تنوع زیستی: رازهایی فراتر از ژن‌ها همین حالا بخوانید

چگونه می‌توانیم تنوع ریخت‌شناختی موجودات زنده را توضیح دهیم؟

اگرچه معمولاً ژنتیک به عنوان پاسخ اولیه به این سوال مطرح می‌شود، اما تنها توضیح نیست. با ترکیب مشاهدات از توسعه جنینی، میکروسکوپی پیشرفته و مدل‌سازی رایانه‌ای، یک تیم چندرشته‌ای از دانشگاه ژنو (UNIGE) نشان می‌دهد که فلس‌های سر کروکودیل‌ها از مکانیک بافت‌های در حال رشد ناشی می‌شوند، نه از ژنتیک مولکولی. بنابراین، تنوع این فلس‌های سر که در گونه‌های مختلف کروکودیل مشاهده می‌شود، از تکامل پارامترهای مکانیکی، مانند نرخ رشد و سختی پوست ناشی می‌گردد. این نتایج که در مجله Nature منتشر شده، نور جدیدی بر روی نیروهای فیزیکی دخیل در توسعه و تکامل اشکال زنده می‌افکند.

راز تنوع ریخت‌شناختی موجودات زنده

منشأ تنوع و پیچیدگی ریخت‌شناختی موجودات زنده یکی از بزرگ‌ترین معماهای علم باقی مانده است. برای حل این معما، دانشمندان به مطالعه طیف وسیعی از گونه‌های مختلف می‌پردازند. آزمایشگاه میشل میلینکوویچ، استاد در دپارتمان ژنتیک و تکامل دانشگاه UNIGE، به بررسی توسعه و تکامل زوائد پوستی مهره‌داران، مانند پرها، موها و فلس‌ها می‌پردازد تا مکانیزم‌های بنیادی مسئول این تنوع را درک کند. توسعه جنینی این زوائد معمولاً به عنوان فرآیندی شیمیایی که شامل تعاملات بین مولکول‌های متعدد ناشی از بیان ژن است، در نظر گرفته می‌شود.

توسعه فلس‌های سر کروکودیل

تیم قبلاً نشان داده بود که توسعه جنینی فلس‌های سر کروکودیل، برخلاف فلس‌های بدن، از فرآیندی ناشی می‌شود که به گسترش ترک‌ها در یک ماده تحت تنش مکانیکی شباهت دارد. با این حال، ماهیت واقعی این فرآیند فیزیکی هنوز ناشناخته بود. اکنون این دانشمندان با کار جدید و چندرشته‌ای خود این معما را حل کرده‌اند. در ابتدا، آن‌ها ظهور فلس‌های سر را در طول توسعه جنین کروکودیل نیل که به طور کلی حدود 90 روز طول می‌کشد، دنبال کردند. در حالی که پوست پوشاننده فک‌ها تا روز 48 صاف باقی می‌ماند، چین‌خوردگی‌های پوستی در حدود روز 51 ظاهر می‌شوند. این چین‌خوردگی‌ها سپس گسترش یافته و به هم متصل می‌شوند تا فلس‌های چندضلعی نامنظم را تشکیل دهند، از جمله فلس‌های بزرگ و کشیده در بالای پوزه و واحدهای کوچکتر در طرفین فک‌ها.

تحقیقات جدید درباره شکل‌گیری چین و چروک‌های پوستی در تمساح‌ها

اگر پوست یک حیوان سریع‌تر از بافت زیرین که به آن متصل است، رشد کند، انتظار می‌رود که پوست دچار چین و چروک و تاخوردگی شود، زیرا رشد آن محدود شده است. تیم تحقیقاتی به بررسی این موضوع پرداخت که آیا چنین فرآیندی می‌تواند توضیح‌دهنده ظهور چین و چروک‌های پوستی و در نتیجه، فلس‌ها در تمساح‌های جنینی باشد. بنابراین، آن‌ها تکنیکی برای تزریق هورمونی به تخم‌های تمساح توسعه دادند که باعث فعال‌سازی رشد اپیدرم و سفت شدن آن می‌شود — EGF (فاکتور رشد اپیدرمی).

دانشمندان متوجه شدند که فعال‌سازی رشد و افزایش سختی سطح پوست منجر به تغییرات چشمگیری در سازمان‌دهی چین و چروک‌های پوستی می‌شود. «ما دیدیم که پوست جنین به طور غیرطبیعی چین می‌خورد و شبکه‌ای پیچیده شبیه به چین و چروک‌های مغز انسان تشکیل می‌دهد. شگفت‌انگیز است که وقتی این تمساح‌های تحت درمان با EGF تخم‌گذاری می‌کنند، این چین و چروک‌های شبیه به مغز به الگوی فلس‌های بسیار کوچکتری تبدیل می‌شود که قابل مقایسه با فلس‌های گونه‌ای دیگر از تمساح‌ها — یعنی کایمن — است»، توضیح می‌دهند گابریل سانتوس-دوران و روری کوپر، پژوهشگران پسادکتری در آزمایشگاه میشل میلینکویچ و نویسندگان مشترک این مطالعه.

بنابراین، تغییرات در نرخ رشد و سفت شدن پوست یک مکانیزم تکاملی ساده را فراهم می‌کند که قادر به تولید تنوع وسیعی از اشکال فلس‌ها در میان گونه‌های مختلف تمساح‌ها است.

مدل سه‌بعدی توسعه فک

سپس دانشمندان از یک تکنیک تصویربرداری پیشرفته به نام «میکروسکوپ نوری لایه‌ای» استفاده کردند تا نرخ رشد و هندسه‌های بافت‌های مختلف (اپیدرم، درم و استخوان) که سر جنین را تشکیل می‌دهند، به همراه سازمان‌دهی الیاف کلاژن در درم را کمی‌سازی کنند. تیم از این داده‌ها برای ساخت یک مدل کامپیوتری سه‌بعدی (3D) استفاده کرد تا رشد محدود پوست را شبیه‌سازی کند. این مدل همچنین به محققان اجازه داد تا تأثیرات تغییر نرخ‌های رشد و سفتی لایه‌های بافت را بررسی کنند.

«با بررسی این پارامترهای مختلف، می‌توانیم اشکال مختلف فلس‌های سر تمساح‌های نیل را هم با درمان EGF و هم بدون آن تولید کنیم، همچنین کایمن عینکی یا تمساح آمریکایی. این شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که مکانیک بافت به راحتی می‌تواند تنوع اشکال برخی از ساختارهای آناتومیکی در گونه‌های مختلف را توضیح دهد، بدون اینکه نیاز به دخالت عوامل ژنتیکی مولکولی پیچیده باشد»، نتیجه‌گیری می‌کند ابراهیم جهان‌بخش، مهندس کامپیوتر در آزمایشگاه میشل میلینکویچ و نویسنده مشترک این مطالعه.