Biosfera reprezintă totalitatea ființelor vii ale planetei. Biosfera Terrei este distribuită aproape continuu, mai densă ori mai rară, în toate mediile existente pe planetă: pe sol și în subsol (petroliștii au probleme cu microorganismele care proliferează și înfundă puțurile de extracție la adâncimi de până la trei kilometri), în câmpie și la munte (până la altitudinea de nouă kilometri), în deșerturi de piatră, de nisip sau de gheață; pe apă și sub apă (până la adâncimea de unsprezece kilometri), inclusiv în zăpadă și în gheață și chiar în lacurile de sub calota glaciară; în aer, până în stratosferă (până la altitudinea de 15 kilometri), sau chiar mai sus, spre limita spațiului cosmic.
Organismele vii populează nu numai climatul cald sau temperat, ci și zonele aparent ostile: zone fierbinți (în deșert, temperatura poate să depășească 60°C la amiază, iar apele termale pot să depășească temperatura de fierbere, dar găzduiesc bacterii termorezistente), zone reci (în abisul oceanic sunt permanent 2°C, în stratosferă sunt –55°C, iar în zonele polare temperatura scade și sub –80°C), zone uscate (deșerturi în care nu plouă cu anii, altitudini deasupra norilor), medii hiperosmolare sau hipoosmolare (există viețuitoare și în ape extrem de sărate, sau, din contră, în apă de ploaie sau de izvor, în zăpadă și în gheață – medii lipsite practic de săruri minerale). Unele organisme trăiesc în medii hipotrofe – în lipsa aparentă de hrană: alge și fungi care cresc în ser fiziologic sau apă distilata, animale care se hrănesc rar, chiar odată la câțiva ani, bacterii litotrofe (care se hrănesc cu minerale) etc. Iar mediile hipertrofe sunt adevărate paradisuri pentru viețuitoare, în care se concurează pentru hrană și spațiu. Au fost găsite microorganisme și în apa de răcire de la reactoare nucleare (Deinococcus radiodurans rezista la iradiere, dar și la tehnicile curente de sterilizare). Unele microorganisme rezistă la presiune, la hipergravitație sau la imponderabilitate, sau în vid.
Cine sunt „colegii” noștri de biosferă? Sunt toate acele forme de viață, cu entropie negativă (un paradox al fizicii moderne, care contrazice legile termodinamicii), care consumă energie pentru a-și menține structura (anatomia) și funcțiile (fiziologia) și care își codifică (chimic și informatic) toate caracteristicile de specie și le transmit genetic urmașilor.
Biosfera este alcătuită din reprezentanții tuturor regnurilor cunoscute: monere (procariote, obligatoriu unicelulare), protiste (eucariote unicelulare), plante(eucariote pluricelulare fotosintetizatoare), fungi (eucariote pluricelulare heterotrofe) și animale (eucariote pluricelulare mobile, heterotrofe). Dar orice clasificare în biologie este în dinamică: descoperirile noi schimbă grupele, adăugă altele sau le reclasifică parțial pe cele existente. Deja sunt descrise șase specii noi care nu pot fi încadrate în niciunul din regnuri.
Istoria microbiologiei
Grecii antici au clasificat lumea înconjurătoare în categorii, iar Aristotel – încă de acum mai bine de 2.500 de ani – ne-a lăsat clasificări care sunt parțial valabile și azi. Astfel, lumea vie se împărțea în două categorii: animale (ființe care se deplasează) și plante (ființe care nu se deplasează). Evident, Aristotel se referea doar la macroorganisme, deoarece nu avea cum să vadă și microorganismele. Hipocrate, părintele medicinei, chiar dacă le bănuia existența și implicarea în producerea unor boli, nu avea cum să o dovedească. Abia după două milenii a putut fi completată clasificarea lumii vii, a lui Aristotel.
Olandezul Zacharias Janssen a inventat primul microscop în secolul XIV. Un alt olandez, Antonie van Leeuwenhoek, a examinat diverse prelevate – apă, bere, salivă, urină, spermă, sânge – observând tot felul de microstructuri invizibile cu ochiul liber. Unele se mișcau și le-a numit „animalicule”. El spunea că „omul are în gură mai multe animalicule decât este toată populația țării”. Leeuwenhoek a comunicat descoperirile sale Societății regale britanice (prima academie din lume), devenind astfel primul microbiolog.
Dar microbiologia ca știință a fost fondată abia în sec XIX. Chimistul francez Louis Pasteur a cercetat fermentația băuturilor pentru perfecționarea acestora. Se credea că ar fi un proces chimic, dar prin analize și examinare microscopică, Pasteur a observat că se datorează unor microorganisme vii, care produc enzime și induc reacții biochimice specifice. El a pus bazele microbiologiei ca știință și a aplicațiilor ei: microbiologia medicală, veterinară, farmaceutică și a biotehnologiei.
Imperiile invizibile
Astăzi știm că trăim într-o lume a microbilor. Cele mai multe viețuitoare din biosfera Terrei sunt microorganisme, care predomină ca număr de specii, ca număr de indivizi și ca masă totală. Biosfera este deci formată predominant din microbi. Ei sunt adaptați la toate condițiile de viață existente pe toată planeta, în toate mediile posibile, inclusiv pe și în alte organisme vii, formând microbiocenoze în cadrul cenozelor.
Dintre milioanele de specii biologice identificate până în prezent, se consideră că doar 0,1% pot fi dăunătoare pentru noi. Se presupune că de fapt ar exista pe planetă zeci de milioane de specii, deci cunoaștem abia 10% din biosfera propriei noastre planete, iar unele apar, altele dispar sau se modifică. Lumea vie este studiată intens de biologi, de medici, de farmaciști, de veterinari, de biotehnologi, după diferite criterii și în diferite scopuri științifice și practice. Putem să împărțim lumea vie, în ansamblul ei, într-un mare imperiu al procariotelor (unicelulare) și un imperiu al eucariotelor (unicelulare și pluricelulare), formate din regnurile lor și celelalte subdiviziuni ale clasificării biologice.
Imperiul procariotelor cuprinde microorganisme unicelulare primitive, simple, de mici dimensiuni (nm-µm), care nu au un nucleu adevărat, ci doar un precursor al acestuia, format dintr-un singur cromozom (o macromoleculă de ADN cu mii de perechi de baze), care nu este separat prin membrană nucleară de citoplasma celulei și nu are organite. Aici este inclus integral regnul monere, format bacterii și arhee, precum și acelulatele (virusuri și prioni).
La început se credea că bacteriile ar fi plante primitive. Acestea erau studiate la botanică și erau împărțite în: arhebacterii, eubacterii – pe care astăzi le considerăm strămoșii noștri cei mai îndepărtați – și cianobacterii (bacteriile cu pigment albastru-verde pentru fotosinteză), strămoșii plantelor. Dar mai recent, tehnicile de microscopie optică au fost completate prin microscopie electronică și cu tehnica PCR (polymerase chain reaction) de amplificare a ADN-ului. S-a demonstrat astfel că arheele nu sunt bacterii primitive, ele fiind mai mici, dar mai evoluate. Așa că unii le separă în clasificare în două regnuri distincte.
La rândul lor, eubacteriile pot fi clasificate după multe criterii, dar pentru practica laboratorului de microbiologie medicală pare mai utilă clasificarea bazată pe microscopie: bacterii cu perete și bacterii fără perete.
O altă diferențiere constă în faptul că unele bacterii și alte microorganisme pot avea metabolism aerob (utilizează oxigenul atmosferic) sau anaerob (oxigenul este toxic pentru ele), ori forme intermediare. Se presupune că microorganismele anaerobe ar fi urmașele celor mai vechi forme de viață, apărute în urmă cu aproape patru miliarde de ani, când atmosfera planetei încă nu conținea oxigen. Ca urmare, organismele aerobe ar fi mai recente, formându-se în ultimele două miliarde de ani, când atmosfera s-a îmbogățit cu oxigen. Dar este paradoxal faptul că timp de două miliarde de ani, anaerobii au găsit nișe ecologice adecvate pentru a supraviețui, menținându-se în afara contactului cu oxigenul din aer. Unele bacterii anaerobe pot cauza boli infecțioase și toxinoze foarte grave, la animale și la oameni: botulismul, tetanosul, gangrena gazoasă etc. Dar multe bacterii anaerobe colonizează tubul digestiv, inclusiv al omului, intrând în componența florei intestinale normale, împreună cu microorganisme aerobe.
Uneori, bacteriile anaerobe produc infecții mixte în asociere cu bacterii aerobe, inclusiv în zone care teoretic sunt expuse la aer: infecții amigdaliene, abcese vestibulare, plăgi infectate și altele. Se pare că atunci când aerobii consumă oxigenul, creează condiții de anaerobioză și favorizează anaerobii.
Paradoxul virusurilor
Sub nivelul evolutiv al bacteriilor există un alt grup, imens și eterogen, al unor ființe extrem de mici (nm) și de simple, care nu au nici măcar structură celulară, deși biologii spun că „celula este unitatea de bază structurală, funcțională și genetică a oricărui organism viu”. Virusurile sunt microorganisme acelulare (virioni), care au ca material genetic doar o macromoleculă de ARN sau de ADN (niciodată pe amândouă), cu doar câteva sute sau mii de perechi de baze, având un înveliș proteic pentru protecție.
Virionul nu conține apă, deci reacțiile biochimice nu se produc, așa că: nu are metabolism, nu se hrănește, nu respiră, nu excretă și nu se reproduce. Biochimiștii îl consideră o structură biochimică nevie. Dar medicii sunt conștienți că virusurile sunt transmisibile, se multiplică în organismul gazdă și că pot fi omorâte ca oricare alte microorganisme. Deci, dacă pot fi eradicate, înseamnă că anterior erau vii.
Pentru a se reproduce, virusurile trebuie să paraziteze activ o celulă vie (procariotă sau eucariotă), folosind strategii și mecanisme specifice. Celula parazitată este copleșită de invazia internă de virioni, moare și îi eliberează în mediu. Virionii își caută alte celule gazdă și ciclul se repetă, ducând la îmbolnăvirea organismului infectat.
În privința originii virusurilor, am putea să le considerăm ca ființe primitive precelulare, din care au evoluat mai târziu procariotele. Dar virusurile nu se pot multiplica decât parazitând celule funcționale, care încă nu existau pe atunci. Altă ipoteză este că unele procariote ar fi involuat din cauza parazitismului intracelular și au devenit virusuri, fără să mai evolueze ulterior. Dar și această ipoteză este contrazisă de existența virusurilor cu ARN, care nu conțin ADN. Pentru biologi dilema persistă.
Dacă privim structura și funcționarea virionului ca pe un rudiment de celulă, îl putem considera un precursor al organizării celulare, o ființă vie la cel mai redus nivel posibil, care face trecerea evolutivă de la chimic spre biologic (celula procariotă).
Unii autori consideră că adevăratul virus este doar cel care se află în interiorul unei celule parazitate de virion, în care crește – deci are și metabolism pentru nutriție și respirație – și se multiplică după codul său genetic, ca orice altă ființă vie, dar parazită. Conform acestei ipoteze, virionul ar fi doar o formă de răspândire, așa cum sunt sporii sau semințele altor ființe mai evoluate. Virusurile sunt microorganisme cu organizare precelulară, care își transmit caracterele genetice la urmași, organizând materia înconjurătoare într-o anume formă specifică, cu cheltuială de energie, deci cu entropie negativă, caracteristică tuturor ființelor vii. Din punct de vedere biomedical, cred că putem să considerăm, fără a greși, că virusurile sunt ființe vii, deci să le tratăm ca pe orice alt microorganism.
La cealaltă extremă, inferior și față de virusuri, se află prionii – macromolecule proteice infectante –, care pot să cauzeze o serie de boli transmisibile la animale și la oameni: encefalopatia spongioasă bovină (supranumită „boala vacii nebune”), demența Creutzfeld-Jakobs și altele. Mecanismele patogenice încă nu sunt cunoscute exact, dar de la descoperirea lor, la sfârșitul sec XX, s-au făcut progrese majore.
Prionii nu sunt ființe vii, dar ar putea fi considerate și ca forme de trecere de la structuri biochimice spre microorganisme acelulate: se transmit de la bolnavi la sănătoși, cauzează boli specifice, se multiplică în organismul gazda, dar nu au metabolism, organizare specifică sau informație genetică și nu prezintă entropie negativă, caracteristică ființelor vii. Nefiind vii, prionii nu pot fi omorâți, deci metodele curente de dezinfecție și de sterilizare nu sunt eficiente. Aceasta creează mari dificultăți pentru profilaxie și tratament. Ca urmare, în industria farmaceutică, în industria alimentară și în zootehnie au fost adoptate măsuri speciale. Pentru prevenirea transmiterii iatrogene, în industria farmaceutică s-a interzis folosirea oricărei materii prime de la bovine pentru preparare de medicamente, inclusiv fabricarea de vaccin antivariolic (cu virusul Vaccinia, care produce variola vacilor) pe creier de vită. Interdicția este prezentată în documente internaționale ale Organizației mondiale a sănătății.
Organismele eucariote
Evoluția biologică presupune că prin unirea sau înglobarea unor celule procariote și a unor elemente celulare sau precelulare, s-a produs evoluția de la procariote la eucariote. Celula eucariotă este mult mai mare, mai complexă, cu un nucleu bine dezvoltat, cu perechi de cromozomi formați din macromolecule de ADN, cu membrană nucleară și organite celulare. Fiind mai complexe, eucariotele au evoluat mai mult și mai repede. De asemenea, fiind în majoritate vizibile cu ochiul liber, eucariotele au fost cunoscute mai bine și clasificate mai amănunțit, în regnul protiste (eucariote unicelulare, precursori ai pluricelularelor), plante (eucariote pluricelulare fotosintetizatoare, autotrofe), fungi (eucariote pluricelulare, heterotrofe) și animale (eucariote pluricelulare mobile, heterotrofe).
Prin diferențierea celulelor eucariote și specializarea lor, s-au format țesuturi și au apărut eucariotele pluricelulare: regnul plantelor (inferioare și superioare), regnul fungilor (fungii și lichenii) și regnul animalelor (nevertebrate și vertebrate). Celulele eucariote au diferite forme și mărimi, dar sunt mult mai mari față de procariote.
Eucariotele pluricelulare (plante, ciuperci și animale) au și mulți reprezentanți de dimensiuni foarte mici, care nu pot fi văzuți cu ochiul liber sau nu pot fi examinați fără microscop. Unele dintre acestea prezintă interes medical, deoarece pot să cauzeze parazitoze și sunt studiate de: algologie (algele), micologie (ciupercile) și parazitologie (animalele).
Evoluția biotehnologiei
Din cele mai vechi timpuri, omul s-a folosit, chiar fără să știe, de biotehnologie. De aproape zece mii de ani, de când se face agricultură, utilizăm și biotehnologia, pentru cele mai diferite scopuri: conservarea laptelui, cu bacterii lactice și levuri, prelucrarea amidonului din cereale cu levuri, fermentarea sucurilor din plante pentru băuturi cu drojdii, conservarea cărnii cu mucegaiuri, pentru mezeluri, conservarea legumelor, fabricarea acizilor alimentari, prelucrarea pieilor de animale (tăbăcire), prelucrarea fibrelor vegetale (topire) și multe altele.
În domeniul biotehnologiei și industriei farmaceutice, au fost realizate medicamente de origine vegetală, fungică și animală. Se realizează produse biologice pentru profilaxie (vaccinuri) și tratament (seruri terapeutice și imunomodulatori) sau pentru diagnostic, ca reagenți in vitro și in vivo. Se face extracția unor produse de biosinteză (penicilina), semisinteză (ampicilina) sau sinteză chimică după modelul natural (aspirina).
Astăzi, botanica farmaceutică a ajuns cel mai mare „furnizor” de medicamente din lume, direct sau indirect. Se dezvoltă micologia farmaceutică, deoarece fungii secretă diferite principii terapeutice foarte eficiente, de la antibiotice și psihotrope până la antitumorale. Și microorganismele sunt utilizate, în diferite moduri, fie ca atare, fie ca extracte microbiene pentru fabricarea de vaccinuri (antibacteriene, antivirale și anatoxine), seruri terapeutice cu anticorpi, imunomodulatori (imunostimulatori și imunosupresori), sau reagenți (in vivo și in vitro). Învățământul farmaceutic modern încearcă să îi formeze pe studenți și în domeniul biologic, deoarece viitorul terapeuticii va fi bazat mai mult pe biotehnologie și mai puțin pe chimie.
Organismele modificate genetic
Datorită progreselor ingineriei genetice, pot fi cunoscute și modificate genetic orice ființe. Astfel, prin culturi microbiene continui se pot obține cantități mari de substanțe utile în diferite industrii, în primul rând în industria farmaceutică. Un exemplu este hormonul de creștere, care anterior se extrăgea din glanda hipofiză de la cadavre umane, în cantități foarte mici și cu riscul transmiterii unor agenți infecțioși.
În prezent, s-a reușit crearea de noi organisme prin hibridizare, sau chiar integral sintetice, obținându-se organisme care nu există în natură. S-au construit genetic virusuri și bacterii conform unei proiectări moleculare, cu un scop practic nedefinit, dar care prezintă un pericol potențial incalculabil. În spatele admirației pentru performanța științifică de excepție, se ascunde spaima cu privire la posibile utilizări dăunătoare, cu sau fără rea intenție.
Este evident că viitorul industriei farmaceutice este biotehnologia, în sens larg, iar știința farmaciei se va reorienta din nou spre biologie, atât pentru producerea de medicamente, cât și pentru aplicarea tratamentului. Metodele și tehnicile de biologie moleculară genetică vor revoluționa biotehnologia farmaceutică, contribuind la găsirea de noi molecule terapeutice, la aplicarea de noi proceduri terapeutice și la administrarea personalizată a terapiei, conform principiului „nu există boli, ci bolnavi”.
Cunoaștem deja milioane de specii de viețuitoare din toate regnurile și fiecare zi aduce noi descoperiri. Unele viețuitoare ne sunt utile, nouă sau mediului înconjurător, altele sunt dăunătoare sau chiar patogene. Pe multe le vom putea cultiva, selecționa sau modifica, pentru a obține molecule active utile pentru biotehnologie. Omul are un fond genetic comun cu toată biosfera. Asta explică și de ce bolile, ca și tratamentele, se aseamănă, de ce putem folosi medicamente de origine vegetală sau animală pentru corectarea unor disfuncții sau pentru vindecarea unor boli.
În concluzie, biosfera reprezintă totalitatea viețuitoarelor de pe planetă, din care facem parte și noi. Privind biosfera în ansamblul ei, ajungem de la microbiologie la biotehnologie, care utilizează industrial componentele biosferei pentru interesul omului. Biotehnologia farmaceutică reprezintă idealul și viitorul industriei farmaceutice și al terapeuticii.
