Da li je moćniji dizajn ili evolucija? Problematika dizajniranja enzima

Reakcije koje se dešavaju u organizmima ne mogu uvek same da se finaliziraju. U tim situacijama im pomažu enzimi. Enzimi su neophodni za život kakav poznajemo, jer su mnoge reakcije koje se odvijaju u ćelijama organizma prespore i bez enzima (koji ih ubrzavaju) bi vodile do bitno drugačijih produkata koje organizmu ili ne trebaju, ili bi mu čak štetili. Jedna greška (genetska mutacija, nedovoljna proizvodnja, ili hiperprodukcija) jednog jedinog enzima može biti glavni uzrok teških genetskih poremećaja.

Zapravo, svaka biohemijska reakcija ima svoj specifični enzim, mada postoje i enzimi koji mogu katalizirati (ubrzavati) više reakcija. Prisutnost enzima na ovaj način omogućava izuzetno komplikovane hemijske cikluse u organizmima uključujući i one koje organizmi koriste za metabolizam. Čist primer, pepsin i tripsin koji se koriste u procesu probave proteina, ili recimo enzim Glyoxalase I, jedan od najkritičnijih bez kojeg naše ćelije ne bi mogle vršiti detoksifikaciju.

3D model enzima Glyoxalase I  poznatog i kao
Laktoilglutationska lijaza (EC 4.4.1.5).

Do danas je poznato preko 5000 enzima. Svi ovi enzimi podeljeni su prema reakcijama koje kataliziraju u šest grupa i svi imaju svoju oznaku u međunarodno prihvaćenom indeksu. Enzimi se takođe svakodnevno koriste i u proizvodima kao što su deterdženti za sudove, veš, i razne druge kućne hemikalije, zbog ovih industrijskih potreba postoji veliko interesovanje da se proizvedu veštački enzimi koji bi katalizovali reakcije važne upravo za industrijsku proizvodnju.

Decenijama se pokušava sa namernom proizvodnjom enzima koji bi radili ono što mi želimo da rade, uglavnom bez uspeha. U većini slučajeva, namerni dizajn počinje od već postojećeg enzima, koji se zatim "inžinjeriše" da postigne nešto veću efikasnost, ili malkice promenjenu specifičnost.

Pre nekoliko godina, Jiang i kolege su pomoću racionalnog kompjuterskog dizajna proizveli enzim (retro-aldolazu RA95.0) koji katalizuje veoma preciznu i veoma specifičnu hemijsku reakciju (hidroliza 4-hidroksi-4-(6-metoksi-2-naftil)-2-butanon u 6-metoksi-2-naftaldehid i aceton). Ova reakcija se događa sama od sebe, ali veoma sporo; enzim je ubrzava oko 15,000 puta.


Kompijuterski dizajnirani enzim retro-aldolaza RA95.0.

Mada cifra od 15,000 izgleda impresivno, radi se o veoma malom efektu. Ovo je i dalje neuporedivo sporije i neefikasnije od prirodnih enzima. Ali je lep uspeh ideje da se može dizajnirati enzim koji na svojoj površini ima specifično mesto vezivanja potrebne hemikalije, i specifične amino-kiseline koje precizno izvode baš određenu reakciju.

U novom tekstu za Nature Chemical Biology, Giger i kolege su nastavile ovaj proces drugačijom metodom. Umesto racionalnog dizajna pred kompjuterom, uzeli su originalni protein i počeli da u njega unose potpuno slučajne mutacije. Onda bi analizirali mutante, uzeli onaj koji radi najbolje, i na njemu izveli sledeću seriju slučajnih promena.

Rezultat ?

Kroz prirodnu selekciju, proizveli su enzim koji ubrzava reakciju za faktor od 25 miliona. Dakle, rezultat koji je hiljadama puta bolji. Što je najzanimljivije u celoj stvari, mutacije su potpuno promenile mesto na kome se reakcija odigrava. Jiang i kolege su provele godine (i bezbrojne hiljade sati superkompjuterskog vremena) pažljivo "gradeći" aktivni "džep" originalnog enzima. Precizno su orjentisali sve delove proteina tako da dobiju što bolji rezultat.

U ovom novom eksperimentu, očekivanje je bilo da će slučajne mutacije možda malkice optimizovati i unaprediti to početno stanje. Da će dizajnirani oblik ostati isti, ali da će selekcija naći dodatna mala unapređenja koja su ljudi prevideli.

To se nije desilo. Naprotiv, niz slučajnih mutacija je taj džep potpuno uništio, proizveo potpuno novi i drugačiji džep na drugom mestu (koji mnogo preciznije vezuje početnu supstancu), i regrutovao sasvim neočekivanu amino-kiselinu da katalizuje centralni deo reakcije daleko većom brzinom.

Petim rečima, slučajne mutacije + selekcija su ne samo proizvele rezultat koji je neuporedivo bolji od namernog dizajna, već su to uradile potpuno ignorišući osnovne principe na kojima je dizajn uopšte rađen. Evolucija je prosto neuporedivo bolji i efikasniji proces nego racionalni dizajn.

Zvanična studija:
Evolution of a designed retro-aldolase leads to complete active site remodeling.
Nature Chemical Biology 9, 494–498 (2013) doi:10.1038/nchembio.1276

Reference



Oblasti: , , ,

Evolucija životinjske svesti: Neuralne strukture za razvoj primitivne dvodimenzionalne svesti i ego-centra

Bez obzira da li je rodjeno kao čovek, pas, lemur, mačka, oktopod ili ptica, svako od ovih bića stiče predstavu o svetu na osnovu svojih čula. Ono oseća miris, ukus,dodir i temperaturu sveta oko sebe. Ono se seća mesta gde je bilo, razlikuje svetlost od tame, prepoznaje zvuke, oblike, hranu, skrovište i druge jedinke oko sebe. Beži od svojih predatora i pažljivo prilazi partneru u vreme parenja. Kada spava izgleda nam kao da sanja. Sasvim je jasno da ono nije samo biološki mehanizam odvojen od unutrašnjeg iskustva. Reći da takvo biće nije svesno je apsurd, toliki apsurd kao kada bismo rekli da komšija u susednom dvorištu nije svestan.

Ali zašto i kako je evoluirala svest? Ovo je jedno od najfascinantnijih pitanja nauke tako da ne iznenadjuje činjenica da prosta pretraga "evolucija svesti" na Google.com daje obilje sumnjivih pseudonaučnih tekstova, svakakva objašnjenja i preterivanja sa kvantnom fizikom, New age ideologije, religijsko-dogmatska prosvetljenja, itd. Uglavnom, sve drugo osim jednog iole pristojnog uvoda u biologiju svesti. U narednom tekstu pokušaćemo da zagrebemo dublje u tu problematiku, a odgovore ćemo pokušati da potražimo medju onima koji se ovom temom bave daleko ozbiljnije, onima koji su njoj posvetili decenije pažljivog i disciplinovanog naučnog rada, kao što su neuronaučnici. Neuronauka se nalazi na samoj granici izmedju istraživanja mozga i uma te su nam njeni odgovori od presudne važnosti ako želimo da fenomen životinjske svesti shvatimo što jasnije.

Sledeći pdf je rad poznatog švedskog neuronaučnika Bjorn-a Merkera, objavljen pod originalnim nazivom: "Consciousness without a cerebral cortex: A challenge for neuroscience and medicine". Rad predstavlja jedan od najznačajnih naučnih radova na polju evolucije svesti koji se pojavio u protekloj deceniji. Dugačak je oko 70 strana i objedinjuje rezultate stotine studija vršenih u ovoj oblasti. Možda zahteva malo više vremena za čitanje ali je topla preporuka svima koji su zainteresovani za najfascinantnije pitanje nauke - proces evolucije svesti. Rad takodje sadrži i komentare i kritike drugih naučnika - kako podržavajuće tako i osporavajuće. I njih svakako treba pažljivo pročitati.

Merkerov tim iznosi teoriju da je nervni sistem izrodio proto-svest još na samom početku evolucije hordata, u vreme kada su najsavršenije životinje bili najprimitivniji hordati poput amfioksusa. "Analogna simulacija sveta", kako Merker naziva početnu strukturu, je nastala kao nadogradnja evolucije vizuelnog sistema i koja je ostala smeštena u "tesnacu" srednjeg mozga, izmedju najviših centara u moždanom stablu i hipotalamusa. Takva primitivna svest, nastala kao rezultat analogne simulacije je bila izuzetno ograničena - najbolji prikaz je dvodimenzionalno polje sa objektima koji su predmet interesa jedinke, posmatranih iz njenog ego-centra. Dvodimenzionalna svest je postepeno proširivana razvojem naprednih struktura kao sto su talamus i na posletku neokorteks koje su u analognu simulaciju donosili još više detalja i povećavali kvalitet sadržaja a što je vremenom kulminiralo sa onim što danas zovemo "reflektivna svest" koja je verovatno dar samo najrazvijenijih sisara. Izmedju ostalog, Merkerov tim pokazuje i to da svest ne "stanuje" u nekorteksu kao što je većina istraživača ranije mislila već na evoluciono mnogo starijim i dosta "nižim" strukturama srednjeg mozga.

"Mozak" kopljaste ribice zvane Amfioksus

Za početak priče bacimo pogled na to kako izgleda jedan veoma primitivan nervni sistem. Amfioksus (Branchiostoma lanceolatum), ili kopljasta ribica kako ga još zovu je vrsta veoma primitivnih hordata. Iako se od grane kičmenjaka odvojio još pre nekih 520 miliona godina smatra se jednim od predaka svih današnjih riba. Amfioksus i dan danas postoji i može se naći u plitkim zonama mora gde živi zariven u pesak na morskom dnu, dug je oko 10 cm i nema kompleksnijih organa koje imaju kičmenjaci. Providan je i ispod kože ima mišiće rasporedjene u dve grupe koje se pružaju duž bokova tela.  Pored činjenice da je i dan danas prisutan i da mu anatomija tela i genom sadrže mnoge odgovore, ne čudi što se ova životinjica u savremenoj biologiji koristi kao model pri izučavanju evolucije i razvoja kičmenjaka. Gradja amfioksusa je toliko jednostavna da zaista predstavlja šemu za razumevanje gradje kičmenjaka.

1. mozak; 2. notohorda; 3. nervna cev; 4.analno peraje; 5. analni otvor; 6. crevo; 11. ždrelo; 13. usne treplje; 14. usni otvor; 16. svetlosni receptor; 17. nervi;

Na ledjnoj strani od glave do repa proteže mu se osovinski organ tj. horda (nalik kičmi). Iznad horde nalazi se krvni sud i glavni nerv u obliku cevi sa kojeg polaze rasporedjeni nervi, po dva u svakom segmentu. Za razliku od kičmenjaka, ovaj nerv duž njegove kičme nije zaštićen koskom već je samo cilindar nanizanih ćelija. U delu glave ovaj nerv postaje zadebljaniji, tako da se ne može reći da amfioksus ima pravi mozak. Ipak istraživanja pokazuju da i takav amfioksusov "mozak" ima primitivni hipotalamus. Amfioksus nema razvijene oči već svetlosne senzore, na koži i ustima ima čulne ćelije koje primaju nadražaje i prenose ih na nervni sistem. A na trepljama pored usta ima čak i čula za miris.

Kod kičmenjaka, poznato je da hipotalamus kontroliše motivaciona stanja životinje i hormonalnu sekreciju (proizvodnju hormona) tako što oslobadja hormone koji potom nervnim vlaknima odlaze u hipofizu koja zatim oslobadja hipofizne hormone koji će delovati na periferne endokrine žlezde u telu. U hipotalamusu se nalaze i centri koji kod životinje iniciraju glad, agresivno i defanzivno ponašanje kao i seksualni nagon. Skorije istraživanje pokazuje da i takav Amfioksusov hipotalamus (koji je toliko primitivan u odnosu na hipotalamus sisara) takodje vrši hormonalnu sekreciju.  Što je još zanimljivije, u njegovom mozgu pronadjeni su i monoaminski neuroni, to jest neuroni koji sadrže neke od neurotransmitera a koji su hemijske suspstance koje imaju izuzetno važnu ulogu u nervnoj komunikaciji i kod složenijih organizama. Sve ovo još jednom potvrdjuje da je arhitektura i gradja ovih nervnih struktura nastala još u dalekoj evolucionoj prošlosti.

Razmotrimo sada zašto bi takva struktura kao što je "analogna simulacija sveta" uopšte nastala ?

Osnovne potrebštine za opstanak životinje, kao što su hrana, sklonište ili druga jedinka za parenje se obično ne nalaze na istom mestu u bilo koje vreme. Svaka od tih potrebština zahteva različita i često nekompatibilna ponašanja (lov ili bežanje od predatora, hranjenje, udvaranje, parenje, itd). Svako od tih ponašanja životinje se odvija pod ograničenjem višestrukih ciljeva ili motiva nasledjenih tokom evolucije. Životnja ne može u isto vreme da se hrani, da beži od predatora i da se pari jer svako od tih ponašanja ima različite zadatke. Zbog toga zadaci koji su  postavljeni od strane tih ciljevа su u nekoj vrsti medjusobne konkurencije jer :

  • Zahtevaju resurse (energiju) koju životnja mora uložiti u njih.
  • Mogu se izvršavati samo u trenutnom vremenu (u sadašnosti, tj senzornoj "realnosti") i životinja može istovremeno izvršavati najčešće samo jedan od njih.

Ovo uslovljava potrebu za odredjenom vrstom postavljanja prioriteta (koji zadaci imaju prednost?) i sekvenciranja (uspostavljanje niza i redosleda kojim će ih organizam obavljati). Zanimljivo je da se istom problematikom "akcija-selekcija" bavi i robotika (Bruce Blumberg 1994, kompletan pdf). Dakle, potrebe (emocije) koje zahtevaju vreme i resurse nalaze se sa jedne strane "jednačine odlučivanja", sa druge strane jednačine nalaze se raspoložive mogućnosti (svet). Mogućnosti su rasute svuda u životnoj sredini koju životinja naseljava, promenjljive su i nepredvidive te zahtevaju da često budu uvek iznova otkrivane. Dakle, ciljevi i zadaci sa jedne strane, resursi i mogućnosti sa druge i organizam u sredini koji je primoran da donosi odluke i vrši stalnu evaluaciju zadataka u koje će uložiti sopstvene resurse (energiju).

Ovde dolazimo do osnovnog postulata :

Evolutivna prednost imanja sistema koji je u stanju da koordinira ciljeve jedinke (njenu budućnost), memoriju jedinke (prošlost) sa svetom u kome ta jedinka živi (sadašnjost tj. senzorna "realnost").

Drugim rečima, priroda je morala da nadje neki način da poveže te tri različite "dimenzije". Životinja koja je bila u stanju da razvije bolju koordinaciju i što adekvatniju selekciju ponašanja, prioritete i sekvenciranje zadataka (makar ti boljitci bili veoma primitivni i krajnje minimalni) uspevala je da stekne evolutivnu prednost u odnosu na ostale jednike. Primera radi, ako ste biće koje živi u vodi i ako ste samo za nijansu sposobniji da razlikujete tamnu vodu od svetlije (koja je toplija i ima više hrane) verovatno ćete povećati svoje šanse za preživljavanje i ostavljanje potomstva.

Ovde postoji još jedan važan problem. Utvrdjivanje prioriteta i sekvenciranje zadatka (evaluacija) nije ni malo jednostavna stvar već se ceo proces mora odvijati u realnom vremenu (engl. real-time). U suprotnom, neće biti baš neke koristi od evaluacije akcije ako vam se predator približava a vama treba 5 minuta da je obavite. Zbog toga, kao supstrat u kojem se odigrava ova mašinerija za donošenje real-time adekvatnih akcija, Merker predlaže "analognu simulaciju". Ali da li je takav sistem mogao nastati "sam od sebe" i koji su preduslovi bili potrebni da se ispune da bi do njega došlo ? Prilika za ovakav sistem se desila formiranjem - primitivnog hordatskog vizuelnog sistema, i to kao nusprodukt rešenja za sasvim drugi problem.

Ubrzo ćemo videti kako je nadgradnja multi-modalnih sistema (pogotovo čula vida i internih "senzora" vezanih za osnovne potrebe organizma) ključno uticala na dalji proces evolucije proto-svesti.

Kada su se pojavili prvi organi čula vida i kako su nastali?
Mi danas sasvim jasno znamo kako je počela i kojim koracima je tekla evolucija oka. Znamo da je rodopsin nastao još u doba kada su na svetu postojali samo jednoćelijski organizmi i da su ga prvobitni organizmi koristili u svojoj ćelijskoj membrani kao signal na osnovu koga su mogli da odrede sa koje strane dolazi svetlost - veoma važna stvar u vodi, ako znate barem gde je dubina i tama a gde površina (svetlost) može biti presudno za opstanak. Poznato je i detаljno opisano kako je tekla agregacija, mutacije koja izazivaju grupisanja fotosenzitivnih ćelija i nastanka primitvnog čula vida. Jedan jako lep i sažet opis evolucje čula vida od pra očiju do očiju koje imaju današnji sisari dat je u ovom tekstu toplo ga preporučujemo kao bi vam naredni deo teksta bio jasniji

Superiorni kolilkulus i mehanizmi kompenzovanja pokreta oka

Vizuelni sistem donosi vrlo specifičan problem koji nije postojao sa čulom mirisa. Oko koje može da se pomera (u telu koje se takodje pomera) sa svakim svojim pomerajem kompletno menja "sliku" koju šalje centralnom nervnom sistemu (CNS-u). Zbog toga, priroda je morala da razvije mehanizam za kompenzovanje pomeraja oka, tj. deo nervnog sistema koji će biti u stanju da, najjednostavnije rečeno, koriguje "sliku" koju šalje čulo vida prema tome kako se jedinka kreće. U suprotnom organizam i ne bi imao veću korist od samog oka jer bi svaka nova slika koju oko šalje CNS-u pravila sve veći haos u količini informacija i vodila u opštu dezorjentisanost životinje.

Ovde dolazi do formiranja najranijeg egocentričnog koordinatnog sistema i neuralnih konekcija izmedju motornih centara koji pokreću oko/glavu i senzornih centara koji primaju informaciju iz oka. Deo CNS-a zadužen za ovo je Superior colliculus (lat. gornji breg), struktura koja je konzervirana kod svih kičmenjaka (uključujući ovde i čoveka) a koja je i kod najviših primata zadužena za koordinaciju pokreta očiju i pružanje bazične informacije o položaju objekata koji se nalaze u blizini jedinke.

Strukture srednjeg mozga su ključne za proizvodnju pokreta, bola i ponašanja specifičnih za datu vrstu. Tektum (krov) je pozicioniran dorsalno a Tegmentum (pod) ventralno. Tektum prima masivnu količinu senzornih informacija od očiju i ušiju. Optički nerv šalje veliki snop nervnih vlakana prema Superior Colliculusu, dok Inferior Colliculus prima audio infomacije. Tektum na ovaj način ne obradjuje samo senzorne informacije već i proizvodi orjentisano ponašanje u odnosu na senzornu realnost (spoljašnji svet). Tipičan primer za ovo je okretanje glave kada želite da čujete odakle zvuk dolazi.


Superiorni kolikulus se naziva i kao optički tektum i zadužen je za reflekse na video signal iz oka. Ključna je komponenta u mozgu mnogih životinja a njegova pozicija gde se nalazi ispod talamusa u srednjem mozgu govori da je evolucijom nastao mnogo ranije od ostalilh moždanih struktura koje se nalaze iznad njega. Odmah ispod njega u istom delu srednjeg mozga nalazi se i Inferiror colliculus (lat. donji breg, jer kao što se vidi na slici pozicioniran nešto malo ispod) a koji obradjuje zvučne (audio) reflekse koji dolaze od čula sluha. Inferiorni i superiorni kolikulus nazivaju se zajedno i kao tektum (lat. krov). Ono do čega su neuronaučnici došli istražujući tektum jeste to da on predstavlja specifično mesto u mozgu gde su spoljašnji nadražaji bukvalno topografski predstavljeni u slojevitoj strukturi. Broj slojeva u tektumu se razlikuje od vrste do vrste ali uvek je prisutna ista arhitektura. Površinski slojevi su senzorni i primaju informacije od oka i drugih čulnih sistema. Dublji slojevi su motorni, sposobni da aktiviraju pokrete očiju, kao i druge odgovore.


Svaki sloj u tektumu sadrži topografsku mapu koja predstavlja retinotopske koorindate (mapirane prema retini u oku) koje omogućavaju da aktivacija neurona u odredjenoj tački na mapi uzrokuje neuro motorni odgovor upućen prema odgovarajućoj tački u prostoru oko jedinke. Ovo bi bilo analogno sa običnom računarskom tastaturom gde se digitalni signal pritiskom na odredjeni taster mapira u ASCII karakter na ekranu.


U jednoj od studija koja je istraživala ulogu optičkog tektuma u orjentaciji tela i lokomotornim aktivnostima
na zmijuljicama (engl. Lampreys) naučnici su uspeli da električnom stimulacijom odredjenih regija tektuma
pozicioniraju oko životinje. Crvene strelice predstavljaju pokrete desnog a plave levog oka. 
Izvor : Tectal Control of Locomotion, Steering, and Eye Movements in Lamprey


Kod primata (uključujući ovde i čoveka) optički tektum ima bitnu ulogu u orjentaciji jedinke, procesima okretanja i usmeravanja glave u prostoru, pokretima poseganja rukom ka predmetu, itd. Kod drugih vrsta optički tektum je zastupljen u mnogo širem spektru odgovora, uključujući nekad i celo telo, hodanje kod pacova, plivanja ribe, let ptice, itd. Kod nekih vrsta tektum je jedan od najvećih delova mozga. Zanimljivo je da recimo slepi miševi koji vrše eholokaciju zvukom i baziraju orjentaciju prema njemu, imaju znatno izražen audio tektum koji je tokom evolucije preuzeo mnoge uloge optičkog tektuma. Stvar je prosta, životinja se jednostavno rečeno, preorjentisala na zvuk.

Dobro, da li je ovaj optički mehanizam prvi oblik primitivne svesti ?

Ovo još svakako nije primitivna svest jer i za nju je potrebno nešto više kao što ćemo videti. Medjutim, razvojem ovakvog mehanizma, još u dalekoj evolucionoj prošlosti, priroda je dobila veliki "bonus". Ovaj mehanizam se mogao iskoristiti za nešto još veće: analognu simulaciju koja bi sadržala više modaliteta u egocentričnim koordinatama. Šta ovo znači ?

Mi znamo da se na drugom kraju "optičke mašinerije" nalazi hipotalamus (koji je prisutan kod svih kičmenjaka, kod ljudi on je veličine badema) a u kojem je smešteno umrežavanje za regulaciju i integraciju motivacionih stanja povezanih sa ciljanim ponašanjem životinje. Pored toga što koordinira radom žlezda (endokrinim sistemom) on reguliše i emocije. Zapravo od njega polazi i sa ostalim delovima mozga ga povezuje limbički sistem koji je bitan za manifestovanje emocija. Izlazne informacije iz njega dopremaju se i do superiornog kolikulusa ali ne samo direktno već i preko tzv. sive moždane mase (engl. Periaqueductal gray, PAG, na gornjoj slici predstavljen kao PGM) koja igra ključnu ulogu u modulaciji bola i ponašanjima koje se tiču odbrane, agresije, seksualne reprodukcije, itd.

Mozak kičmenjaka, nije uvek izgledao kao danas. Davno u dubokoj evolucionoj prošlosti primitivnih kičmenjačkih organizama više moždano stablo sa strukturama kao što je hipotalamus, optički tektum (uključujući ovde i dominantnu ulogu čula vida koje šalje sliku) i PAG predstavljalo je "krov" onoga što danas zovemo medjumozgom (Diencephalon). Što je još bitnije, predstavljao je mesto oko kojeg se centralizovao ceo budući razvoj mozga kičmenjaka.

Merkerov tim smatra da je "ključni arhitekturni plan" za morfologiju nervnog sistema kičmenjaka bio taj što su strukture centralizovane oko optičkog tektuma formirale "tesnac" (engl. bootlneck) na nivou višeg srednjeg mozga. Šta ovo znači ? Pa jednom kada je optički tektum nastao, sve ostale strukture koje su se kasnije razvijale bile se primorane da sa motornim neuronima (iz donjeg moždanog stabla) komuniciraju preko njega. Na ovaj način on postaje tzv. mesencafalički tesnac.  Mesencefalički tesnac je zapravo omogućio razvoj masivno paralelnih struktura (talamokortikalnog sistema) koje se medjusobno takmiče za kontrolu motornog sistema. Po Merkeru, originalni sistem za odabir akcije (akcija-selekcija, o kojoj je bilo reči gore) se nalazi u "trouglu" izmedju superiornog kolikulusa, hipotalamusa i nižih struktura moždanog stabla.

Tesnac ovakve vrste je bilo sve što je potrebno da se omogući konvertovanje masivnih paralelnih i distribuiranih informacija (iz ranih cerebralnih hemisfera) u oblik koji je ograničen, definisan i sekvencijalno  rasporedjen po zadacima (akcije/selekcije) kako bi jedinka ostvarila ciljano ponašanje.


Šematski prikaz ugnježdenih relacija u odnosu na ego-centar. Neuralno telo i neuralni svet predstavljaju analognu simulaciju (tzv. “reality space”). Crna boja predstavlja fizički univerzum, jedan deo njega je fizičko telo (unutrašnji crni krug). I univerzum i fizičko telo su van regiona svesti. Jedan deo fizičkog tela je fizički mozak (predstavljen kao osenčen i neosenčen krug). Strelice predstavljaju interfejse putem kojih prolaze neuralne informacije.

Primitivna svest koja je nastala kao rezultat analogne simulacije je bila izuzetno ograničena - dvodimenzionalno polje sa objektima koji su predmet interesa jedinke, vidjeno iz ego-centra. Ali ta svest je pod selektivnim pritiscima postepeno proširivana razvojem naprednih struktura kao sto su talamus i na kraju, neokorteks koje su u analognu simulaciju donosili još više detalja omogućuvajući time sve kvalitetniji panoramski 3D prikaz okruženja a što je dalje kulminiralo sa onim što danas zovemo "reflektivna svest" tj. svest koja je "svesna same sebe" (self-consciousness) a koja je verovatno dar samo najrazvijenijih sisara.

Medjutim, takvu reflektivnu svest ne treba posmatrati kao zasebnu i izdvojenu već samo kao produžetak (ekstenziju) iste one svesti koja vidi, čuje, oseća ili na drugi način doživljava iskustvo u interakciji sa spoljašnjim svetom. Reflektivna svest je samo jedan od brojnih sadržaja svesti koji zavisi od kognitivnih kapaciteta životinje i što je veoma važno, nikada nije trajna već samo privremena (Morin, 2006.), stalno deleći vreme sa momentalnim, nereflektivnim iskustvima što je čini, da kažemo - nesamosvesno svesnom (unselfconsciously conscious). Možemo reći da reflektivna svest predstavlja samo jednu vrstu "privremenog luksuza" (koji mogu priuštiti napredniji sisari sa većim mozgom) a ne i suštinu svesti niti nešto što je kao takvu definiše.

Klinička istraživanja na korteksu i epilepsija

Neki od rezultata kličničkih istraživanja objavljenih tokom 1954. godine medju prvima su potkopali ideju da svest nastanjuje isključivo korteks. Wilder Penfield bio je revolucionaran istraživač i veoma originalan hirurg. Sa kolegom Herbertom Jasperom, izmislio je neurohirušku metodu kojom su tretirani pacijenti sa teškim oblicima epilepsije. Metoda se sastojala od toga da se bukvalno uništavaju odredjene nervne ćelije sa kore velikog mozga odakle napadi potiču. Operaciju bi obavljali dok su pacijenti bili svesni na operacionom stolu (samo pod lokalnom anestezijom) i pažljivo pratili njihove odgovore. Na taj način su mogli jasno i precizno da ciljaju odredjene oblasti mozga i time smanje rizik od neželjenih efekata nakon operacije (do kojih bi verovatno dolazilo da je sprovodjena totalna anestezija, tj. da je pacijent potpuno uspavan i da nije bilo komunikacije sa njim tokom operacije).

Savremena elektrokortikografija (ECoG), procedura koja koristi elektrode postavljene na povšinu
moždane kore kako bi se snimala elektronska aktivnost cerebralnog korteksa. Pioniri ove metode su bili
 Penfield i Jasper koji su je prvi primenjivali u lečenju pacijenata od teških oblika epilepsije. 


Time što njihovi rezultati pokazuju da sporovodjenje takve vrste zahvata na korteksu nije uticalo da pacijenti izgube svest, ukazuje da se centri svesti verovatno i ne nalaze u njemu. Tokom  neurohiruškog zahvata komuniciralil bi svo vreme sa pacijentom i bili bi impresionirani time da otklanjanje malih sektora korteksa nije čak uzrokovalo ni momentalne prekide u govoru kod pacijenta.

Koristeći ove tehnike, pored istraživanja epilepsije, njih dvojica su bili u stanju da stvore i mape senzornih i motornih centara mozga (pogledati cortical homunculus) prikazujući na taj način veze mozga sa različitim udovima i organima u telu. Ove mape se i dan danas koriste u medicini, praktično nepromenjene.

Perspektiva percepcije bola

Još jedan veoma interesantan detalj je i percepcija bola. Merker ukazuje da se stimulacijom kortikalnih centara koji reaguju na bol kod pacijenata obelilih od epilepsije, a koji su u pripremi za operaciju, ne dobija odgovor da pacijent oseća bol. Dok u suprotnom slučaju (stimulacijom sub-kortikalnih struktura) ovo ne važi jer kod "nižih" struktura dolazi do 100% sigurne prijave bola. Ako je za percepciju bola neophodan subkortikalni mehanizam, postavlja se pitanje da li organizmi bez korteksa ili sa ostećenim ili još nefunkcionalnim korteksom osećaju bol? Da li je to onda još jedan element primitivne svesti koji može da postoji i bez korteksa? Merker i tu navodi dobre razloge zašto je percepcija bola verovatno razvijena medju prvim percepcijama - interakcija izmedju subkortikalnih centara i superiornog kolikulusa otvara mogućnost za veoma važno učešće bola u proto-svesti i njegovo mapiranje u analognu simulaciju.

Merker takodje pominje i istraživanja sa kortikalnim-slepilom i tzv. Sprague effect, kod kojeg se slepilo vizuelnog korteksa može parcijalno vratiti (u vrlo ograničenoj formi) malom lezijom u srednjem mozgu koja omogućava  superiornom kolikulusu da "profukcioniše" bez kortikalne kontrole. Kvalitet takvog vida je, naravno, apsolutno neuporediv sa zdravim vidom, ali eksperimenti pokazuju da su osobe u stanju da razlikuju neke vizuelne osobine. Paradoksalno, takvo čulo nije ni opisano kao "vidjenje" od strane pacijenata (vrlo verovatno iz razloga što i ne "izgleda" kao zdrav vid već kao najrudimentarniji "osećaj" da je nešto u vidnom polju pacijenta i da ima odredjeni oblik).

Svest kod dece koja su rodjena bez korteksa

Hidraencefalijom se u medicini naziva stanje u kojem se dete rodi sa delimičnim ili najčešće potpunim odsustvom obe cerebralne hemisfere (ne treba je mešati sa hidrocefalusom koji je daleko blaži oblik gde se pojavljuje samo mestimično nakupljanje cerebrospinalne tečnosti). Kod hidraencefalije umesto moždanih hemisfera prostor biva ispunjen cerebrospinalnom tečnošću a od mozga ostaje samo donji deo koji obuhvata mali mozak (cerebellum) i moždano stablo (srednji mozak i produženu moždinu). Najčešće, skoro ceo korteks je odsutan.

Prema statistikama jedno dete u 10,000 rodjenih na planeti se rodi sa ovim poremećajem a kao uzrok smatraju se infekcije ili traumatski poremećaji nakon 12. nedelje trudnoće. Zvanično nema lečenja niti druge medicinske terapije, sve što ostaje je pružanje podrške detetu kako bi mu se život sa njom učinio koliko je moguće lakšim i boljim.

Zanimljivo je da se dete sa hidraencefalijom pri samom rodjenu uopšte ne razlikuje od normalne dece. Njegova glava i spontani refleksi kao što je sisanje, gutanje i pokretanje ruku i nogu izgledaju sasvim uobičajeni kao i kod druge dece. Tek nakon nekoliko nedelja pojavljuju se prvi simptomi u ponašanju i glasu a kasnije se pojavljuje i zaostalost u rastu, nemogućnost regulisanja temperature tela, mogući problemi sa vidom, gluvoća i smanjene intelektualne sposobnosti. Smrt u većini slučajeva nastupa u prvoj ili drugoj godini života. Medjutim, u nekim slučajevima kada se takvoj deci omoguće uslovi i sva potrebna medicinska nega život se može produžiti i preko te granice.

Slika gore: Devojčica stara 3 godine rodjena sa hidraencefalijom. Njena reakcija u socijalnoj situaciji u
kojoj je njen brat (beba) postavljen u njeno naručje.
Slika dole : Snimci magnetnom rezonancom, glava deteta sa hidraencefalijom. Pri dnu je samo mali 
mozak (cerebellum) i moždano stablo (srednji mozak i produžena moždina), ostatak prostora
je ispunjen cerebrospinalnom  tečnošću  (Izvor: ACR Learning File, Neuroradiology, Edition 2, 2004)

U svom naučnom radu, Marker iznosi svoje iskustvo u radu sa ovakvom decom koja boluju od hidraencefalije. Kada su posmatrana u svom kućnom okruženju u kojem dobijaju redovnu medicinsku negu, ova deca ne samo da deluju budna već i veoma svesna svog okruženja po svim kriterijumima neurološkog posmatranja. Ona reaguju na zvuke i vizuelne stimuluse. U stanju su da iskazuju emotivne reakcije i prepoznaju roditelje. Ona izražavaju zadovoljstvo smehom ili nezadovoljstvo plakanjem. Reaguju razlilčito na glas i inicijativu roditelja i pokazuju preferencije ka odredjenim situacijama kao što su "omiljena igračka" ili želju za učestvovanjem u aktivnostima sa ostalima oko sebe.

Još jedna zanimljiva stvar je da ovakva deca takodje mogu da imaju epileptične napade (absence seizure) koji njihovi roditelji nedvosmisleno identifikuju kao privremnu odsutnost. Nakon što se period napada završi roditelji su uvek u stanju da jasno prepoznaju da je njihovo dete opet prisutno. Postavlja se pitanje: u nedostatku korteksa, šta je to što postaje "odsutno" kod ove dece?

Činjenica da ova deca doživljavaju takve epizode predstavlja još jedan ozbiljan dokaz da korteks ipak nije nužno potreban za posedovanje svesti niti to da svest "stanuje" u njemu.

Odsustvo korteksa kod pacova

Zanimljiva je i analiza ponašanja pacova u eksperimentu sprovedenom još tokom 1964. godine (pdf). Jednom broju pacova kompletno je odstranjen neokorteks, a nekima i kompletan korteks. U slučaju odstranjivanja koja zahvata samo neokorteks, sva tipična ponašanja uključujući ovde i "emotivna" su i  dalje funkcionisala (do te mere da studenti nisu u stanju da razlikuju takve pacove od zdravih) oni bi se kretali, hranili, igrali, imali normalnu dozu agresivnog ponašanja prema drugim jedinkama. Čak bi i seksualne aktivnosti obavljali normalno. Sa eliminacijom kompletnog korteksa repertoar ponašanja drastično opada ali je životinja i dalje u stanju da rešava odredjene zadatke.

Deklaracija o životinjskoj svesti

Medju naučnicima već neko vreme postoji slaganje da koreni nastanka svesti više nisu talamus i korteks kojima je većina istraživača ranije posvećivala najviše pažnje. Najsnažniji i najosnovniji neuronski mehanizmi za izvršavanje i održavanje svesnog stanja nalaze se duboko unutar moždanog stabla (brainstem) tj. u njegovim unutrašnjim stukturama o kojima je prethodno bilo reči. Jedan od važnijih dogadjaja koji je obeležio i ozvaničio ovu promenu u naučnom razumevanju svesti se odvio 2012. godine. Medjunarodna grupa sastavljena od kognitivnih naučnika, neuropsihologa, neuroanatoma i biologa je zvanično potpisala deklaraciju da životinje imaju svest. Lista uključuje sve sisare, ptice, pa čak i oktopode, kao što se da videti.
Vest da ove životinje imaju svest nije nikakvo ultra otkriće, ali je važno to što oko ove teme i zvanično postoji saglasnost u naučnim krugovima.

We declare the following: “The absence of a neocortex does not appear to preclude an organism from experiencing affective states. Convergent evidence indicates that non-human animals have the neuroanatomical, neurochemical, and neurophysiological substrates of conscious states along with the capacity to exhibit intentional behaviors. Consequently, the weight of evidence indicates that humans are not unique in possessing the neurological substrates that generate consciousness. Nonhuman animals, including all mammals and birds, and many other creatures, including octopuses, also possess these neurological substrates.”


Da ne bude zabune, deklaracija ne izjednačava svest i inteligenciju. Ono što i dalje ostaje da varira od vrste do vrste je stepen samosvesti, emocionalni kapaciteti, inteligencija, gradjenje socijalnih veza, itd. Ono što se ovime potvrdjuje je činjenca da ljudi nisu jedina bića koja imaju svest na ovoj planeti niti je ljudski neokorteks razlog zašto imamo svest. Isto ono što je srž višedecenijskog naučnog rada Merkera i njegovih kolega.

The neural substrates of emotions do not appear to be confined to cortical structures. In fact,  subcortical neural networks aroused during affective states in humans are also critically important for generating emotional behaviors in animals. Artificial arousal of the same brain regions generates corresponding behavior and feeling states in both humans and non-human animals. Wherever in the brain one evokes instinctual emotional behaviors in non-human animals, many of the ensuing behaviors are consistent with experienced feeling states, including those internal states that are rewarding and punishing. Deep brain stimulation of these systems in humans can also generate similar affective states. Systems associated with affect are concentrated in subcortical regions where neural homologies abound. Young human and nonhuman animals without neocortices retain these brain-mind functions. Furthermore, neural circuits supporting behavioral/electrophysiological states of attentiveness, sleep and decision making appear to have arisen in evolution as early as the invertebrate radiation, being evident in insects and cephalopod mollusks (e.g., octopus)


Pored brojnih naučnika skupu je prisustvovao i poznati neurobiolog David B. Edelman govoreći o svesti kod oktopoda koji imaju nervni sistem od oko 500 miliona neurona, oči koje su strukturalno konvergentne sa kičmenjacima a koji su izvrstan model za istraživanje svesti kod beskičmenjaka.

Neke novije studije potvrdile su da su čak i oktopodi (koji spadaju u beskičmenjake) poseduju svest.
U stanju su da sakupljaju ljuske od kokosa i koriste ih kao pokretna skloništa, tj. koriste ih kao orudje.
Druge studije pokazale su da imaju vrlo sofisticiranu prostornu navigaciju i pamćenje.

Irene Pepperberg je predstavila tri studije koje se tiču svesti kod papagaja a koji spadaju u jedne od najinteligentnijih vrsta ptica. Kako i na koji način ove ptice uče nazive objekata, boje, oblike, kako grade koncepte, itd. Profesor psihologije Diana Reiss govorila je o prepoznavanju sopstvenog lika u ogledalu, nečim što se dugo smatralo isključivo ljudskim atributom a što su istraživanja pokazala da ga delimo i sa čovekolikim majmunima, delfinima, slonovima pa i sa svrakama. U komparativnim studijama pod nazivom mirror self-recognition (MSR), sposobnost prepoznavanja kod ljudske dece pojavljuje se nakon 18-24 meseca starosti, kod šimpanzi nakon 2,5 godine dok kod delfina već nakon 14 meseci. Istraživač Melanie Boly, o cerebralnim konekcijama i poremećajima svesti kod vegetativnih stanja i drugih  minimalno-svesnih stanja u kojima se nalaze odredjeni pacijenti. Steven Laureys o raznim oblicima ozbiljnih povreda mozga gde pacijenti gube sve ili skoro sve funkcije moždanog stabla. Christof Koch i izučavanje svesti kod miševa. Profesor Harvey Karten o tzv. "Turingovom testu" (naziv po imenu čuvenog matematičara Alana Turinga, čoveka koji je osmislio originalni test koji predstavlja neku vrstu zamene za pitanje "Mogu li mašine misliti?") sličnostima u nervnoj mikroahitekturi i ponašanju kod ljudi i ptica. Donald Pfaff o retikularnim formacijama, superior kolikulusu i ostalilm strukturama odgovornim za nastanak svesti, itd.

Zvanična Deklaracija : http://fcmconference.org/img/C...DeclarationOnConsciousness.pdf
Svest kod oktopoda - http://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(09)01914-9
Svest kod slonova - http://www.pnas.org/content/early/2011/03/02/1101765108.full.pdf+html

Reference



Oblasti: , , , , , , , ,

Priča o penicilinu je priča o evolucijskom ratu izmedju gljiva i bakterija u kojem se igrom slučaja zatekao i čovek

Mnogi od nas su i dan danas živi zahvaljujući tome što im je penicilin jednom spasao život, ili možda život njihovih roditelja. Njegova sposobnost da leči bakterijske infekcije je spasila na milione i milione života, te ga mnogi još i danas sa pravom nazivaju "čudesni lek". Bakterijske infekcije nekada su odnosile daleko više ljudi nego što to čine danas. Možda niste znali ali činjenica je da većina vojnika koja je umirala tokom Drugog svetskog rata, nije bivala direktno ubijena metkom ili eksplozivom, već je umirala od bakterijskih infekcija na ranama prouzrokovanim tim oružijem. Ipak, naša priča o penicilinu, o prvom antibiotiku koji je uspešno korišten u lečenju ljudi od bakterijskih infekcija, ni manje ni više, počinje sa pričom o slučajnosti. 

Horore koje su za sobom ostavljale čak i najobičnije
bakterijske infekcije je čovečanstvo brzo zaboravilo.
Ove slike napravljene 1942. godine prikazuju efekat
i rezultate upotrebe penicilina nakon četiri dana (3),
nakon devet dana (4) pa do potpunog ozdravljenja (5)(6)


Britanski mikrobiolog Alexander Fleming (1881-1955) potiče iz siromašne škotske farmerske porodice, bio je jedno od četvoro dece. Kao dvadesetogodišnjak upisuje medicinsku školu a nakon toga učestvuje i u Prvom svetskom ratu radeći u bolnicama na zapadnom frontu u Francuskoj. Izložen infekcijama umirućih vojnika počeo je ozbiljno proučavati bakterije koje su bile uzrok mnogih bolesti.  Do svojeg otkrića Fleming je došao sasvim slučajno. Kako je i sam kasnije govorio:

"Kada sam se probudio tog dana svakako nisam planirao da pokrenem revoluciju u medicini otkrivanjem prvog svetskog antibiotika - ubicu bakterija. Ali pretpostavljam da se baš to i dogodilo".


Aleksandar Fleming, rodjen 6. Avg 1881. g.  preminuo 11. Marta 1955. g


Šta se zapravo dogodilo? Vrativši se sa godišnjeg odmora, Fleming je otkrio da se budj razmnožila u jednoj od Petrijevih šoljica koje su ostale na njegovom stolu. Fleming se odmah zapitao zašto je došlo do toga i krenuo pronaći uzrok. On je sadržaj šoljica pažljivo ispitivao mikroskopom i otkrio da je budj stvorila neku antibakterijsku materiju – materiju koja na bakterije deluje kao otrov. Verovatno je u Petrijevu šoljicu dospela spora budji iz susedne laboratorije sa sprata ispod njegove. Kako je njemu ta čestica budji bila već poznata pod nazivom Penicillium notatum, doktor Fleming je tu materiju nazvao penicilinom.

Šta je uopšte "budj" ?

Pre nego nastavimo priču dalje, podsetimo se nekih elementarnih stvari. Budj (iliti plesan) ste verovatno nekad primetili na parčetu starog hleba. Ako hleb nekoliko dana stoji na vlažnom, toplom mestu, pokrije ga mreža belih, paučinastih konaca, koji kao da su posuti crnim prahom.

Ako bi pogledali kroz mikroskop, videli bi ste da je ova mreža načinjena od mnogobrojnih dugih, bezbojnih konaca, kojih ima dve vrste. Jedni su pokriveni crnim lopticama sa sporama, pomoću kojih se budj razmnožava. Drugi su kraći i ulaze u hleb, pa služe kao korenje i upijaju hranu. Budj (plesan) je samo još jedna od vrsta gljive, a gljive spadaju u najstarije i najrasprostranjenije organizme na Zemlji. One su jedno zasebno i veoma neobično carstvo unutar eukariota.


Zelena buđ koja se razmnožava i živi na parčetu hleba zove se
Penicillium glaucum.  Ista vrsta budji se koristi i za proizvodnju
čuvenog "Budjavog sira" (engl. Blue Cheese)

Budj ili plesan je naziv za mikroskopsku vrstu gljiva, izgradjene su od nitastih hifa. Kao i sve druge gljive, budj ne dobija energiju putem fotosinteze (ne poseduje zelene hloroplaste) već od organske materije na kojoj živi. One svojim hifama urastaju u podlogu (hleb, na našem primeru) gde luče digestivne enzime. Izlučeni enzimi zatim vare hranu za gljivu koju onda hife jednostavno upijaju.

Budj se razmnožava putem spora, koje mogu sadržati jedan ili više nukleusa. Spore budji mogu biti aseksualne (produkti mitoze) ili seksualne (produkti mejoze) ali mnoge vrste su u stanju proizvoditi oba tipa. Njene spore su strahovito male i jedva se mogu videti mikroskopom te mogu lebdeti u vazduhu gotovo beskonačno dugo i preživeti ekstremne temperature i pritiske.



Neke budji se hrane trulom biljnom i životinjskom materijom, druge su paraziti, to jest, žive na živim bićima. Najčešće vrste budji su one koje narod zove crna i zelena budj, a ime su dobile po boji njihovih spora. Pošto se ove spore nalaze u vazduhu svuda oko nas, one brzo "napadaju" hranu, voće, pa čak i kožne predmete ostavljene na toplim i vlažnim mestima.

Zelena budj koja se razmnožava na hlebu zove se Penicillium glaucum. Njoj veoma slična, samo što raste vani, uglavnom je ima na objektima gde ima vlage, je Penicillium notatum, a to je upravo ona koja je važna za našu priču jer se od nje dobija penicilin. To jest, njeni digestivni enzimi (koji joj služe da vari hranu) su značajni zbog toga što su smrtonosni za bakterije. Upravo su njeni digestivni enzimi bila "materija" koji je Fleming pronašao u svojoj P. šoljici a koja je bila odgovorna za smrt baketrija. Inače, još mnogo toga zanimljivog o budjima možete pročitati u jednoj od najboljih knjiga iz mikrobiologije čije elektronsko izdanje možete preuzeti ovde.

Kako penicilin ubija bakteriju ? 

Bakterije su jednoćelijski organizmi, sa poprilično jednostavnom strukturom ćelije, njena ćelija nema jezgra ni organele kao što su mitohondrije ili hloroplasti koje imaju recimo biljne i životinjske vrste ćelija. Ono što penicilin zapravo radi je da remeti sintezu ćelijskog zida bakterije. Ćelijski zid je veoma bitan za njen opstanak, on je odgovoran za postojanost bakterijske ćelije u različitim uslovima sredine, a naročito je značajan u sprečavanju prekomernog bubrenja bakterije u hipotoničnoj sredini.

Time što remeti intregitet ćelijskog zida bakterije, penicilin je čini podložnom prekomernom ulasku vode, a konačan efekat jeste taj da bakterija puca. Na dejstvo penicilina bakterije su najosetljivije u fazi deobe.

Nauci je do danas poznato i to kako se ovaj proces obavlja na biohemijskom nivou, ovo naravno zahteva daleko opširnije objašnjenje, o tome bi se moglo napisati nekoliko knjiga. Ukoliko vas zanima, uvod u njega možete pronaći ovde. Ukratko, penicilini se vezuju za grupu bakterijskih proteina karakterističnih po svom afinitetu prema penicilinu koji se zbog toga nazivaju i penicilin-vezujući proteini — PVP (engl. Penicillin-binding protein — PBP). Penicilin-vezujući proteini locirani su sa spoljašnje strane plazma membrane bakterija i obavljaju različite enzimske uloge, najčešće ponašajući se kao transpeptidaze, karboksipeptidaze ili endopeptidaze. Penicilini se vezuju za čitav spektar PVP koje jedna bakterija eksprimira. Medjutim, vezivanje tek za neke od ovih proteina uzrokuje smrt bakterije, dok vezivanje za druge u manjoj ili većoj meri menja njenu funkcionalnost ili morfologiju. Svaki penicilin ima sopstveni aranžman afiniteta prema različitim PVP kojim je i određena njegova efikasnost protiv date bakterije.


Kolonija bakterije Staphylococcus aureus (van centra) i Penicillium
chrysogenum (u centru).  Prazan prostor izmedju koji bakterije izbegavaju
naziva se i kao zona inhibicije.


Na gornjoj slici vidimo Petrijevu šolju u kojoj se nalazi kolonija bakterije Staphylococcus aureus (van centra) i Penicillium chrysogenum (noviji naziv za naš Penicillium notatum) a koji se nalazi u centru. Zapazite prazan prostor izmedju koji bakterije izbegavaju da nasele.

Staphylococcus aureus ili zlatni stafilokok je bakterija iz grupe stafilokoka, ova vrsta pripada loptastim bakterijama (grčki kokos = zrno, a postoje još i štapićaste i spiralne bakterije). Ova bakterija je patogena i izaziva mnošto različitih infekcija i intoksikacija počev od manjih infekcija kože (infekcija rane i slično) do teških bolesti poput sepse, zapalenja pluća, apscesa, sindroma toksičnog šoka itd.

Dalek je put od otkrića do proizvodnje penicilina

Vratimo se sada prethodnoj priči. Od Flemingovog otkrića do korisne primene u medicini, put je bio dug. Nakon otkrića koje se može okarakterisati kao slučajnost, Fleming se našao pred nizom naučnih problema. On je prepoznao potencijalne terapijske implikacije penicilina, ali znajući da penicilin ubija bakterije, Fleming se upitao neće li ta materija štetno delovati i na bolesnike. Stoga je najpre počeo obavljati eksperimente na zečevima i miševima na koje penicilin nije ostavljao nikakve štetne posledice.

Prvi pokušaji izolovanja penicilina nisu bili preterano uspešni. Nakon ispitivanja na miševima koja su se prvenstveno bavila procenom toksičnosti penicilina, Fleming 1931. prekida dalji rad. Čak je i 1929. objavio rezultate istraživanja u Britanskom naučnom časopisu ali to nije imalo većeg značaja. Kako su doktori u tadašnje vreme već znali za mnoge druge materije koje sprečavaju razvijanje zaraznih bakterija, nisu davali značaj penicilinu. Izmedju ostalog i zato jer se mogao dobiti samo u malim količinama.

Zbog toga se penicilin nije koristio u bolnicama i ostao gotovo zaboravljen punih deset godina. Tek krajem 1938. i početkom 1939. godine na Univerzitetu u Oksfordu okupljen je tim naučnika čiju su okosnicu činili Howard Florey i Ernst Boris Chain. Oni su počeli intenzivno da rade na prečišćavanju penicilina i ispitivanju njegovog sistemskog dejstva. Količine penicilina koji su uspeli da dobiju nisu bile dovoljne da proizvedu značajne rezultate kod ljudi. Ipak su pokazali da je penicilin, primenjen na miševima inficiranim streptokokama, efikasan i netoksičan sistemski antibakterijski agens. Rezultati objavljeni u Maju 1940. godine su označili intenziviranje napora na izolovanju potpuno čistog penicilina.

U medjuvremenu su proučavali mogućnosti za masovnu proizvodnju penicilina, ali nisu uspevali pronaći kompaniju koja bi preuzela rizik investicije, takodje bio je to period počinjanja Drugog svetskog rata, mnoge fabrike i postrojenja bivale su pretrpane poslom uglavnom za ratne svrhe.

Godine 1941, Florey i Heatley putuju u SAD sa ciljem da tamo zainteresuju neke od farmaceutskih kompanija da pokrenu proizvodnju penicilina. Naravno, nisu bili dočekani raširenih ruku, penicilin se proizvodio u jako malim količinama što kompanije nisu smatrale profitabilnim. Ipak, pošlo im je za rukom nagovoriti vladu i četiri američke kompanije na proizvodnju. Penicilin je odigrao značajnu ulogu u smanjenju smrtnosti medju ranjenicima u Drugom svetskom ratu.Tako su u SAD tek pred kraj rata počele industrijalizacija i proizvodnja većih količina penicilina koji je spasao na milione života. U to vreme taj spasonosni lek bio još veoma skup.


Reklama za penicilin koja je Avgusta 1944. godine
objavljena u Life magazinu, SAD

Još od tada farmaceutske kompanije su tražile nove mogućnosti za proizvodnju sve većih i većih količina penicilina, naravno, na brži i jeftiniji način, ali se on i dalje mogao dobijati samo od budji u staklenim posudama. Stoga su se te gljivice počele uzgajati u dubokim buradima, a američkim avijatičarima širom sveta je čak bilo naredjivano da donose uzorke zemlje sa raznih mesta, kako bi se ispitalo ima li u njoj traženih gljivica. Penicilin je postajao veoma unosan posao i vremenom je medju tim uzorcima pronalažen i drugi tip budji, od koje se mogla proizvoditi dvostruko veća količina penicilina.



Omasovljavanje proizvodnje i upotrebe penicilina

Danas je penicilin tako jeftin da košta manje od bočice u kojoj se pakuje. Penicilinom se leče mnoge teške bolesti, ali on i dalje nije delotvoran protiv svih oboljenja. Ipak, njegovo otkriće je podstaklo naučnike na pronalaženje drugih i boljih antibiotika, sličnih penicilinu, koji uništavaju bakterije još bolje.

Neželjeni efekti pencilina

Penicilini su, uopšteno govoreći, supstance veoma niske toksičnosti, i smatraju se, osim kod preosetljivih pojedinaca, jednim od bezbednijih antibiotika. Ipak, uzimani oralno penicilini mogu dovesti do blagih poremećaja u normalnoj flori creva (jer ubijaju u njima i bakterije koje nam koriste pri varenju hrane), mogu izazvati i mučninu ili povraćanje ali su sva ova stanja samoograničavajuća i nestaju ubrzo nakon prekida terapije.

Kod primene jako velikih doza penicilina, naročito kod pacijenata sa smanjenom bubrežnom funkcijom, postoji rizik od pojave encefalopatije (u širem smislu oštećenja mozga). Specifični penicilini mogu ispoljavati i dodatne neželjene efekte. Opisana je i pojava (sa malom učestalošću) oboljenja bubrega i hematoloških poremećaja (leukopenije, posebno kod ampicilina i flukloksacilina, hemolitička anemija, trombocitopenija, poremećaji koagulacije. Bitno je spomenuti da se preosetljivost na peniciline javlja kod 1-10% pacijenata.

Anafilaktički šok, je najozbiljnija reakcija preosetljivosti na penicilin, javlja se  kod 1 do 5 pacijenata na 10.000 onih kojima je terapija propisana (0,05%).Anifalaksa je potencijalno letalna pa se visoke doze primenjivanog penicilina moraju davati samo u ambulantnim ili kliničkim uslovima, jer se na pacijentu hitno mora primeniti adrenalin i osigurati prohodnost disajnih puteva u slučaju pojave anafilaktičke reakcije.

Poseban problem je i to što je predvidjanje reakcija preosetljivosti na peniciline veoma teško. Istorija ranijih reakcija pacijenta predstavlja najpouzdaniji parametar, mada postoje i načini za izvodjenje kožnih proba. Poznato je i to da pojedinci sa istorijom preosetljivosti na druge agense (polen, specifičnu hranu, itd) imaju veći rizik za razvitka ovakvih reakcija na penicilin.

Evolucija bakterija i otpornost na antibiotike

Prirodna populacija bakterija sadrži, pored velikog broja pojedinačnih jedinki, i značajne razlike u genetskom materijalu, što je prvenstveno posledica genetskih mutacija. Kada su izložene antibioticima, većina bakterija će umreti brzo, ali neke jedinke mogu imati mutacije koje ih čine nešto manje osetljivima na primenjeni antibiotik. Ako je izloženost antibioticima kratka, te jedinke će preživeti tretman i opstati. Ovo je tipičan primer prirodne selekcije na delu.


Otpornost bakterija na antibiotike je povećana kroz
preživljavanje bakterija koje su imune na dejstvo
antibiotika , a čiji potomci zatim nasledjuju tu otpornost
stvarajući nove populacije otpornih bakterija.


Čak je i sam A. Fleming svojevremeno najavljivao da će široka upotreba penicilina nužno dovesti do razvoja otpornosti bakterija na taj antibiotik. I drugi stručnjaci su još tokom prvih primena antibiotika bili svesni činjenice da će se korištenjem antibiotika u bakterijama podstaći razvoj otpornosti. Ipak, na početku "ere antiobiotika" vladalo je optimistično uverenje da će taj problem biti nadvladan pronalaženjem
novih i novih antibiotika. Medjutim, vremenom se ispostavilo da je jako teško doći do supstanci koje bi na potpuno nove načine uništavale iste vrste bakterija, a koje bi istovremeno morale biti i netoksične za ljude.

Do danas, medju bakterijama razvili su se mnogobrojni mehanizmi otpornosti. Bukvalno nema ni jednog antibiotika na koji se otpornost nije razvila. U najveće kliničke probleme ubrajaju se otpornost pneumokoka na penicilin, meticilinska i višestruka otpornost bakterije Staphylococcus aureus (MRSA), enterobakterije otporne na 3. i 4. generaciju cefalosporina (koji je klasa β-lactam antibiotika originalno izvedena od gljive Acremonium), otporni Pseudomonas aeruginosa i Acinetobacter baumanii.

Ono što je dodatni problem je i to što genetske mutacije na bakterijama nisu nužne da bi do razvijanja otpornosti došlo. Bakterije mogu inkorporirati delove genetskog materijala direktno od susednih patogenih bakterija (putem tzv. horizontalnog transfera gena). Skorija istraživanja čak pokazuju da i količine antibiotika koje su potrebne za razvijanje otpornosti mogu biti veoma male. Posebno je zabrinjavajuća činjenica što se najveći udeo otpornih bakterija pojavljuje na farmama (gde proizvodjači stoke prekomerno koriste antibiotike u njihovoj ishrani).

Otpornost bakterija na antibiotike, svakako jeste i biće u skorijoj budućnosti jedan od vodećih problema medicine. Borba protiv otpornosti bakterija na antibiotike ubraja se u prioritete SZO zbog čega se održavaju brojne medjunarodne konferencije na tu temu. Osnova kontrole razvoja i daljeg širenja otpornosti leži u stalnom praćenju procentualne otpornosti i potrošnje antibiotika u okruženju, zatim stalna edukacija medicinskih radnika ali i bolesnika o tome zašto je važna racionalna i umerena primena antibiotika.

U svakom slučaju, bakterije i drugi parazitski organizmi su imali i imaće i dalje snažan uticaj na evolucionu istoriju svakog bića na planeti, pa tako i na čoveka. Borbu sa patogenima čovek ne može izbeći, bar ne dok bude naseljavao Zemlju. Zahvaljujući čestici budji koja je slučajno doletela kroz prozor profesora Fleminga i upala u njegovu Petrijevu šolju i kasnije dovela do čitave revolucije u lečenju i "ere antibiotika", čovek je mudro uspeo iskoristiti oružije njihovog starog neprijatelja (gljiva). Pošlo nam je za rukom da preokrenemo situaciju u svoju korist, unapredimo odbranu od patogena i time izmenimo istoriju čovečanstva. Sada nam izgleda preostaje krenuti dalje i tražiti nova oružija za tu borbu.

Literatura





Oblasti: , , , , , , ,

Knjiga: Biologija mikroorganizama (Brock) - Jedna od najboljih knjiga o najstarijim, najmanjim i dan danas najrasprostranjenijim bićima na planeti

Još su stari Egipćani u 4. veku pre nove ere, primetili da se zarazne bolesti prenose sa bolesnih na zdrave osobe, ali nisu imali načina da saznaju šta ih i kako prenosi. Dugo nakon njih mnogi ljudi su verovali da bolesti prenosi sotona uz pomoć "mračnih sila". Tek 1546. godine Girolamo Fracastoro je pretpostavio da bolesti mogu biti rezulat organizama koji nisu vidljivi golim okom. Na taj način su prva znanja koja je Homo sapiens počeo sticati o mikroorganizmima otpočela upravo sa proučavanjem nekih zaraznih bolesti, što je i normalno, jer za njega su bolesti i bile najvažnije. Bolesti izazvane mikroorganizmima su bile od velikog značaja pogotovo u nekoliko navrata, na primer pad Rimskog Carstva, a zatim i doseljavanje Evropljana i njihovo osvajanje američkog kontinenta nakon njegovog otkrića. Takodje, doba kuge (Crna Smrt), bio je period jedne od najrazornijih pandemija u istoriji čovečanstva. Tokom haranja Evropom 1351. godine, odnela je sa sobom 1/3 ukupne populacije. Takodje, pored istraživanja bolesti, ljudi su kroz istoriju uočavali i koristili razne pojave u prirodi za koje su pored ostalog zaslužne i mnoge vrste mikroorganizma: fermentacije, truljenja, itd. Danas, jedna od najvećih bitaka koje moderna nauke vodi je sa virusom HIV-a, a grana biologije koja se bavi mikroorganizmima - i koja i dan danas ima ključnu ulogu u opstanku i evoluciji ljudskog društva na Zemlji - naziva se mikrobiologija (od grčkog mikron - mali i biologos - nauka o životu).

Knjiga koja je pred vama je jedna od najboljih i najsveobuhvatnijih knjiga iz te oblasti. Poznata na stranim univerzitetima kao "Brock Biology of microorganisms". Ova knjiga je rezultat viševekovnog rada istraživača na polju mikrobiologije. Nakon 42 godine od svog prvog izdanja (1970. god) knjiga je doživela brojne izmene, revizije i dopune u skladu sa novim naučnim otkrićima i saznanjima.

Preuzmi knjigu, 1152 stranice


Poslednje 13. izdanje, na 1152 stranice materijala obuhvata neverovatnu količinu znanja koje je izuzetno dobro organizovano i jednostavno razumljivo. Poseduje obilje sjajnih fotografija, grafikona i dijagrama, tone primera iz realnog sveta i opisa vrsta bakterija i njihovih efekata po ljudsko zdravlje. Jednom rečju, knjiga - čije bi barem elektronsko izdanje - trebao da poseduje svaki biolog, mikrobiolog, bakteriolog, student ili profesionalac.

Kao i u prethodnim izdanjima, koncept knjige je jednostavan. Ukupno 12 poglavlja podeljeno je po grupama. Prvih 6 poglavlja uglavnom se fokusira samo na mikroorganizme (njihovu evoluciju, genetiku, podele, molekularnu biologiju ćelije, metabiličke procese, razmnožavanje, itd) dok drugih 6 uključuje i životinje i ljude u obzir. Ove dve glavne grupe poglavlja odlično su povezane 6. poglavljem pod nazivom - ekologija mikroba. Jedna od najvažnijih karakteristika svakog izdanja ove knjige je bila njena čitljivost. Svako poglavlje je podeljeno u kratke delove od po nekoliko stranica, i dalje podeljeno u stavovima sa naslovima. Knjiga svakako prevazilazi znanje jednog udžbenika jer povremeno zalazi i u sintetičke ćelije, fernetaciju kvasca, proces varenja, svinjski grip i slično. Svaka od ovih tema je objašnjena kao sporedna i zanimljiva i na taj način izdvojena od udžbeničkog dela..

Kratak pregled evolucije mikoorganizama

Najstariji fosili ćelija koje danas imamo se datiraju izmedju 3,8 i 3,9 milijardi godina. Ovi organizmi su isključivo bili mikroorganizmi. U stvari, mikroorganizmi su bili jedini život na Zemlji tokom većeg dela njene istorije. Postepeno i tokom ogromnih vremenskih perioda, pojavljivali su se složeniji organizmi. Kao što se vidi na slici, atmosfera u prvih 2 milijarde godina nije sadržavala slobodni kiseonik (O2). Umesto njega bili su prisutni azot (N2), ugljen-dioksid (CO2), kao i nekoliko drugih gasova. Samo mikroorganizmi sposobni za anaerobni metabolizam (metabolizam bez upotrebe kiseonika) su mogli opstajati u takvim uslovima.

Fosil bakterije, star oko 3,5 milijarde godina a koji je pronadjen u zapadnoj Australiji se smatra za
jednog od najdaljih zajedničkih predaka svih živih bića. Tragovi ugljenika jasno ukazuju da je živo
biće imalo oblik sličan današnjoj bakteriji Filamentous Cyanobacteria.
[Izvor: Berkely  Museum of Paleontology]

Još tada se pojavljuju praćelije nalik na današnje prokariote. Ti prvi organizmi su bili hemoautotrofni, to jest koristili su ugljen-dioksid (CO2) kao izvor ugljenika i neorganske materijale kako bi dobijali energiju. Kasnije prokariote evoluiraju u organizme sposobne za obavljanje glikolize, to jest niza hemijskih reakcija koje oslobadjaju energiju iz organskih molekula kao što je glukoza (najrasprostranjeniji monosaharid u biljnom i životinjskome tkivu, takodje, zanimljivo je da se molekuli ATP-a koje glikoliza stvara kao kratkotrajnu energetsku valutu koriste u skoro svim organizmima i do dan danas). To je otprilike i doba u kome dolazi i do razdvajanja filogenetskog stabla na bakterije i arheje (LUCA). Prokariote su i dan danas najrasprostranjeniji organizmi na planeti. Broj prokariota koji u ovom trenutku živi na Zemlji procenjuje se na oko 5 miliona triliona triliona, to jest 5 × 1030 , što čini oko polovinu ukupne biomase na planeti.

Hronologija evolucije mikroorganizama i raspored
najvažnijih dogadjaja tokom istorije života na Zemlji

Pre oko 3,5 milijarde godina pojavljuju se bakterije koje razvijaju primitivne oblike fotosinteze (anoxygenic photosynthesis) koje na početku ne stvaraju kiseonik, ali zato ovi organizmi stvaraju ATP koristeći protonski gradijent, još jedan mehanizam koji je i dan danas prisutan u skoro svim organizmima. Na oko 3 milijarde godina ovi organizmi evoluiraju u fotosinteske cijanobakterije; koje su kasnije potpuno izmenile atmosferu zemlje. One koriste vodu kao reduktant, te stvaraju kiseonik kao sporedni proizvod. Nivo kiseonika nakon toga počinje da raste u atmosferi, delujući kao otrov za mnoge bakterije. Nakon toga, pre oko 2,6 milijardi godina, pojavljuju se bakterije koje su evolucijom stekle sposobnost da efikasnije koriste kiseonik kako bi dobijale energiju iz organskih molekula poput glukoze. Gotovo svi organizmi koji koriste kiseonik se služe istim nizom reakcija - ciklusom limunske kiseline i oksidativnom fosforilacijom.

Pojava kiseonika u atmosferi omogućila je i evoluciju eukariota koje se pojavljuju pre otprilike 2,1 milijardi godina. Prvo kao složenije ćelije koje sadrže razne organele. Većina organela (npr mitohondrije i hloroplasti) su nastale od simbiotskih bakterija. Mitohondriji, koji koriste kiseonik kako bi izvukli energiju iz organskih molekula. Hloroplasti, koji preuzimaju energiju iz svetla te sintetišu organske molekule su nastali iz cijanobakterija i njima sličnih organizama.

O autorima

Iako su za zvanične autore knjige navedena imena Michael T. Madigan, John M. Martinko, David A. Stahl i David P. Clark, istina je da je na knjizi radilo preko 40 drugih saradnika i naučnih radnika. Vredi napomenuti da Brok takodje pokriva i druge naučne oblasti koje se odnose na ili preklapaju sa mikrobiologijom, kao što su imunologija i virusologija. Naravno, očigledno je da se ne može očekivati ista dubina i detalji koji se recimo mogu naći u specijalizovanim knjigama kao što je Janeway’s Immunobiology ili u stručnim knjigama za virusologiju kao što je recimo Fields Virology. Medjutim, ono što Brok ima da ponudi je mnogo više od običnog "bacanja pogleda preko ograde". Najnovije izdanje ima čak posebno poglavlje za imunologiju koje pruža odličan uvod u odbrambene mehanizme domaćine i ostale teme.



Oblasti: , , , , , , , ,

Knjiga: Uvod u izgradnju mozga i nervnog sistema

Razvoj mozga od njegovog potpunog početka na embrionalnom nivou do izuzetno složene i potpuno funkcionalne strukture kakvu ima mozak odrasle osobe je zaista izuzetan proces. Razumevanje tog procesa i dalje ostaje težak izazov, uprkos velikom broju naučnih dostignuća tokom poslednjeg veka. Mozak je najsloženiji živi organ na Zemlji i imaju ga mnoge grupe životinja. Oni koji žele da razumeju svoje mesto u biološkom poretku naše planete bi svakako trebali da se bolje upoznaju sa ovim organom. Ukoliko vam engleski ne pravi problem, ova knjiga pruža veoma zanimljiv i slikovit uvod u funkcionisanje moždanih ćelija koje su gradivni blokovi mozga svih životinja. Izdanje je poprilično sveže, 2011. godina.

Ukratko, ova knjiga pruža pre svega vizuelan i opširan uvod od rane faze kada odredjene ćelije embriona postaju neuroni, kako se kontroliše njihova proliferacija, šta reguliše vrste nervnih ćelija koje će od njih nastati, kako se dalje neuroni medjusobno povezuju, kako se ove veze kasnije unapredjuju pod uticajem nervnih aktivnosti, uključujući i one koje proističu iz iskustva. I konačno, zašto je za neke neurone sasvim normalno da umru tokom tog procesa. Razvoj svake od komponenti nervnog sistema čoveka uporedjuje se i obradjuje poredeći ga sa nervnim sistemima vinske mušice, crva, žabe, pileta, miša, mačke i naravno majmuna.


Preuzmi knjigu,  350 strana, 140 MB


Ekipa autora koja ima ogromno iskustvo u predavanju ove oblasti studentima (Prof. David J. Price,  Dr. John Mason, Andrew P. Jarman i Peter Kind) se potrudila da knjiga ne zahteva visok nivo biološkog znanja, i da bude razumljiva i onim ljudima koji nisu studenti medicine i koji nemaju stručnijeg znanja iz oblasti neuronauka ili molekularne genetike. Cilj pisanja ovakve knjige bio je da se obezbedi pristupačan, ali i rigorozan uvod u mehanizame nervnog razvoja za buduće potencijalne studente i one koji sa malo ili gotovo ni malo prethodnog znanja tek ulaze u ovu oblast. Treći razlog za pisanje ove knjige, kako autori tvrde, bio je da pruži upečatljive i slikovite ilustracije razvojnih mehanizama i eksperimenata koji su doveli do njihovog otkrića. Knjiga nema klasičan pristup već povremeno koristi i šaljive analogije kako bi pojmove i koncepte učinila još razumljivijim (pogledati i kritike knjige koje je dao labtimes.org). Izdavač je takodje omogućio i web prezentaciju gde se kompletan materijal može preuzeti besplatno.

Razvoj nervnog sistema je veoma vizuelna grana biologije: eksperimenti se često izvode i na onim strukturama koje su vidljive ljudskom oku bez nekakvog tehničkog problema. Medjutim, pravi problem u savladavanju oblasti kao što je razvoj nervnog sistema, kako ističe jedan od bivših studenata, jeste potreba da se razume odredjeni stepen genetike, molekularne biologije, biohemije i fiziologije, da bi ste bili u stanju da spojite te osnove i da ih koristite kao četiri dimenzije. Iz tog razloga, autori su u prvim poglavljima pokušali da se pozabave i tim zadatkom.

Veće znanje o tome kako se nervni sistem gradi će doneti i velike koristi po ljudsko zdravlje i buduće tehnologije. Razotkrivanje mehanizama koji dovode do razvoja zdravog mozga pomaže i savremenoj medicini u lečenju teških bolesti nervnog sistema, kao što su autizam, epilepsija, razni oblici šizofrenije, itd.

Biografije autora:
Prof. David Price
Dr. John Mason


Oblasti: , , ,
Subscribe to: Posts (Atom)