تنوع زیستی: فراتر از ژن‌ها و شگفتی طبیعت

توضیح تنوع مورفولوژیکی موجودات زنده

چگونه می‌توانیم تنوع مورفولوژیکی موجودات زنده را توضیح دهیم؟ اگرچه معمولاً پاسخ به این سوال به ژنتیک مربوط می‌شود، اما این تنها توضیح نیست. یک تیم چندرشته‌ای از دانشگاه ژنو (UNIGE) با ترکیب مشاهدات مربوط به توسعه جنینی، میکروسکوپی پیشرفته و مدل‌سازی کامپیوتری مدرن، نشان می‌دهند که فلس‌های سر تمساح‌ها از مکانیک بافت‌های در حال رشد ناشی می‌شود، نه از ژنتیک مولکولی. بنابراین، تنوع این فلس‌های سر که در گونه‌های مختلف تمساح‌ها مشاهده می‌شود، از تکامل پارامترهای مکانیکی، مانند نرخ رشد و سفتی پوست ناشی می‌شود. این نتایج که در مجله Nature منتشر شده، نور جدیدی بر روی نیروهای فیزیکی دخیل در توسعه و تکامل اشکال زنده می‌افکند.

راز تنوع و پیچیدگی مورفولوژیکی

منشأ تنوع و پیچیدگی مورفولوژیکی 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 میلینکویچ، استاد در دپارتمان ژنتیک و تکامل در دانشکده علوم UNIGE، به بررسی توسعه و تکامل زوائد پوستی مهره‌داران، مانند پرها، موها و فلس‌ها می‌پردازد تا مکانیسم‌های بنیادی مسئول این تنوع را درک کند. توسعه جنینی این زوائد معمولاً به عنوان یک فرآیند شیمیایی در نظر گرفته می‌شود که شامل تعاملات بین مولکول‌های متعدد ناشی از بیان ژن است.

توسعه فلس‌های سر تمساح

تیم قبلاً نشان داده بود که توسعه جنینی فلس‌های سر تمساح، 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 همچنان ناشناخته بود. اکنون این دانشمندان با کار جدید و بسیار چندرشته‌ای خود این معما را حل کرده‌اند. ابتدا، آن‌ها ظهور فلس‌های سر را در طول توسعه جنین تمساح نیل که حدود 90 روز به طول می‌انجامد، پیگیری 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 چین‌خوردگی پوست در تمساح‌ها

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

دانشمندان متوجه شدند که فعال‌سازی رشد و افزایش سفتی سطح پوست منجر به تغییرات چشمگیری در سازمان‌دهی چین‌خوردگی‌های پوستی می‌شود. «ما مشاهده کردیم که پوست جنین به‌طور غیرعادی چین‌خورده و شبکه‌ای پیچیده شبیه به چین‌خوردگی‌های مغز انسان تشکیل می‌دهد. شگفت‌انگیز است که وقتی این تمساح‌های تحت درمان با EGF تخم‌گذاری می‌کنند، این چین‌خوردگی‌های شبیه مغز به الگوی فلس‌های بسیار کوچک‌تر تبدیل می‌شود که قابل مقایسه با فلس‌های گونه‌ای دیگر از تمساح‌ها – یعنی کایمان – است»، توضیح می‌دهند گابریل سانتوس-دوران و روری کوپر، پژوهشگران پسادکتری در آزمایشگاه میشل میلینکوویچ و نویسندگان همکار این مطالعه.

بنابراین، تغییرات در نرخ رشد و سفت شدن پوست، مکانیزم تکاملی ساده‌ای را فراهم می‌کند که قادر به تولید تنوع وسیعی از اشکال فلس در 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 این امکان را 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 فلس‌های تمساح کایمان یا تمساح آمریکایی. این شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهد که مکانیک بافت می‌تواند به راحتی تنوع اشکال برخی 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 میلینکوویچ و نویسنده همکار این مطالعه.