مصر: إيهاب محمد زايد
الأسماك الطائرة والحيوانات الأليفة في حوض السمك تخضع لأسرار التطور.تكشف دراسات جديدة عن “القواعد” الجينية القديمة والمشتركة التي تدعم التطور المتنوع لزعانف الأسماك وأطراف رباعي الأرجل. يمكن للأسماك الطائرة أن تنزلق فوق سطح المحيط بسبب التكيفات في نسب أجسامها. القليل من المستغرب الوراثي
للهروب من الحيوانات المفترسة تحت الأمواج ، يمكن للأسماك الطائرة أن تنطلق من الماء وتنزلق لمسافات طويلة لأن زعانفها الصدرية والحوضية ، أطول وأكثر صلابة من تلك الموجودة في الأسماك الأخرى ، تعمل كجناح. في انتصار ملتوي للتطور ، تحولت الكائنات التي كانت ذات يوم مائية بصرامة إلى كائنات محمولة جواً بشكل مؤقت من خلال بعض التعديلات في شكل الجسم.
في الآونة الأخيرة ، أبلغت مجموعة من الباحثين بقيادة ماثيو هاريس من كلية الطب بجامعة هارفارد ومستشفى بوسطن للأطفال عن الأساس الجيني لتطور تلك الزعانف غير العادية: من خلال مجموعة مبتكرة من التقنيات ، اكتشفوا أن التغييرات في جينين فقط كانت كافية لإنشاء شكل الجسم المميز للأسماك الطائرة. عندما حدثت هذه الطفرات في نوع من أسماك الزينة الشائعة ، بدأت نسبها في التحول بطرق مماثلة.
قال هاريس: “عندما بدأنا في evo-devo ، لم يكن هناك تفكير في أننا سنكون قادرين على القيام بهذه القفزات الكبيرة في الشكل بمثل هذه القواعد البسيطة”. ظهرت الدراسة في عدد 22 نوفمبر من مجلة Current Biology.
تعتبر النتائج جديرة بالملاحظة جزئيًا لأنها تلمح إلى أن الإشارات الكهربية الحيوية داخل الأنسجة النامية ، وليس فقط الإشارات الكيميائية “المورفولوجية” ، يمكن أن تنظم نمو وشكل الزعانف النامية وربما الهياكل الأخرى. توضح هذه الدراسة والعمل السابق بوضوح كيف يمكن للتغيرات الجينية الصغيرة أحيانًا أن تنتج تغيرات مورفولوجية كبيرة لها عواقب تطورية مهمة.
ينشأ الكثير من التنوع الذي لا يسبر غوره لأشكال الحيوانات في الطبيعة من تلاعب الانتقاء الطبيعي بالبرامج الجينية التي تتحكم في التطور. يمكن أن يؤدي تعديل توقيت وسرعة نمو الأنسجة إلى شد أو تقليص الهياكل ، أو حتى إدخال العظام وحذفها ، لإنشاء تعديلات جديدة تفتح مجالات جديدة للأنواع. Evo-devo ، الدراسة البيولوجية لهذه العملية ، لها تاريخ طويل ، ولكن لم يتمكن الباحثون إلا مؤخرًا نسبيًا من البدء في البحث عن الجينات المسؤولة عن تغييرات معينة.
ثلاث صور لسمكة طائرة من زوايا مختلفة.
في الأسماك الطائرة ، تكون الزعانف الصدرية المزدوجة (بالقرب من المقدمة) والزعانف الحوضية (أمام الذيل) أطول وأكثر صلابة من معظم أنواع الأسماك العظمية الأخرى ، مما يمكنها من العمل كجناح. الزعانف المتوسطة في أعلى وأسفل السمكة صغيرة نسبيًا ، مما يقلل من مقاومة الهواء.
فاليري إيفلاخوف
للبحث عن الأساس الجيني لشكل جسم السمكة الطائرة ، بدأ الباحثون في مختبر هاريس بتسلسل ومقارنة جينومات 35 نوعًا من الأسماك الطائرة وأقاربهم. من خلال البحث عن مناطق الحمض النووي التي تغيرت بسرعة غير معتادة بين الأنواع ، حددوا الجينات التي يبدو أنها تطورت تحت ضغط الاختيار.
سمح هذا التحليل المقارن للباحثين بالبحث عن العوامل الرئيسية الدافعة لتشكيل نوع الجسم الجديد ، كما أوضح جوست وولترنج ، عالم الأحياء التطورية بجامعة كونستانز في ألمانيا والذي يعمل على تطور وتطور تنوع الزعانف والأطراف. “ولكن كيف ستكتشف ما إذا كان الجين هو حقًا البندقية الدخانية التي تحدث فرقًا؟ لا يمكنك تعديله في السمكة الطائرة ، “قال. “عليك أن تلجأ إلى شيء ما حيث يمكنك فعل ذلك بالفعل.”
وبناءً على ذلك ، لجأ فريق هاريس إلى أسماك الزيبرا (Danio rerio) ، وهي أسماك المياه العذبة التي يتم الاحتفاظ بها على نطاق واسع كحيوانات أليفة في أحواض السمك ولكن أيضًا كحيوانات بحث. استخدم فريقه المواد الكيميائية وأشعة جاما لإنشاء طفرات عشوائية في أكثر من 10000 من أجنة أسماك الزيبرا. لقد بحثوا في أولئك الذين نجوا حتى سن الرشد عن سمات أو أنماط ظاهرية للبالغين. كان هذا النهج غير معتاد لأن الدراسات الجينية لأسماك الحمار الوحشي تركز عادةً على التطور الجنيني للحيوانات.
قام جاكوب دان ، باحث ما بعد الدكتوراة في مختبر هاريس في ذلك الوقت ، وزملاؤه بفحص مجموعة من أسماك الزيبرا المعروفة سابقًا ذات الزعانف الطويلة لتحسين بحثهم عن المتغيرات الجينية التي قد تنظم نمو زعانف الأسماك الطائرة. لقد استقروا على اثنين: kcnh2a ، وهي طفرة تجعل الخلايا تفرط في التعبير عن قنوات البوتاسيوم على غشاءها الخارجي ، و Lat4a ، وهي طفرة فقدان الوظيفة التي تعطل قدرة الخلايا على نقل ليسين الأحماض الأمينية.
أظهر الباحثون أنه في أسماك الحمار الوحشي ، تسبب طفرات فقدان الوظيفة في ناقل الليوسين أن تكون جميع الزعانف قصيرة ، في حين أن طفرة الإفراط في التعبير في قنوات البوتاسيوم تؤدي إلى تكوّن جميع الزعانف.
ه طويلة. أي من هذه الطفرات في حد ذاته ينتج سمكة خرقاء. ولكن عندما يتم الجمع بين الطفرتين ، فإن سمكة الحمار الوحشي الناتجة لها زعانف صدرية طويلة وزعانف متوسطة أقصر ، تمامًا مثل شكل السمكة الطائرة.
أنشأ مختبر ماثيو هاريس ، الباحث في مستشفى بوسطن للأطفال وكلية الطب بجامعة هارفارد ، 10000 نوع متحور من أسماك الزيبرا (Danio rerio) كمورد وراثي لدراسة تطور الزعانف والأطراف. تستخدم أسماك الزيبرا على نطاق واسع في دراسات الوراثة والتطور ، ولكنها أيضًا تحظى بشعبية كحيوانات أليفة في أحواض السمك.
قال دان ، الذي أطلق مؤخرًا مختبره الخاص في جامعة هيوستن: “يمكن أن تمنحك طفرة في نقطة واحدة في بعض الحالات زعانف كبيرة حقًا”. “لا أعرف العديد من الأنظمة الأخرى حيث يوجد هذا المستوى من البساطة من حيث التغييرات الكبيرة في الحجم في حجم العضو من هذا القبيل.”
تطورت خطة جسم السمكة الطائرة بشكل مستقل عدة مرات في سلالات مختلفة ، وكانت تعتمد دائمًا على نفس أنواع الطفرات في ناقل الليوسين وقناة البوتاسيوم. إن طفرات ناقل الليوسين في السلالات المختلفة ليست متطابقة ، لكنها تسبب نفس تغير الأحماض الأمينية – وهو دليل على أن السلالات تصطدم بشكل مستقل بنفس الحيلة الجينية لتطوير هذا الشكل. قالت سارة مكمينامين ، عالمة الأحياء التنموية التطورية للأسماك في كلية بوسطن: “لقد استهدفت الطبيعة نفس الجين المحدد في سياقين مختلفين”.
لا تزال كيفية تسبب طفرة قناة البوتاسيوم في النمو الإضافي في الزعنفة لغزا. قال هاريس: “لا يشبه الأمر تفاعلًا بين المستقبلات والرابطات حيث ترتبط الأشياء بالمستقبل في داخل الخلية ، وتنتقل إلى أسفل وتؤدي إلى نسخ شيء ما”. بدلاً من ذلك ، يؤدي الإفراط في التعبير عن قناة البوتاسيوم إلى تغيير إمكانات غشاء الراحة ودرجة الحموضة في السيتوبلازم ، مما يجعل الخلية أكثر نشاطًا واستجابة. نتيجة لذلك ، تبدأ خلايا الزعانف في إظهار سمات إشارات مرتبطة عادةً بالخلايا العصبية والخلايا الجذعية. قال هاريس إنه من المحتمل أن التغييرات في إشارات الخلية قد تغير كيفية نمو الزعنفة ، لكن هذا لا يزال تخمينًا. قال: “كل هذا جديد ، أرض خصبة ، والناس لا يفهمون كثيرًا عنها”.
شكل يصف أحد الاختلافات الجينية الرئيسية بين الأسماك الطائرة وأنواع الأسماك العظمية الأخرى.
عندما منع الباحثون أيونات البوتاسيوم من المرور بين خلايا الزعانف – في الواقع ، مما أدى إلى إبطال طفرة قناة البوتاسيوم – وجدوا أنها تمنع نمو الزعانف. إنهم يفترضون أنه خلال بعض مراحل التطور ، تعمل خلايا الزعنفة مثل المخلية ، وهي كتلة حشوية مفردة بها العديد من النوى العائمة فيها. إذا كان الأمر كذلك ، يمكن أن تنشئ أيونات البوتاسيوم مجالًا كهربائيًا يمتد عبر الزعنفة بأكملها ، مما يخلق “احتمالًا أكبر لتنسيق الإشارات بعيد المدى أكثر من المورفوجين النموذجي أو العامل المفرز” ، على حد قول هاريس. (رأى باحثون آخرون أيضًا أدلة على أن المجالات الكهربائية قد تلعب دورًا لا يحظى بالتقدير الكافي في توجيه شكل الأنسجة النامية).
يعتمد العمل الجديد على اكتشاف سابق مثير حول تطور الزوائد التي جاءت من مختبر هاريس في فبراير 2021. وأظهرت دراسة أجراها برنت هوكينز وكاترين هينك وهاريس في الخلية أن طفرة واحدة يمكن أن توقظ إمكانية كامنة لتشكيل الأطراف في زعانف أسماك الحمار الوحشي ، على الرغم من أن أسلاف أسماك الزيبرا تباعدت منذ حوالي 450 مليون سنة عن السلالات التي أدت لاحقًا إلى ظهور رباعيات الأرجل. نظرت دراستان من مختبرات أخرى نُشرت عبر الإنترنت مع هذه الدراسة في الخلية في جينومات الأسماك ذات الزعانف الشعاعية المبكرة وسمك الرئة الأفريقي واقترحت أن القدرة على بناء الأطراف كانت موجودة في السلف المشترك لجميع الأسماك العظمية.
عادة ما تتصل الزعنفة الصدرية لأسماك الزيبرا بالجسم بطبقة واحدة فقط من العناصر العظمية ، الشعاعات القريبة ، والتي تتصاعد مباشرة مع “كتف” السمكة. ولكن في سمكة الحمار الوحشي الطافرة التي اكتشفها فريق هاريس في الشاشة الجينية ، شكلت عظمتان جديدتان “شعاعيان متوسطان” مفصلًا مع نصف القطر القريب. حتى أن الباحثين وجدوا عضلات مرتبطة بالعظام الجديدة.
قال هوكينز: “لذلك مع طفرة واحدة فقط ، فإننا لا نصنع فقط هذه القطعة الجديدة من النسيج العظمي ، بل نصنع هيكلًا جديدًا تمامًا ومتكامل بشكل جيد ومخطط جيدًا”. هذا النوع من الارتداد ، أو الارتداد ، الذي يعود إلى مئات الملايين من السنين من التطور ، يكشف عن مدى قدم “القواعد” الجينية وتشاركها في صنع الزعانف والأطراف.
“ما أظهره مختبر هاريس من خلال هذا العمل هو حقًا الوعاء الجيني قال ماكمينامين: “إن هذه التفاصيل في الهيكل الداخلي لا تزال محتجزة في الأسماك الحديثة ذات الزعانف الشعاعية ، ولديها القدرة على التطور لبناء هياكل أكثر تفصيلاً”.
يبدو أن الأسماك الطائرة قد طورت شكلها غير المعتاد من الحركة كإستراتيجية لتفادي الحيوانات المفترسة التي تسبح تحت الأمواج مباشرة.
تستمر الدراسات الجديدة في الظهور من مختبرات أخرى ، مما يزيد من تعزيز النقطة التي تتطور فيها الزعانف والأطراف تحت التأثير الجيني للآليات المحفوظة للغاية. في تشرين الثاني (نوفمبر) ، حددت ورقة بحثية نُشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم الجين الذي ينظم تكوين الأصابع في أطراف رباعي الأرجل وهيكل الحواف الخارجية للزعانف. في الشهر نفسه ، كشفت دراسة في Current Biology أن القدمين الخلفيتين الممدودتين من الجربوع – وهي قوارض صغيرة ذات قدمين يمكنها القفز والقفز والجري بسرعات غير عادية – ناتجة عن جين يسبب نموًا غير متناسب للعظام في أطرافها ، على عكس النمو التوافقي. شوهد في زعانف السمك الطائر.
إلى ماركوس ديفيس ، عالم الأحياء التطوري التطوري في جامعة جيمس ماديسون ، فإن تراكم الأدلة على أن الأطراف والزعانف لها أساس وراثي تنموي مشترك “يؤدي حقًا إلى السؤال الأكثر إثارة للاهتمام ، وهو من أين أتى برنامج التطوير الأصلي بحق الجحيم؟” من المحتمل أن يكون البرنامج التنموي للزعانف والأطراف قد تم تعديله من برنامج تنموي أقدم لأجزاء أخرى من الجسم. قال: “كان يجب أن يأتي من مكان ما ، ولم يتم بناؤه بين عشية وضحاها”. “إذن ما هو الجزء الآخر من بناء الجسم الذي تم تعديله بمرور الوقت لبناء برنامج الزائدة هذا؟”
تيتسويا ناكامورا Tetsuya Nakamura ، عالم الأحياء التنموي في جامعة روتجرز الذي يدرس انتقال الأسماك إلى رباعيات الأرجل ، يشتبه في أن البرنامج الجيني لبناء زعانف وأطراف مقترنة مستمد من تطور الزعانف الظهرية والشرجية ، وهي أقدم من الزعانف المزدوجة. الجلكيات ، وهي مجموعة من الأسماك عديمة الفك والتي تطورت لأول مرة منذ حوالي نصف مليار سنة ، لها زعانف ظهرية وشرجية ولكن ليس لها زعانف مقترنة.
ولكن على الرغم من أن الزوائد وأشكال الجسم المتباينة لها جذور في نفس الشبكات الجينية القديمة ، يلاحظ وولترنج أن التحولات بين هذه الأشكال كانت انتقالات رئيسية. قال “إن الطرف رباعي الأرجل هو حداثة تطورية – أعتقد ذلك بالتأكيد”. وبالتالي ، لا يزال هناك الكثير لنتعلمه حول العوامل التي مكنت هذه التغييرات من التطور.
كيف تتطور الأعضاء الجديدة؟ تظهر غدة الخنفساء الطريق.
يشير التحليل الرياضي لأجنحة ذبابة الفاكهة إلى حدود التطور
علماء الأحياء يعيدون التفكير في المنطق وراء الإشارات الجزيئية للخلايا
النهج غير التقليدي المستخدم في مختبر هاريس ، والذي أشاد به ديفيس ووصفه بأنه “غير تقليدي وحديث” ، وأشاد ماكمينامين بأنه “إبداعي” و “جولة القوة” ، يشير إلى طريقة قد يجد بها باحثو evo-devo إجابات. في البحث عن الجينات التي تنظم البرامج التنموية ، غالبًا ما تبحث الدراسات في بعض المشتبه بهم المعتادين ، مثل إشارات الأنسولين لقياس التباين وجينات Hox لتشكيل الأطراف والزعانف. لكن فريق هاريس اتخذ نهجًا أكثر حيادية ، باستخدام علم الجينوم المقارن والشاشات الجينية واسعة النطاق لتحديد الأسماك ذات الأنماط الظاهرية ذات الصلة والمثيرة للاهتمام. قال ماكمينامين: “كان عليهم أن يكونوا مستعدين تمامًا لمتابعة ما قادهم هذا النمط الظاهري”.
قال هاريس: “عندما نبدأ في طرح الأسئلة الصحيحة على الكائنات الحية ، تظهر أشياء غير متوقعة – أشياء لا نتوقعها من إجراء دراسات كلاسيكية على مستوى السكان”.
