Pentru a înțelege lumea vie, la ce scară ar trebui să aibă loc cercetarea în biologie? Coborînd pe o spirală a treptelor domeniilor de cercetare, de la ecosisteme la organisme, țesuturi, celule, gene și pînă la protoni, unde se află cauzele fenomenelor din lumea vie? Dincolo de o viziune reducționistă, conform căreia totul poate fi redus la gene, pentru a reuni diferitele trepte ale lumii vii e nevoie, printre altele, și de un soi de gîndire „verticală”, care să integreze cauzele ce se manifestă pe mai multe sau chiar pe toate aceste trepte.
De exemplu, în cazul bolilor monogenice, provocate de o mutație într-o singură genă și care sînt doar o mică parte din boli, legăturile între „treptele” la care pot fi cercetate mecanismele bolii sînt ceva mai ușor de urmărit. O astfel de boală e fibroza chistică, care este și o boală recesivă, fiind nevoie ca ambele copii ale genei să aibă mutații pentru ca boala să apară. Fibroza chistică a fost observată cel puțin încă din secolul al XVII-lea, cînd medicul spaniol Juan Alonso de Fontecha scria că dacă un copil are fruntea sărată înseamnă că e „vrăjit”, prognosticul fiind unul sumbru. Știm astăzi că fibroza chistică e asociată cu mutații în gena CFTR, descoperită în anul 1989, care codifică o proteină de pe suprafața celulelor prin care trec ioni de clor. Pentru a înțelege mecanismele bolii, cercetările au continuat pe mai multe trepte. Pe treapta moleculară, structura acestei proteine a fost deslușită, descoperindu-se și că, în urma unor mutații, proteina rămîne într-o conformație închisă, nepermițînd ionilor de clor să pătrundă prin ea. La nivel genetic, au fost catalogate diferitele mutații din gena CFTR și e posibilă corelarea lor cu gravitatea simptomelor. La nivel celular, schimbarea conținutului concentrației de ioni din celule, care explică și pielea sărată, duce la absorbția de apă și mai apoi la depunerea de mucus în căile respiratorii. Mai multe țesuturi sînt afectate, mai ales plămînii și pancreasul. În plus, căile respiratorii devin mai vulnerabile în fața infecțiilor bacteriene. De la ionii de clor pînă la întregul organism, legăturile între diferitele „trepte” sînt destul de bine înțelese, cu mult mai multe detalii decît am expus aici.
În alte contexte însă, legăturile între diferitele trepte de analiză nu sînt așa de simplu de realizat, descoperirile fiind de multe ori piese răspîndite ale unui puzzle. De pildă, un domeniu activ de cercetare e studierea modului în care creierul a evoluat de la alte primate la oameni, problemă care, mai ales datorită unor noi tehnologii, poate fi abordată la o mulțime de niveluri. Cimpanzeii, care au cel mai apropiat grad de rudenie cu oamenii, au creierul de trei ori mai mic. O întrebare importantă e care sînt mecanismele care explică diferența de mărime între creierul de cimpanzeu și cel uman. Unele studii s-au concentrat pe diferențele existente la nivelul ADN-ului. Au fost astfel descoperite unele diferențe în porțiuni din materialul genetic numite human accelerated regions (HARs), care controlează activitatea unor gene importante pentru dezvoltarea creierului, deși rolul lor nu e pe deplin înțeles. Folosind organoide, structuri tridimensionale formate din celule care reiau unele aspecte ale dezvoltării creierului, cercetătorii au introdus varianta umană a uneia dintre secvențele de tip HAR în celulele de cimpanzeu. La începutul dezvoltării creierului, un tip de celule stem neurale se divid și apoi dau naștere unor celule mai specializate, precum neuronii. În organoidele de cimpanzeu în care a fost introdusă una din secvențele HAR umane, aceste celule stem neurale s-au divizat mai mult decît ar fi făcut-o într-un creier de cimpanzeu, ceea ce sugerează că modificările din această secvență genetică contribuie la creșterea în mărime a creierului. Problema poate fi abordată și dintr-o perspectivă energetică. Odată cu creșterea semnificativă în mărime a creierului, a crescut și nivelul de activitate a celulelor, activitate intensă care trebuie întreținută cumva. Într-un studiu recent, folosind o metodă de imagistică, cercetătorii au comparat mărimea unei zone din creier între macaci și oameni, observînd, printre altele, un volum de 18 ori mai mare al cortexului prefrontal la oameni. Studiul s-a concentrat pe neuronii care produc dopamină și care, în ciuda faptului că oamenii au un creier mult mai mare, nu sînt cu mult mai numeroși la oameni comparativ cu alte primate. Astfel, acești neuroni au de dus o „povară” de activitate mult mai mare decît e cazul pentru cimpanzei sau macaci. Pentru a studia mecanismele care ar putea întreține activitatea sporită a acestor neuroni la oameni, cercetătorii au folosit tot organoide și au arătat că, printre altele, neuronii umani activează gene cu efect antioxidant pentru se proteja de eventuale efecte toxice ale activității crescute. Deși abordarea din astfel de studii comparative e uneori numită și „antropologie celulară”, ele integrează mai multe trepte: de la metabolismul celular la modificări genetice și celulare pînă la efecte de ansamblu asupra activității neuronilor și a zonelor din creier.
Jeanne Hersch scria că fiecare gînditor se miră de ceva: „Facultatea mirării îi este proprie omului”. În biologie, s-ar putea spune că cercetătorii se pot uneori mira la „scară diferită”: de la ioni la gene, celule și pînă la țesuturi și organisme. De fapt, toate aceste aspecte ale analizei sînt legate și devin „trepte” doar pentru a ne fi nouă inteligibile, iar reunirea lor permite o nouă mirare: cea a reconstruirii ansamblului din atît de multe piese.
Laura-Yvonne Gherghina este doctorandă la Departamentul de Fiziologie, Dezvoltare și Neuroștiințe al Universității din Cambridge.
