Una dintre marile realizări ale secolului al XIX-lea o constituie teoria celulară elaborată de botanistul M. J. Schleiden şi de zoologul T. Schwann. Pentru prima oară în istoria ştiinţei se demonstrează un fapt extraordinar, şi anume că toate vieţuitoarele cunoscute, de la cele mai simple până la cele mai complexe (inclusiv omul), sunt alcătuite din unităţi mai mici, denumite celule (de la cuvântul latin cellula = încăpere mică). Teoria celulară a stat la temelia concepţiei ştiinţifice potrivit căreia diversele specii de plante şi animale (începând cu microorganismele care nu se văd cu ochiul liber şi sunt formate dintr-o singură celulă, şi până la om, organismul căruia este clădit din aproximativ cinci mii miliarde de celule) au o structură unitară şi comună, ele fiind constituite di celule care provin exclusiv din alte celule. Această teorie a avut o mare însemnătate pentru progresul biologiei, putând fi pe drept cuvânt considerată ca una din marile descoperiri ale secolului trecut.

Prima definiţie corectă a celulei a fost dată în 1861 de către anatomistul M. Schultze, care consideră că celula este o picătură de citoplasmă cu nucleu. Este, desigur, o definiţie simplistă, ceea ce nu trebuie să ne mire, dacă ţinem seama de mijloacele de cercetare ale epocii respective.

O dată însă, cu dezvoltarea acestor mijloace (microscoape, metode de fixare şi colorare etc.), studiul celulei a luat un mare avânt şi a dus la descoperiri însemnate privind structura şi funcţiile celulare. S-au pus astfel bazele unei ştiinţe noi, citologia, care are ca obiect de studiu celula. O descoperire cu totul remarcabilă a fost făcută în 1875, de citologul E, Strassburger. El a constatat că în momentul când celula se divide, nucleul se împarte în nişte structuri pe care el le-a numit cromozomi, adică corpusculi coloraţi. (R. Brown a observat pentru prima oară cromozomii la microscop, încă în 1831, dar importanţa lor biologică a fost sesizată mult mai târziu, abia după ce s-a descoperit diviziunea celulară). În 1882, W. Fleming descoperă modul de înmulţire al celulelor, adică fenomenul diviziunii celulare, denumit mitoză, prin care dintr-o celulă se formează două, din două se formează patru etc., înmulţirea realizându-se în progresie geometrică (1-à2-à4-à8-à16-à32 etc.). În felul acesta, dintr-o singură celulă se poate obţine în cursul a 50 de diviziuni succesive un număr de 100.000 miliarde de celule. O altă realizare remarcabilă a citologiei a constituit-o descoperirea modului cum se realizează fecundaţia – la animale de către O. Hertwig, în 1865, şi la plante de către E. Straussburger în 1884.

Dezvoltarea citologiei experimentale şi în special studiul diviziunii celulare a demonstrat că numărul de cromozomi existenţi în fiecare celulă şi caracteristic pentru specia respectivă se păstrează constant la celulele fiice. Aceasta datorită faptului că diviziunea celulară se desfăşoară în mod similar la cele mai diverse specii de plante şi animale, având anumite faze care permit dedublarea* numărului de cromozomi şi împărţirea lor în mod egal la cele două celule fiice.

De pildă, în fiecare din celulele corpului şoarecelui (celulele somatice) se află câte 40 de cromozomi. În cursul diviziunii, la un moment dat cromozomii se dedublează, ajungând la 80 şi se împart apoi egal în celulele fiice, care vor avea în final tot câte 40 de cromozomi. Pe lângă acest tip de diviziune celulară -- diviziune mitotică sau mitoză --, există şi un altul, cunoscut sub numele de meioză sau diviziune reducţională, care duce la formarea celulelor sexuale (gameţi):ovule şi spermatozoizi, dispunând numai de jumătate din numărul de cromozomi al celulelor corpului. La şoarece de exemplu, gameţii au câte 20 de cromozomi. Dacă după ce a avut loc formarea gameţilor (prin diviziune reducţională) o ovulă, având în nucleu 20 de cromozomi, se uneşte cu un spermatozoid, în nucleul căruia se găseşte acelaşi număr de cromozomi, se obţine o celulă-ou (zigot), numărând 40 de cromozomi. Din celula-ou va rezulta apoi întreg organismul şoarecelui, clădit din celule cu câte 40 de cromozomi. Precizia cu care se realizează aceste procese este de-a dreptul extraordinară şi ea a pus pe gânduri pe cercetători.

În perioada de la începutul secolului nostru, în momentul în când s-au pus bazele ştiinţei despre ereditatea vieţuitoarelor (genetica), se căuta descoperirea unui substrat material celular care să explice transmiterea fidelă a caracterelor de la părinţi la urmaşi. Biologul american W. S. Sutton, în 1902,şi cel german T. Boveri, în 1904, au emis ideea potrivit căreia cromozomii sunt purtătorii factorilor ereditari (genelor) de la o celulă la alta şi de la o generaţie la alta. Cercetările efectuate ulterior de către geneticianul american Thomas Morgan şi şcoala sa, au demonstrat experimental justeţea acestei teze şi au dus la elaborarea teoriei cromozomiale a eredităţii. Ca toţi oamenii mari care au contribuit la dezvoltarea ştiinţei, dar adesea au exagerat importanţa descoperirii lor, şi Morgan a exagerat rolul cromozomilor în ereditate, negând posibilitatea existenţei unor factori ereditari situaţi în citoplasmă. Cercetările moderne de genetică au demonstrat clar că alături de ereditatea cromozomială, există şi ereditate necromozomială, ceea ce, nu diminuează meritul ştiinţific al lui Morgan. Din colaborarea creatoare dintre citologi şi geneticieni au apărut două ştiinţe noi de contact: cariogenetica, având ca obiect de studiu ereditatea la nivelul nucleului şi, respectiv al cromozomilor, şi citogenetica, care se ocupă cu studiul eredităţii la nivelul celulei.

În ultimele decenii, cercetările privind cromozomii şi mecanismul cromozomial al eredităţii au luat un mare avânt datorită folosirii unor metode şi tehnici de studiu. Cu ajutorul lor s-au făcut descoperiri însemnate privind structura intimă şi alcătuirea chimică a cromozomilor, importanţa lor în determinismul genetic al caracterelor şi în transmiterea informaţiei ereditare de la o generaţie la alta, modul de funcţionare şi rolul acestora în evoluţia organismelor etc. În mod cu totul deosebit, studiile efectuate la nivelul biomoleculelor ce intră în alcătuirea celulei şi cromozomilor au permis aprofundarea cunoştinţelor, privind structura şi mai ales funcţionarea acestui imens combinat industrial din microcosmos, care se cheamă celula vie.

“DANSUL CROMOZOMILOR”

Încă în secolul trecut, G. Mendel, unul din fondatorii genetici, a studiat fenomenul segregării* hibrizilor la plante şi a formulat mai mult din legile ei. Totuşi, multă vreme acest fenomen nu şi-a găsit o explicaţie satisfăcătoare pentru că nu se cunoştea modul de combinare a factorilor ereditari* părinteşti în organismul hibrid, precum şi modul separării lor după aceea, de-a lungul generaţiilor următore. Ipoteza lui W. Sutton şi T. Boveri privind plasarea factorilor ereditari pe cromozomi a oferit o bază pentru explicarea segregării la nivel celular.

Într-adevăr, pornind de la această ipoteză, la unele specii s-a putut urmări la microscop, ce se întâmplă cu cromozomii în cursul diviziunii reducţionale. Astfel, la lăcustă s-au făcut încrucişări între două subspecii la care cromozomii aveau o anumită mărime şi formă, aşa încât puteau fi uşor recunoscuţi la microscop. S-a constatat că în timp ce hibridul din prima generaţie moşteneşte jumătate din cromozomi de la mamă şi jumătate de la tată, în celulele sexuale pe care el le formează, cromozomii se distribuie întâmplător. Ca urmare, în generaţia a doua segregarea se produce potrivit legilor probabilităţii privind modul de combinare a cromozomilor proveniţi de la bunici.

Încrucişându-se două specii care au câte 6 cromozomi somatici, iar pe fiecare pereche de cromozomi se află câte o pereche de factori ereditari, hibridul va moşteni în chip egal de la mamă şi de la tată câte o jumătate din cromozomii şi, respectiv, factorii ereditari. Dacă, de exemplu, mama posedă factorii ereditari AA BB CC, iar tatăl factorii aa bb cc, hibridul va fi Aa Bb Cc. În cursul diviziunii reducţionale, el va forma opt tipuri de gameţi, datorită faptului că în metafaza meiozei cromozomii omologi se grupează doi câte doi şi apoi migrează la polii celulei în mod diferit, indiferent de originea lor. Rezultatul este formarea a opt tipuri de gameţi diferiţi în ceea ce priveşte factorii ereditari şi anume: ABC, abc, Abc, abC, AbC, aBc, Abc, aBC. Ţinând seama de faptul că sunt câte opt tipuri de gameţi femeli şi masculi, prin combinarea lor se obţin 64 de indivizi diferiţi din punct de vedere ereditar.

Fenomenul prin care în meioză cromozomii materni şi paterni se împerechează în funcţie de omologia lor şi apoi se separă pe bază de hazard, a fost denumit de cunoscutul genetician american Muller “dansul cromozomilor”.El a comparat cromozomii cu fetele şi băieţii dintr-o sală de dans, care pot forma numeroase cupluri, deoarece partenerii se pot schimba mereu între ei. Cu cât numărul cromozomilor şi, respectiv, al genelor pe cromozomi este mai mare, cu atât va fi mai mare numărul combinaţiilor posibile ale gameţilor. În cazul unei specii cu şase cromozomi somatici şi un singur factor ereditar pe fiecare cromozom, probabilitatea ca un gamet să fie diferit de altul este egală cu (1/2)³=1/8, iar ca un individ să fie diferit de altul este (1/2)⁶=1/64.

Majoritatea speciilor de la plantele şi animalele mai evoluate au, însă, un număr mai mare de cromozomi, iar numărul genelor pe fiecare cromozom poate ajunge chiar la câteva mii. Dacă vom considera, de pildă, că la om, care are 46 de cromozomi somatici, pe fiecare cromozom se află o singură genă, probabilitatea ca o celulă sexuală (ovulă sau spermatozoid) să fi diferită de alta este de (1/2)²³, adică 1/8388608, iar ca un individ să fie diferit ereditar de altul este de (1/2)⁴⁶. Această cifră depăşeşte de multe mii de ori populaţia globului. Trebuie precizat, că la om pe fiecare cromozom se află mai multe gene şi că între cromozomii-pereche se pot produce schimburi de segmente de cromatide, ceea ce măreşte încă şi mai mult numărul de combinaţii posibile între gameţi. Din această cauză, deşi pe pământ trăiesc peste trei miliarde de oameni, nu există doi indivizi identici, chiar dacă sunt fraţi (cu excepţia gemenilor monozigoţi).

Datorită “dansului cromozomilor” din cursul meiozei, precum şi altor fenomene genetice la plantele şi animalele care se înmulţesc sexuat se manifestă o mare variabilitate în rândul indivizilor, ceea ce este de mare importanţă biologică pentru supravieţuirea speciei. În condiţiile unui mediu variabil, numai speciile care dispun de o largă capacitate de variaţie şi de adaptare la acest mediu au şanse să supravieţuiască.