جينومات و وراثة الأسماك الكهربائية تكشف كيف يتكرر التطور
مصر -ايهاب محمد زايد
من خلال دراسة كيفية نشوء الأعضاء الكهربائية في سلالات مختلفة من الأسماك، اكتسب العلماء رؤى جديدة في تساؤل قائم منذ فترة طويلة في علم الأحياء التطوري.
إن ثعبان البحر الكهربائي هو أحد الأنواع العديدة من الأسماك التي تعيش في المياه العذبة في أمريكا الجنوبية والتي تولد الكهرباء للتنقل أو التواصل أو الصيد أو الدفاع عن نفسها. لقد طورت الأسماك في أفريقيا بشكل مستقل أعضاء كهربائية متشابهة بشكل لافت للنظر، على الرغم من أن التفاصيل الجزيئية لعملها مختلفة.
على طول قاع نهر الأمازون الموحل، تجوب الأسماك الثعبانية الكهربائية الظلام بحثًا عن الضفادع غير الحذرة أو غيرها من الفرائس الصغيرة. وعندما تسبح إحدى هذه الأسماك، تطلق نبضتين من الكهرباء بقوة 600 فولت لصعقها أو قتلها. هذا التكتيك في الصيد باستخدام الجهد العالي مميز، لكن حفنة من أنواع الأسماك الأخرى تستخدم الكهرباء أيضًا: فهي تولد وتستشعر الفولتات الأضعف عند الإبحار عبر المياه الموحلة البطيئة الحركة وعند التواصل مع أنواع أخرى من نوعها من خلال صدمات خفيفة تشبه شفرة مورس.
في العادة، عندما تشترك عدة أنواع في قدرة غير عادية مثل توليد الكهرباء، فهذا لأنها وثيقة الصلة ببعضها البعض. لكن الأسماك الكهربائية في أنهار أمريكا الجنوبية وأفريقيا تمتد إلى ست مجموعات تصنيفية مميزة، وهناك ثلاثة أنساب بحرية أخرى من الأسماك الكهربائية أبعد منها. حتى تشارلز داروين تأمل في كل من حداثة قدراتها الكهربائية والتوزيع التصنيفي والجغرافي الغريب لها في كتابه ” أصل الأنواع” ، حيث كتب من المستحيل أن نتصور الخطوات التي تم بها إنتاج هذه الأعضاء العجيبة” – ليس مرة واحدة فقط، بل مرارا وتكرارا.
ورقة بحثية حديثة وقد ساعد هذا البحث المنشور في مجلة “ساينس أدفانسز” على كشف هذا اللغز التطوري. ويقول هارولد زاكون : “نحن في واقع الأمر نتابع داروين فقط، كما يفعل أغلب علماء الأحياء.
من خلال تجميع الأدلة الجينومية، اكتشف فريقه في تكساس وزملاؤه في جامعة ولاية ميشيغان كيف نشأ عدد من الأعضاء الكهربائية المتشابهة بشكل لافت للنظر في سلالات الأسماك الكهربائية المنفصلة عن بعضها البعض بما يقرب من 120 مليون سنة من التطور و1600 ميل من المحيط.
كما اتضح، هناك أكثر من طريقة لتطوير عضو كهربائي، لكن الطبيعة لديها بعض الحيل المفضلة التي يمكن الاعتماد عليها.
وتتلقى الأسماك التي تدرسها مجموعة زاكون في أميركا الجنوبية وأفريقيا صعقات كهربائية من أعضاء كهربائية متخصصة تمتد على طول جزء كبير من أجسامها.
وتعمل خلايا العضلات المعدلة التي تسمى الخلايا الكهربية في الأعضاء على خلق تدرجات من أيونات الصوديوم. وعندما تنفتح بروتينات بوابة الصوديوم في أغشية الخلايا الكهربية، ينتج عن ذلك اندفاع من التيار الكهربائي. ويقول زاكون: “إنها أبسط إشارة يمكن تخيلها”.
في العضلات، تتدفق هذه الإشارات الكهربائية عبر الخلايا وبينها لمساعدتها على الانقباض من أجل الحركات، ولكن في الأعضاء الكهربائية يتم توجيه الجهد إلى الخارج. تعتمد قوة كل صدمة على عدد الخلايا الكهربائية التي تنطلق في وقت واحد. تطلق معظم الأسماك الكهربائية عددًا قليلًا فقط في كل مرة، ولكن لأن ثعابين البحر الكهربائية تحتوي على عدد غير عادي من الخلايا الكهربائية، فإنها يمكن أن تطلق جهدًا كهربائيًا قويًا بما يكفي لقتل الفرائس الصغيرة.
قام فريق من الباحثين بقيادة الدكتور جون جوردان (من جامعة يوتا) وزملاؤه الآخرون بإعادة بناء جانب رئيسي من تطور هذه الأعضاء الكهربائية من خلال تتبع التاريخ الجينومي للأسماك.
لقد بدأت هذه الظاهرة منذ ما بين 320 مليون و400 مليون سنة مضت، عندما نجا سلف جميع الأسماك المصنفة ضمن فئة الأسماك العظمية من حادثة جينية نادرة أدت إلى مضاعفة جينومها بالكامل. إن مضاعفة الجينوم بالكامل غالباً ما تكون مميتة بالنسبة للفقاريات.
ولكن لأنها تخلق نسخاً زائدة عن الحاجة من كل شيء في الجينوم، فإن التكرار يمكن أن يفتح أيضاً إمكانيات جينية لم تكن مستغلة من قبل. يقول جافين كونانت: “فجأة، لديك القدرة على إنشاء مسار جديد بالكامل، بدلاً من جين واحد جديد،
وهو عالم في علم الأحياء النظمي في جامعة ولاية كارولينا الشمالية والذي لم يشارك في الدراسة.
هارولد زاكون، عالم الأحياء التكاملي بجامعة تكساس في أوستن، أحد رواد الدراسة الجديدة حول تطور الأسماك الكهربائية. وقال: “نحن في واقع الأمر نتابع ما توصل إليه داروين، كما يفعل أغلب علماء الأحياء”.
وبالنسبة لأسلاف الأسماك الكهربائية التي تعيش في المياه العذبة اليوم، والتي تنتمي إلى الأسماك العظمية، فإن هذا التضاعف يعني أنها تمتلك نسخة إضافية من جين مضخة الصوديوم المهمة. واستمرت إحدى النسخ في العمل في الخلايا العضلية؛ بينما اكتسبت النسخة الثانية طفرات منحت الخلايا الكهربائية خصائص كهربائية مميزة.
ولكن الأهم من ذلك، قبل أن يتسنى تبني أي تكيفات كهربائية خاصة بالأعضاء، كان لابد أولاً من إبطال تنشيط النسخة الثانية من الجين في الخلايا العضلية ــ وإلا فإن قدرات الخلايا الكهربية الناشئة كانت لتتداخل مع الحركة. وعندما نظر زاكون وزملاؤه إلى كيفية إيقاف الأسماك الكهربية للجين، فوجئوا باكتشاف أن سلالات مختلفة من الأسماك الكهربية فعلت ذلك بشكل مختلف.
في الأنسجة العضلية للأسماك الأفريقية، كان جين مضخة الصوديوم لا يزال يعمل، ولكن مثل القفل بدون مفتاح، لا يمكن تنشيطه بدون جزيئات مساعدة لا تنتجها الأنسجة العضلية.
في معظم أسماك أمريكا الجنوبية، كانت المضخة مفقودة من العضلات – كان جين مضخة الصوديوم غير نشط إلى حد كبير لأنه كان يفتقر إلى عنصر تحكم أساسي يعزز بشكل خاص التعبير عن مضخة الصوديوم في العضلات.
في سلالة غريبة من أسماك أمريكا الجنوبية، كان الجين لا يزال يعمل في العضلات. كان غير نشط مؤقتًا في الأسماك الصغيرة ولكنه عاد إلى العمل عندما تولت مجموعة مختلفة تمامًا من الجينات السيطرة على قناة الصوديوم في العضو الكهربائي مع نضوج السمكة.
وهكذا، في حالة نموذجية للتطور المتقارب، توصلت سلالات الأسماك المختلفة بشكل مستقل إلى استراتيجية تعديل أنسجة عضلاتها لإنشاء أعضاء كهربائية، بل إنها نجحت في تحقيق ذلك من خلال جعل مضخات الصوديوم تعمل بشكل انتقائي في أنسجة مختلفة. ولكنها اختلفت على وجه التحديد في كيفية تنظيم المضخات.
داخل عضلة سمكة الزيبرا (على اليسار)، تكشف علامة خضراء فلورية عن موجة قوية من النشاط الكهربائي تنشأ من مضخة الصوديوم في الخلايا. وفي عضلة سمكة كهربائية من أمريكا الجنوبية (على اليمين)، يكون النشاط أضعف بكثير لأن تطور الأعضاء الكهربائية بدأ بقمع المضخة في العضلات.
ماري شوارتز ويوهان إيبرهارت
في كثير من الأحيان، عندما يحقق العلماء في حالة من التطور المتقارب، يتبين أن السمات تنشأ من نفس الآلية بشكل أساسي، كما أوضح يوهان إيبرهارت
ولكن هذه الدراسة كانت مختلفة تمامًا”، كما قال عالم الأحياء الجزيئية بجامعة تكساس في أوستن وأحد المشاركين في الدراسة الجديدة. “وأعتقد أن هذا مثير للاهتمام”.
وأشار كونانت إلى أن النتائج الجديدة “تعكس إلى حد ما ما رأيناه” في أبحاث مجموعته. واكتشف مختبره أنه في حين فقدت أسماك عظمية أخرى بعض الجينات المكررة لإرسال الإشارات بين الأعصاب والعضلات، فإن بعض سلالات الأسماك الكهربائية احتفظت بها.
وبدون هذه الجينات الرئيسية التي تضع أعضائها الكهربائية تحت السيطرة الطوعية المباشرة، لم يكن بوسع الثعابين الكهربائية أن تطور صعقها القوي المميز.
كما أن زاكون وزملاؤه مهتمون بالأهمية المحتملة لمنطقة التحكم التي وجدوها في جينات مضخة الصوديوم، حيث يبدو أنها تحدد بدقة الأنسجة التي تعبر عن البروتين. وتظهر نفس منطقة التحكم في مضخات الصوديوم لدى البشر والفقاريات الأخرى. ومن المحتمل أن تتسبب الطفرات التي تؤثر على نشاط المضخة في خلايانا في حدوث أو المساهمة في مشاكل صحية مختلفة مثل حالة ضعف العضلات المعروفة باسم تشنج العضلات.
تستخدم البكتيريا دفعات كهربائية شبيهة بتلك التي تصدرها المخ للتواصل
لا يتناول البحث الجديد سوى عدد قليل من الأمثلة على التقارب والتباعد التي تظهر في الأسماك الكهربائية. فبعض السلالات في أمريكا الجنوبية تنتج صدمات كهربائية خافتة باستخدام الخلايا العصبية المعدلة بدلاً من الخلايا العضلية المعدلة.
وقد طورت بعض الأسماك الكهربائية في المحيطات استراتيجيات صعق كهربائية أكثر غرابة؛ على سبيل المثال، تقوم الأسماك التي تراقب النجوم بإصدار صدمات كهربائية من عضلات معدلة في عينيها.
ولكن بالنسبة لزاكون، فإن الحلول المتقاربة هي الأكثر إفادة في معالجة لغز أساسي في علم الأحياء: إذا كان بإمكانك إعادة مسار التطور، فهل سيعود بنفس الطريقة؟ وقال إن رؤية ابتكار فريد من نوعه أمر “مذهل”، لكنه “لا يجيب على السؤال، هل كانت هناك طريقة واحدة فقط للوصول إلى هناك؟”
إن مزيج التقارب والتباعد الذي نراه في أنظمة الأعضاء مثل تلك الموجودة في الأسماك الكهربائية المتنوعة يقدم رؤية أكثر ثراءً لكيفية التنبؤ – والغرابة.
