferenţierii şi orientării celulelor prin interacţiune cu matricea proteinică  şi semnalele transmise de receptorii specifici despre poziţiile relative ale celulelor vecine, pentru ca structurile şi procesele biologice să fie integrate unitar. Această interpretare este confirmată de celulele suşe pluripotente extrase de la un embrion, care se pot dezvolta şi reface ţesuturile afectate de leziuni, boli sau bătrâneţe ale unor organisme compatibile genetic. Un exemplu - cu implicaţii tulburătoare în etică - îl reprezintă clonarea organismelor prin înlocuirea nucleului unui ovul cu nucleul extras dintr-o celulă somatică.
  Propun extinderea geneticii clasice la genetica dinamică,  prin adăugarea principiului de bază: morfogeneza se derulează prin  aranjamentul ordonat al celulelor în configuraţii bine definite pe baza schemelor program ale orientării fusului de diviziune în funcţie de natura şi  poziţiile relative ale celulelor vecine,  care sunt integrate în ciclul mitotic cu programele de reglare şi control pentru diferenţierea celulelor.
  Deşi nucleul este centrul coordonator al celulei, informaţia genetică este funcţională doar  în structura spaţială a unor câmpuri de celule care capătă specificitate în ţesuturi,  organe şi sisteme, organizate ierarhic şi integrate  unitar la nivelul  organismului. În compoziţia nucleului intră ADN, ARN, proteine, diferiţi compuşi organici şi anorganici organizaţi în matricea sau sucul nuclear, cromatină sau cromozomi, nucleoli, totul delimitat de o membrană nucleară  prin care schimbă materie, energie şi informaţie cu exteriorul. 
  Este  cunoscut  că  în  procesul  diviziunii celulare, ciclul mitotic  este  corelat cu  ciclul nucleolar – nucleolii sunt vizibili în interfază, dispar în profază şi reapar în telofază. Cercetătorii recunosc importanţa nucleolilor în sinteza ARNr şi şi biogeneza ribozomilor, dar şi ca “staţii intermediare” pentru transferul ARNm şi ARNs în citoplasmă; vom adăuga rolul lor important în morfogeneză, fiind responsabili pentru  pregătirea aparatului mitotic.
Variabilitatea materialului genetic reprezintă sursa principală a evoluţiei speciilor. Se disting două categorii de modificări ereditare, şi anume: recombinările genetice şi mutaţiile.
  Spre deosebire de modificările zestrei ereditare prin recombinări genetice, în cazul mutaţiilor se produce o restructurare calitativă şi cantitativă profundă a materialului genetic.  
  Procesul prin care se produc mutaţiile poartă numele de mutageneză. Mutaţiile pot fi genomice, cromozomiale sau genice, după cum se produc la nivel de genom, de cromozomi sau de gene. Există diverse alte criterii de clasificare a mutaţiilor genetice:
• după modul de manifestare – dominante, codominante, recesive, letale, semiletale;
• după localizare – autozomale (când sunt plasate pe autozomi) şi heterozomale (când sunt plasate pe cromozomii sexului, denumiţi şi heterozomi);
• după natura factorilor care le provoacă – naturale şi artificiale.
  Mutaţiile naturale apar spontan, fără intervenţia omului, iar frecvenţa acestora depinde de condiţiile mediului în care trăiesc organismele. Prin mutageneză naturală a apărut salcâmul monofil, bovine fără coarne, oaia cu picioare scurte din care a rezultat rasa Ancona.
  Mutaţiile artificiale sunt cele provocate de om cu ajutorul unor agenţi mutageni de natură fizică, chimică sau biologică.  Prin folosirea unei game variate de agenţi mutageni, omul are posibilitatea de a selecta mutante folositoare în acţiunea sa de ameliorare şi de  diversificare a soiurilor de plante şi a raselor de animale.
  De menţionat că, spre deosebire de mutaţiile somatice, cele care afectează celulele gametice sunt ereditare şi pot fi observate la descendenţi în diferite generaţii. La speciile care se înmulţesc sexuat, numai mutaţiile gametice sunt transmise la descendenţi, iar la organismele care se pot înmulţi vegetativ, mutaţiile somatice pot fi izolate şi reproduse ca linii sau clase mutante.
   Este meritul lui  Conrad Waddinton (1905-1975), care a pus bazele epigeneticii - ramură a biologiei care  pune în evidență  interacţiunea zestrei genetice cu factorii de mediu pentru a crea un fenotip.  Mai precis, epigenetica pune accentul pe dezvoltarea interactivă a structurilor vii în cadrul unor condiții concrete, prin descifrarea  proceselor biochimice care permit acidului dezoxiribonucleic diverse posibilități de manifestare, care se bazează pe  activarea  şi reprimarea anumitor gene, dar fără a provoca schimbări la nivelul secvenţei genice.
  Epigenetica explică unicitatea fiecărei ființe umane, diferențierea celulelor care au același ADN, predispoziția la obezitate sau boli, formarea unor tumori, precum și multe din  funcţiile şi disfuncţiile biologice, până la stadiul celular al îmbătrânirii.
Într-adevăr, cu  cele 20.000 de gene umane, se pot produce numeroase combinații de gene diferite care sunt activate sau dezactivate, fiecare manifestare a vieții fiind unică.
Unul din mecanismele importante  implicate în reglarea genelor epigenetice la mamifere este  metilarea ADN-ului - care se produce prin adăugarea unei grupări metilice (-CH3) la citozina bazică azotată (C) în mod covalent la situsuri 5'-CpG-3 ' (fig. 3), întregul proces biologic  fiind controlat de enzime ADN-metiltransferaza.
                          Fig. 3
  Deși mai rar întâlnită, metilarea non-CpG a fost observată la celule stem din embrioni, în dezvoltarea neuronală și în procesul hematopoietic, într-un context de secvență CpApC.
Spre deosebire de mamifere, metilarea ADN-ului la plante are loc  în trei  situsuri diferite:  CG (sau CpG), CHG sau CHH  (unde H = A, C sau T).
Expresia genică este inițiată prin legarea factorilor de transcripție la secvențele reglatoare ale genelor, cum ar fi intensificatorii, iar modificările aduse structurii cromatinei prin metilarea ADN-ului restricționează accesul factorilor de transcripție la secvențele reglatoare.
  De regulă, insulele CpG metilate provoacă represiunea genelor, fapt care permite diverse posibilități de  manifestare a genelor din țesuturi și organe, precum și în anumite momente din viață, cum ar fi dezvoltarea embrionară.
  De menționat că principala funcție a metilării ADN-ului este de a regla expresia genelor în funcție de cerințele unei anumite celule,  marcarea epigenetică a siturilor CpG ale genomilor fiind caracteristică fiecărei specii, relativ stabilă ereditar și pe parcursul vieții unui organism.
  În acest cadru cognitiv,  poate fi dată o conotație științifică unor expresii din universul comunicațional, având o încărcătură emoțională deosebită, ca de exemplu  “în rotația anotimpurilor, primăvara este simbolul  regenerării naturii pe Terra”. Într-adevăr, după 1 martie, radiația solară crește progresiv, pământul este acoperit de verdele crud al ierbii, iar pomii  din zonele temperate impresionează prin diversitatea de frunze și flori, exprimată printr-o  bogăție de forme, miresme și nuanțe coloristice.
  Toate aceste evenimente din regnul vegetal sunt datorate fotosintezei, proces prin care plantele transformă energia luminoasă în energie chimică, care este stocată  inițial în carbohidrați și folosită mai târziu pentru necesitățile plantelor.
  Procesul de fotosinteză are loc în cloroplastele celulelor din frunze, care sunt veritabile uzine naturale de fabricat glucoză din dioxid de carbon şi apă sub acţiunea radiaţiei solare, obţinându-se astfel sursa esenţială primară pentru o gamă diversificată de polizaharide, lipide, proteine şi acizi nucleici din componenţa materiei vii. Apa este preluată din sol prin intermediul rădăcinilor, iar dioxidul de carbon este obținut din atmosferă prin stomatele frunzelor.
Concis, reacţia globală de producere a glucozei se scrie astfel:
                                                                             
  În ciclul diurn, metabolismul plantelor  se desfăşoară în două faze – în timpul zilei se absoarbe dioxid de carbon și produce oxigen, iar pe parcursul nopții se consumă oxigen și se eliberează dioxid de carbon.
  Mai precis, în faza luminoasă au loc următoarele procese:
- captarea energiei luminoase de către clorofilă (un pigment vegetal de culoare verde) şi stocarea acesteia în moleculele de adenozin trifosfat (ATP);
- fotoliza moleculelor de apă cu formarea de oxigen şi hidrogen ;
- preluarea hidrogenului de trifosfopiridin nucleotide (TPN), care devin TPNH2, cu degajarea oxigenului în atmosferă.
  În faza obscură, moleculele de ATP furnizează energia necesară reacţiilor dintre hidrogenul transportat de TPNH2  şi dioxidul de carbon, cu formarea de zaharide, iar ulterior de grăsimi şi proteine.
Se constată că, în reacția de producere a glucozei, variația de entropie este negativă, însă, dacă se ia în calcul producerea intensă de entropie în timpul absorbției fotonilor de către plante, atunci pe ansamblu entropia totală crește, iar entalpia liberă totală se micșorează, respectându-se astfel principiile termodinamicii în procesul de fotosinteză.
  Nutriția foliară asigură producerea rapidă a clorofilei în frunzele plantelor, având ca efect accelerarea proceselor de fotosinteză și dezvoltare vegetativă.
  Se pune firesc întrebarea retorică: cum ştiu plantele că trebuie să înflorească primăvara, pentru a se reproduce, dar să intre în repaus vegetativ, pentru a rezista condițiilor dure ale iernii? Răspunsul concis este oferit de epigenetică: prin influența factorilor din mediul ambiant asupra  ADN-ului din organismele vegetale.
   Cercetătorii din cadrul  Centrului de Biotehnologie a Plantelor de la Universitatea Politehnică din Madrid au arătat că ADN-ul plantelor se modifică în funcţie de ciclurile distincte ale anului, punând în evidență semnale epigenetice distincte pentru primăvară și pentru iarnă.
  Încă din toamnă, când frunzele pomilor cad, au loc modificări fizico-chimice în protoplasma celulelor, pregătind astfel rezistența mugurilor la frig până în primăvară, atunci când se produce “decălirea” pe măsura încălzirii atmosferei.
  Spre deosebire de arborii care își pierd frunzele anual, coniferele (molid, pin, brad, zada) au frunze aciculare care rezistă iernilor aspre din zonele temperate și reci.
    În cazul zonelor aride,  lipsa apei a făcut ca unele plante să-și piardă frunzele, care s-au transformat în spini pentru a evita transpirația, fotosinteza fiind preluată de tulpinile verzi în care se află clorofila.  Cactușii s-au adaptat la condițiile din deșert prin stocarea apei în tulpinile suculente, care sunt apărate de spini împotriva consumării acestora de către animale.
  În ultimă instanță, fotosinteza este procesul fundamental pentru existența vieții pe Terra, care transformă energia solară în energie chimică, asigură circuitul carbonului și azotului în atmosferă, reglează cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă și regimul de precipitații, atenuează deșertificarea și consecințele negative ale efectului de seră etc. 
  Să nu se uite că florile reprezintă simbolul frumuseții și al iubirii, iar natura sălbatică este locul cel mai potrivit pentru relaxare fizică, confort psihic și raportare la frumos.  Fascinația și misterul florilor au fost  preluate în obiceiuri și tradiții, având o diversitate de semnificații legate de romantism, ritual, religie și medicină.
    Gestionarea irațională a resurselor planetei, poluarea mediului înconjurător și încălzirea globală sunt semnale de alarmă într-o societate de consum, care impun schimbarea modului de gândire și acțiune umană, a modului de organizare și de relaționare în cadrul echilibrelor ecologice stabilite de milenii în biosferă, astfel încât și generațiile viitoare să se bucure de biodiversitatea și frumusețile naturale ale planetei.
Modelul economic, social și politic al societății de consum elaborat de Keynes, are ca punct de plecare criza economică din 1929-1933, care a pus în evidență legăturile dintre supraproducție și supraconsum, precum și necesitatea implicării guvernelor în situații de criză economică. Deși a  creat bunăstare și profituri uriașe, în condițiile dezvoltării fără precedent a științei, tehnicii și tehnologiei, ale tendințelor de  globalizare și digitalizare, pentru eliminarea progresivă a consecințelor negative sunt necesare politici responsabile pe termen mediu și lung în exploatarea resurselor planetei și repartizarea justă a beneficiilor, optimizarea consumului și un marketing bazat pe o analiză eficientă a necesităților de bunuri și servicii.
  Criza actuală a cuprins diverse domenii de activitate, fiind  un  indicator  obiectiv al acumulării erorilor în modelul ales al dezvoltării, alfel spus, omenirea  se află la o răscruce a istoriei, din care  poate ieși întărită, doar alegând calea rațională către valorile perene de bine, frumos, dreptate și adevăr.

Bibliografie

1. Bodnariuc N.,  Biologie generală,  Editura  Didactică și Pedagogică, București, 1979
2. Raicu P.,  Genetica,  Editura Didactică și Pedagogică, București, 1974
3. Razin, A și cedru H., Metilarea ADN-ului și expresia genelor, Recenzii microbiologice, Biblioteca Națională de Medicină din SUA, 1991
4. Tudor V.,  Alma Lux,  Editura  Agora, Călăraşi, 2001
5. https://www.academia.edu/49847851/Sinteze_de_stiinta