Rezistenta bacteriilor la antibotice a fost considerata de multi ca fiind o dovada a evolutiei neodarwiniene, devenind o mantra repetata atat pe oxigen2.com cat si pe alte bloguri. Pe de alta parte, eu am afirmat in repetate randuri ca aici nu este vorba de evolutie asa cum este conceputa de sinteza moderna, ci de adaptare la mediu. Recent, intr-o discutie de subsol s-a ridicat intrebarea: care este diferenta dintre evolutie si adaptare? In acest articol voi incerca sa raspund prezentand, pe scurt, ce spune sinteza moderna despre modificarile organismelor, de ce adaptarea la mediu nu este un mecanism neodarwinian, si cum putem intelege rezistenta bacteriilor la antibiotice.
Ce spune sinteza moderna despre modificarile organismelor?
Darwin nu a stiut nimic despre mecanismele de modificare genetica si transmitere a caracteristicilor de la o generatie la alta, de aceea teoria evolutionara darwiniana nu are nimic de spus aici. In Originea Speciilor Darwin afirma:
“It may be said that natural selection is daily and hourly scrutinising, throughout the world, every variation, even the slightest; rejecting that which is bad, preserving and adding up all that is good; silently and insensibly working, whenever and wherever opportunity offers, at the improvement of each organic being in relation to its organic and inorganic conditions of life.” [Darwin 1872, pp. 82-84]
Opinia lui Darwin a fost contrazisa la scurta vreme de la publicarea manuscrisului. Pe masura ce au fost redescoperite cercetarile lui Mendel de catre Hugo de Vries si genetica se dezvolta tot mai mult in sec. XX, teoria darwiniana este reconfigurata pentru a se include noile cunostinte despre genom, acel loc unde se produc mutatii, fie la copiere (reproducere), fie sub influenta unor fenomene nefavorabile cum ar fi radiatia solara sau agenti chimici toxici. Aceasta reconfigurare este cunoscuta sub numele de sinteza evolutionara moderna. A oferit aceasta noua abordare o explicatie in ce priveste modificarile organismelor si transmiterea lor generatiilor urmatoare? Da, a oferit, insa mecanismul propus pur si simplu nu functioneaza. In cadrul sintezei moderne “adaptarea la mediu” trebuie pusa in ghilimele, adica nu este o actiune voita a organismelor de a se adapta pentru a supravietui, ci este o actiune indirecta si neintentionata, o consecinta a actiunii selectiei naturale careia i se ofera capacitatea de a favoriza doar supravietuirea organismelor care poseda atributele avantajoase in anume situatii de mediu. Ordinea in care se petrec lucrurile, dupa cum spune sinteza moderna, ar fi urmatoarea:
- Mutatiile aleatorii se produc in mod continuu si indiferent de nevoile organismului. Ele genereaza inovatii care se exprima la nivelul fenotipului prin modificari, deci se creeaza niste mutanti, niste organisme diferite decat cele din care au provenit.
- Selectia naturala (mediul) actioneaza apoi asupra acestor inovatii/mutanti si cei care prin natura imprejurarilor si modificarilor suferite in prealabil sunt mai bine echipati, vor supravietui si se vor multiplica in mod avantajos.
Aceasta explicatie NU reprezinta ceea ce se intampla in realitate!
De ce adaptarea la mediu nu este un mecanism neodarwinian?
In primul rand pentru ca adaptarea la mediu este un proces diametral opus decat ceea ce propune modelul neodarwinian. Insusi termenul “adaptare la mediu” sugereaza ca organismul se adapteaza in mod activ, intentionat, la schimbarile sau conditiile de mediu. Desi Darwin a intuit ca mediul provoaca modificari adaptive ale organismelor, sinteza evolutionara moderna a respins categoric aceasta notiune deoarece aceste modificari nu puteau explica conceptul stramosului comun. Singura solutie care s-a parut potrivita erau mutatiile aleatorii si selectia naturala proiectate pe fundalul timpului abisal. Dezvoltarea ulterioara a geneticii si cunostintele tot mai aprofundate despre genom au demonstrat totusi ca “motorul” evolutiei (mutatii aleatorii + selectie naturala) nu functioneaza. Neodarwinismul este astazi depasit si respins de catre multi biologi. Astazi se stie ca celula vie, fie ca vorbim despre organisme unicelulare (procariote) sau organisme multicelulare (eucariote), este capabila sa perceapa si sa distinga stimulii sau stresorii atat din afara (mediu), cat si din interior (efecte ale mutatiilor negative), si sa-si modifice genomul prin mutatii ne-aleatorii, adaptive, cu scopul de a supravietui si a se perpetua. Studiind ceea ce se intampla in natura, biologii specializati in microbiologie au aratat ca ordinea lucrurilor in ce priveste adaptarea este inversa decat in neodarwinism.
- Mediul in care traieste un organism exercita o anume presiune, un stress asupra organismelor vii. In special cand exista schimbari ale conditiilor naturale, acest stress provoaca actiuni de adaptare din partea organismelor.
- Celula vie sesizeaza conditiile de mediu si se adapteaza in scopul supravietuirii printr-un numar impresionant de mecanisme ne-aleatorii, inclusiv prin modificarea propriului genom si prin utilizarea numeroaselor module de control si reglaj existente in genom in portiunea care mult timp a fost considerata “junk DNA”.
Cum intelegem rezistenta bacteriilor la antibiotice?
Adesea ea a fost interpretata ca o exemplificare a “evolutiei in actiune”. Totusi, exista multa confuzie in ce priveste mecanismele prin care se realizeaza aceasta rezistenta. Sa fie vorba aici de o evolutie darwiniana asa cum este sugerat (mutatii aleatorii + selectie naturala) si bacteriile care rezista antibioticelor sunt doar rezultatul inconstient al unei selectii oarbe? Sau este vorba despre o adaptare la mediu prin procese ne-aleatorii ale unui organism sensibil la stimulii din mediu?
Intre anii 1950-1967, avand la baza perspectiva neodarwiniana, era la moda teoria ca bacteriile dobandesc rezistenta prin mutatii aleatorii. S-a demonstrat in mod empiric ca in cazul unor antibiotice, ca streptomicina, o singura mutatie putea modifica ribozomul astfel incat antibioticul isi pierdea eficacitatea, rezultand o rezistenta foarte puternica. In alte cazuri, o singura mutatie nu era suficienta, ci era nevoie de o serie de mutatii care sa duca la rezistenta. Astfel, in perspectiva neodarwiniana, aceste mutatii multiple aveau sa aiba un efect secundar negativ, ducand la o incetinire a ritmului de reproducere a bacteriei. S-a crezut ca dobandirea rezistentei la antibiotice va avea in general un efect nefast asupra bacteriei si va duce chiar la distrugerea ei datorita mutatiilor care s-ar fi acumulat. Teoria s-a dovedit a fi falsa. Pe masura ce se inventau antibiotice noi, bacteriile continuau sa se adapteze la noile conditii, spre surprinderea cercetatorilor. Studiile efectuate in special dupa anii 1960 in Japonia au aratat ca bacteria nu dobandea rezistenta la antibiotice prin mutatii aleatorii, ci prin acapararea de elemente genomice transmisibile (plasmide) care codau o varietate de activitati biochimice care blocau activitatea antibioticului.[1] Unele functii deactivau antibioticul prin hidroliza (penicilina) sau modificare chimica (cloramfenicol, streptomicina). Alte functii pompau antibioticul in afara celulei (tetraciclina), in timp ce altele modificau chimic tinta antibioticului (eritromicina) sau substituiau activitatea de rezistenta la drog cu aceea de toleranta (sulfanilamida, trimetoprim).
James Shapiro aminteste trei lectii importante care au fost invatate prin aceste studii.
- Transferul pe orizontala a moleculelor de AND este larg raspandit in natura. S-a documentat ca toate procariotele si unele eucariote sunt capabile sa cedeze sau sa preia secvente de ADN de la alte celule. Acest tip de transfer pe orizontala este opus ideii de transfer pe verticala de tip neodarwinian care sta la baza alcatuirii “arborilor vietii”.
- Celulele sunt capabile de inginerie genetica naturala, integrand si prelucrand elemente genetice (ADN) prin transpozitie si prin recombinare specifica unei anume locatii. Incepand cu Barbara McClintock, Lynn Margulis, James Shapiro si multi altii, s-a demonstrat ca organismele, chiar si in forma cea mai simpla de procariote, poseda inteligenta. Desigur, termenul trebuie inteles intr-un sens mai larg decat cel obisnuit si se refera la capacitatea organismelor de a fi constiente de mediul de viata si de a fi capabile de masuri adaptive care sa asigure supravietuirea si perpetuarea speciei.
- Nu exista bariere taxonomice de netrecut in ce priveste transferul pe orizontala a moleculelor de ADN. Aflate in proximitate, procariotele si microbii eucariotici schimba in mod liber si frecvent portiuni de DNA. Secvente de ADN ale bacteriilor endosimbiotice sunt integrate in ADN-ul gazdei, bacteriile imprumuta secvente de ADN de la virusi, virusii de la bacterii, plantele de la bacterii, etc. Procariotele folosesc adesea transferul pe orizontala pentru a se acomoda diferitelor zone ecologice prin utilizarea unor secvente genetice specializate, cum ar fi plasmidele si transpozonii conjugativi. Atat Margulis cat si Shapiro recunosc aportul unor biologi canadieni, Maurice Panisset si Sorin Sonea (un roman nascut la Cluj in 1920), care in 1983 au publicat lucrarea A New Bacteriology[2] in care au argumentat ca bacteriile nu pot fi clasificate pe specii, ca eucariotele, ci apartin unei singure mari categorii. Ei au aratat ca bacteriile nu contin un set fix de ADN ci isi schimba functiile si forma (inclusiv secventa genetica) in functie de conditiile de mediu si, mai mult, ca fac asta in mod instant folosind intregul arsenal de gene disponibile pe care le preia fie de la bacterii moarte sau vii din zona in care se afla.
Exista un volum considerabil de studii care fac o legatura directa intre administrarea antibioticelor si proliferarea rezistentei bacteriilor la acestea. Sa nu uitam ca aceste bacterii sunt in definitiv niste organisme care nu fac decat sa lupte pentru supravietuire si, in mod indirect, pentru perpetuarea speciei. Un articol recent publicat pe phys.org[3] vorbeste despre inca o cale prin care bacteriile evita efectele antibioticelor, si anume, ele isi schimba ciclul de dezvoltare si inmultire adoptand o stare “dormanta”. Antibioticul de regula afecteaza modul de transcriptie a informatiei din mARN care duce la formarea proteinelor, insa prin adoptarea acestei stari dormante acest proces este suspendat, asta facand antibioticul fara efect. Adoptarea acestei stari de suspendare a activitatii de inmultire nu este rezultatul unor mutatii in genom, ci se pare ca este o caracteristica intrinseca a comportamentului bacteriilor. Dupa ce “pericolul” a trecut, adica nu se mai administreaza antibioticul, bacteriile revin la activitatea normala de inmultire si dau nastere la bacterii care si ele vor fi susceptibile de a fi atacate de antibiotic in viitor. Parerile intre microbiologi difera: unii spun ca schimbarea aspectului fenotipic este un fenomen stochastic (aleatoriu), altii spun ca o populatie de bacterii contine in permanenta un procent mic de astfel de celule dormante, iar cei de seama lu Shapiro spun ca bacteriile pur si simplu recurg la acest mecanism reversibil atunci cand sunt in pericol, adica este o reactie de adaptare la mediu.
Ironia unui articol publicat pe 11 Aprilie 2016 pe phys.org[4] din paradigma neodarwiniana este ca in timp ce antibioticele sunt considerate ca o forta selectiva ce avantajeaza bacteriile care deja suferisera mutatii aleatorii, pe de alta parte aminteste ca acele mutatii sunt de fapt transfer pe orizontala! Cum spuneam alta data, neodarwinismul ar include tot ce apare nou, doar-doar va supravietui si el. Dar … in zadar.
_______________________________________________________
[1] Shapiro, James Alan. Evolution: A View from the 21st Century. Upper Saddle River, NJ: FT Science, 2011. 91. Print.
[2] Sonea, Sorin, and Maurice Panisset. A New Bacteriology. Boston, MA: Jones and Bartlett, 1983. Print.
[3] http://phys.org/news/2016-03-daily-dose-antibiotics-bacteria-multi-drug.html#nRlv
[4] http://phys.org/news/2016-04-antibiotics-dont-swapping-resistance-genes.html
