Ιστορία Πρότυπου Οργανισμών:Πότε άρχισαν οι επιστήμονες να δοκιμάζουν σε ζώα;
Η μύγα των φρούτων ήταν το πρώτο αληθινό πρότυπο οργανισμό. Από τότε, πολλά άλλα ζώα, φυτά και μικρόβια έχουν προστεθεί στο επιστημονικό θηριοτροφείο των μοντέλων οργανισμών.
Ο σχεδιασμός πειραμάτων απαιτεί μεγάλη σκέψη και ακρίβεια. Για τομείς όπως τα μαθηματικά, η φυσική και η χημεία, ο σχεδιασμός πειραμάτων απαιτεί μόνο το αντικείμενο που μελετάται. Αυτό το θέμα δεν αισθάνεται πόνο, ούτε αντιτίθεται σε αυτό που γίνεται, ούτε αλλάζει δραστικά από δείγμα σε δείγμα (αγνοούμε τον περίεργο κόσμο της κβαντικής φυσικής εδώ γιατί, ας είμαστε ειλικρινείς, κανείς δεν ξέρει πραγματικά τι είναι συμβαίνει σε αυτή την κλίμακα).
Αυτό είναι όπου ο πειραματισμός στη βιολογία συναντά ένα σοβαρό εμπόδιο.
Το αντικείμενο της βιολογίας είναι η ζωή. Αν και η ζωή είναι παντού, είναι γνωστό ότι είναι δύσκολο να πειραματιστείς. Όλα τα είδη ζωής φαίνονται περίεργα διαφορετικά.
Στη στεριά, υπάρχουν φυτά με φύλλα, έντομα με έξι πόδια, φτερωτά πουλιά, φίδια που γλιστράουν και θηλαστικά που περπατούν. Στη θάλασσα η ζωή παίρνει ακόμα πιο περίεργες μορφές. Ο μικροσκοπικός κόσμος είναι τόσο περίεργος όσο και απλός. Για χρόνια, οι επιστήμονες έχουν μπερδευτεί με την προοπτική να μελετήσουν αυτή τη ζωή που δεν φαίνεται να ακολουθεί κανέναν παγκόσμιο κανόνα.
Η χρήση μοντέλων οργανισμών δεν ήταν πάντα μια στρατηγική που χρησιμοποιούσαν οι επιστήμονες. Στο παρελθόν, οποιοδήποτε ζώο ήταν εύκολα διαθέσιμο χρησιμοποιήθηκε για πειραματισμούς. (Φωτογραφία:unoL/ Shutterstock)
Για να μπορέσουν να κατανοήσουν καλύτερα αυτή την ποικιλομορφία, οι επιστήμονες άρχισαν να κινούνται επιλέγοντας εκπροσώπους της ζωής. Επέλεξαν έναν οργανισμό στον οποίο θα μπορούσαν να πειραματιστούν και δήλωσαν ότι τα αποτελέσματα θα ίσχυαν περισσότερο ή λιγότερο σε άλλες παρόμοιες μορφές ζωής. Όσο απλό και αν φαίνεται γραπτώς, χρειάστηκε λίγος χρόνος για να καταλάβει η επιστήμη πώς να μελετήσει τη ζωή που βρίθει σε όλο τον πλανήτη.
Οι πρώτοι πρότυποι οργανισμοί
Όπως συμβαίνει με πολλές ιστορικές τροχιές, έτσι και αυτή ξεκινά από τους αρχαίους Έλληνες. Ο Αριστοτέλης και ο Ερασίστρατος ανακάλυψαν ανατομικές διαφορές μεταξύ διαφορετικών ειδών ζώων πραγματοποιώντας ανατομές σε διάφορα ζώα. Δεν υπήρχε διακριτική ευχέρεια ως προς το ποιο ζώο να διαλέξετε ή ποια συγκεκριμένη πτυχή να μελετήσετε.
Οι άντρες της επιστήμης (επειδή ήταν συνήθως άντρες εκείνες τις μέρες, δυστυχώς) ήταν σαν μικρά παιδιά που μαλώνουν αδιακρίτως τα παιχνίδια για να δουν πώς έμοιαζαν από μέσα.
Γιατροί όπως ο πανίσχυρος Ιπποκράτης και ο Γαληνός εργάστηκαν με πτώματα και μελέτησαν ανθρώπους με διαφορετικές ασθένειες για να μάθουν περισσότερα για την ανθρώπινη κατάσταση. Έγραψαν μνημειώδεις πραγματείες για τις παρατηρήσεις τους που θα άνοιξαν το δρόμο για τη σύγχρονη ιατρική.
Ωστόσο, η δοκιμή στο ανθρώπινο σώμα δεν ήταν απλή υπόθεση. Από ηθική άποψη, ήταν απρόβλεπτο να εκτελούνται ανατομές σε νεκρά πτώματα (οδηγώντας τους επιστήμονες να αγοράζουν παράνομα νεκρούς από τυμβωρύχους) και βλάσφημο να πραγματοποιούν ζωντανές ανατομές. Για να μελετήσουν την ανθρώπινη μορφή, πολλοί χρειάστηκε να καταφύγουν στη χρήση οικόσιτων ζώων που ήταν στη διάθεσή τους εκείνη την εποχή.
Ευτυχώς, σημειώθηκε μια αργή αλλά σταθερή αλλαγή στη βιολογική έρευνα. Στη δεκαετία του 1700 και του 1800, οι επιστήμονες άρχισαν να πραγματοποιούν πειράματα σε συγκεκριμένους οργανισμούς. Ο Antoine Lavoisier χρησιμοποίησε ινδικά χοιρίδια για να αποδείξει ότι η αναπνοή ήταν ένας τύπος καύσης τροφής. Τα πρόβατα (με άνθρακα) ήταν το ζώο που προτιμούσε ο Λουί Παστέρ για τη διαμόρφωση της μικροβιακής θεωρίας της νόσου.
Στο γύρισμα του 19ου αιώνα, μετά την εκ νέου ανακάλυψη του λαμπρού έργου του Γκρέγκορ Μέντελ για την κληρονομικότητα στα μπιζέλια, οι επιστήμονες ξεκίνησαν το ταξίδι της ενεργητικής αναζήτησης μοντέλων οργανισμών. Ο Μέντελ είχε εξετάσει προσεκτικά σε ποιο φυτό επρόκειτο να κάνει τις δοκιμές του και εξήγησε λεπτομερώς το σκεπτικό του στο έργο του. Το έργο του Μέντελ και η ένθερμη έρευνα για τον κόσμο κάτω από το μικροσκόπιο έκαναν ακούσια τους επιστήμονες να εξετάσουν πιο προσεκτικά τη ζωή με την οποία δούλευαν.
Η έρευνα του Τόμας Μόργκαν Χαντ χρησιμοποιώντας τη μύγα των φρούτων θα του κέρδισε το βραβείο Νόμπελ και θα έκανε τη μύγα σούπερ σταρ (Προστασία φωτογραφίας:δημόσιος τομέας/Wikimedia Commons)
Μια λίστα με δημοφιλή μοντέλα οργανισμών που χρησιμοποιούνται στη βιολογία
Η ποικιλία των ζώων που χρησιμοποιήθηκαν για έρευνα ήταν τεράστια. Ένας οργανισμός ιδεών ήταν εύκολα διαθέσιμος και κατοικήσιμος σε ένα εργαστήριο, σχετικά εύκολος στην εργασία και φθηνός (αν ήταν δυνατόν). Δεν έγινε μια συντονισμένη προσπάθεια συστηματοποίησης της εργασίας σε έναν οργανισμό ως παράδειγμα για το μεγαλύτερο ζωικό βασίλειο (και κατ' επέκταση, τον ζωντανό κόσμο).
Η ερώτηση συχνά καθοδηγούσε τη χρήση ενός συγκεκριμένου οργανισμού που θα μπορούσε να χρησιμεύσει για να δώσει μια συγκεκριμένη απάντηση. Μερικά ζώα χρησιμοποιήθηκαν πιο συχνά από άλλα, όπως τρωκτικά, σκύλοι και κοτόπουλα.
Η μύγα των φρούτων – Drosophila melanogaster
Όλα αυτά θα άλλαζαν όταν ο Thomas Hunt Morgan ξεκίνησε τη δουλειά του με την κοινή μύγα φρούτων γύρω στο 1906.
Ο Μόργκαν εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια με στόχο να εξετάσει το νέο πεδίο της μεντελικής κληρονομικότητας και τη χρωμοσωμική θεωρία της κληρονομικότητας. Προσπάθησε να δουλέψει με ποντίκια και να παρατηρήσει τα χρώματα του τριχώματος τους, αλλά ήταν δυσαρεστημένος με τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν. Κάπως (κάποιοι λένε ότι το συνέστησε ένας συνάδελφος), ο Μόργκαν έπεσε πάνω στη μύγα των φρούτων. Άρχισε να εκτρέφει αυτές τις μύγες με σχολαστική φροντίδα και ακρίβεια. Εργάστηκε στο έργο για δύο χρόνια προτού οι μεταλλαγμένοι του με τα ασπρόμαυρα μάτια σηκώσουν το κεφάλι τους.
Αυτά τα μεταλλαγμένα όχι μόνο έκαναν τον εκτροφέα τους στη φήμη, αλλά εξύψωσαν και το δικό τους είδος. Drosophila melanogaster σύντομα έγινε βασικό στοιχείο για πειραματικούς ερευνητές που αναζητούσαν να μελετήσουν τη γενετική. Ήταν μικρό, εύκολο στην αναπαραγωγή και τη συντήρηση, και πολλές από τις μεταλλάξεις του ήταν ορατές μέσω παρατήρησης χωρίς φανταχτερό εξοπλισμό.
Η Drosophila κέρδισε σε πολλούς ερευνητές βραβεία Νόμπελ, όχι μόνο στον τομέα της γενετικής, αλλά και στη νευροεπιστήμη και την αναπτυξιακή βιολογία. Μεταλλαγμένοι της Drosophila ήταν πανταχού παρόντες και φαινόταν ότι οι επιστήμονες απλά δεν μπορούσαν να χορτάσουν αυτή τη μύγα.
Drosophila melanogaster μπορεί να θεωρηθεί το πρώτο αληθινό πρότυπο οργανισμό. (Φωτογραφία:Sanjay Acharya/Wikimedia Commons)
Drosophila είναι το πιο αξιοσημείωτο από τη συμμορία του πρότυπου οργανισμού. Λίγο μετά τη Drosophila , οι επιστήμονες άρχισαν να καταβάλλουν μια πιο συντονισμένη προσπάθεια για την εύρεση και χρήση άλλων οργανισμών-μοντέλων. Αυτό θα βοηθούσε στην προώθηση της έρευνας για τα θεμελιώδη στοιχεία της βιολογίας γρηγορότερα από οποιαδήποτε άλλη περίοδο επιστημονικής έρευνας.
Caenorhabditis elegans ή C. elegans
Ένας μικρός νηματώδης 1 mm με 959 σωματικά (μη σεξουαλικά) κύτταρα που ονομάζεται Caenorhabditis elegans οδήγησε τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς πεθαίνουν τα κύτταρα. Σήμερα, το μικρό ζώο που αναπαράγεται γρήγορα και συντηρείται εύκολα βοηθά τους ερευνητές να διερευνήσουν το νευρικό σύστημα, τη γήρανση και τον θάνατο.
Τρωκτικά
Οι διάσημοι εργαστηριακοί αρουραίοι που τριγυρνούν σε κλουβιά έχουν χρησιμοποιηθεί για κάθε είδους έρευνα. Τα ποντίκια και τα τρωκτικά γενικά μάς έχουν βοηθήσει να διερευνήσουμε τρομερά συμπεριφορές όπως ο φόβος και η έλξη.
Τα ποντίκια έχουν επίσης πολλά κοινά γενετικά με τους ανθρώπους. Αυτό τα καθιστά καλά ζωικά μοντέλα για να δοκιμάζουν φάρμακα και εμβόλια πριν φτάσουν στη φάση της κλινικής δοκιμής σε ανθρώπους.
Escherichia coli
Σε μικρότερη κλίμακα, η μαγιά και τα βακτήρια Escherichia coli (γνωστός και ως E.coli ) έχουν απαντήσει σε ερωτήσεις σε πιο κυτταρικό και μοριακό επίπεδο.
Arabidopsis thaliana και καλαμπόκι
Το φυτό Arabidopsis thaliana έχει γίνει το παιδί αφίσας για τη μοριακή γενετική των φυτών, ενώ ο αραβόσιτος χρησιμοποιήθηκε περίφημα από την Barbara McClintock όταν ανακάλυψε τρανσποζόνια.
Τιμητικές αναφορές
Έμβρυα κοτόπουλου με καρδιές που χτυπούν στον κίτρινο κρόκο για να διερευνηθεί πώς ένα μεμονωμένο κύτταρο μπορεί να γίνει ένα ζωντανό κοτόπουλο που αναπνέει και μια νεότερη προσθήκη το ψάρι ζέβρα—το οποίο γίνεται δημοφιλές κατά τη μελέτη του νευρικού συστήματος και της συμπεριφοράς των ζώων.
Οι μεμονωμένες κυτταρικές σειρές δεν μπορούν να εξηγήσουν πλήρως μερικά από τα παράξενα και παράξενα γεγονότα που συμβαίνουν στη φύση. Τα κεφαλόποδα (καλαμάρια, χταπόδι και ναυτίλος) έχουν ένα περίπλοκο και ενδιαφέρον νευρικό σύστημα που θα μπορούσε να μελετηθεί εντονότερα για την κατανόηση των νευρώνων. Το καλαμάρι της Χαβάης έχει μια συμβιωτική σχέση με τα φωτοβακτήρια και έναν πολύ μεγάλο εγκέφαλο (τουλάχιστον για το μέγεθος του σώματός του).
Τα πλανάρια σκουλήκια, οι σαλαμάνδρες και οι αξολότλ μπορούν να αναγεννήσουν τα μέρη του σώματός τους, μια ερευνητική περιοχή που βρίσκεται ακόμη στα εκκολαπτόμενα στάδια. Το κόστος της αλληλουχίας του γονιδιώματος έχει μειωθεί και η τεχνολογία όπως το CRISPR καθιστά εφικτή τη χρήση περισσότερων μη συμβατικών οργανισμών για τη μελέτη με βαθύτερους και πιο διαφωτιστικούς τρόπους!
Καθένας από αυτούς τους οργανισμούς έχει μελετηθεί και περιγραφεί εντατικά από ειδικούς σε όλο τον κόσμο. Τα γονιδιώματά τους έχουν αποσαφηνιστεί και έχουν σημειωθεί οι κύκλοι ζωής τους. Κάθε κόλπο και συμβουλή έχει ανακαλυφθεί, δίνοντας στους επιστήμονες άνευ προηγουμένου ελευθερία να είναι δημιουργικοί στη δουλειά τους.
Οι αχινοί χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της εμβρυολογίας. (Φωτογραφία :A. Mertens/ Shutterstock)
Συμπέρασμα:
Αν και πολλοί ερευνητές εξακολουθούν να χρησιμοποιούν ζώα, φυτά και μικρόβια για να βρουν απαντήσεις, η εστίαση στρέφεται στη χρήση κυττάρων iPS (επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα) και σε απομονωμένες καλλιέργειες ιστού. Η εργασία σε μεμονωμένες κυτταρικές σειρές παρέχει ελευθερία από τους ηθικούς περιορισμούς της χρήσης μοντέλων οργανισμών στην έρευνα. Αυτές οι κυτταρικές σειρές και τα βλαστοκύτταρα μπορούν να τοποθετηθούν σε οποιοδήποτε εξωτερικό περιβάλλον και να υποβληθούν σε γενετικούς χειρισμούς για να δούμε μια αλλαγή στις μοριακές και γενετικές αποκρίσεις τους.
Ωστόσο, η ζωή είναι παράξενη και υπέροχη και υπάρχουν τόσα πολλά που πρέπει ακόμη να εξερευνηθούν.
