بدت الخنفساء الرواغة، والتي لا يتجاوز حجمها حبة الأرز، معرضّة لخطر محدق في قاع الوعاء الزجاجي في مختبر جو باركر، وذلك حتى قبل أن تحاول سجّانتها النملة -التي تفوقها حجمًا بثلاث مرات- الهجوم عليها. لم تلبث النملة طويلًا حتى فغرت فكّها للانقضاض على فريستها، لكن وبحركة مفاجئة تقوّس بطن الخنفساء للأعلى وحدث شيء ما جعل النملة تترنح للخلف، قرون استشعارها ترجف وأرجلها تركل بشكل عشوائي، استغلت الخنفساء انشغال مهاجمتها ولاذت بالفرار لزاوية آمنة مؤقتًا داخل الوعاء المغلق.

ما ساعد الخنفساء على الدفاع عن نفسها كانت غدّة تقع أسفل سطح الجزء الخلفي لبطنها تقوم بقذف مزيج مؤذِ من المواد الكيميائية في وجه العدو.

يقود عالم الأحياء التطوري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا باركر فريق يتقفى الآثار التي أدت لتطور عضو بسيط وفعّال كهذا والذى تتفرد به فصيلة معينة من الخنافس، وبالرغم من الطابع الفريد للغدة إلا أن دراسة وفهم آلية تطوّرها يلقي الضوء على ما قد يجيب على السؤال: كيف تتطور الأعضاء الحيوية الجديدة؟

سواءً كان عين، قلب أو كبد؛ يتطور العضو الحيوي الجديد عندما يقسّم جسد كائن متعدد الخلايا الجهد على عدة خلايا، لكن كيفية  نشوء هذا التقسيم يشبه لغز “البيضة أم الدجاجة” فالخلايا المتنوعة تقوم بأدوار مختلفة تبين فائدتها عند النظر لها بشكل عام في سياق العضو الحيوي ووظيفته ككل. فما الذي دفع تلك الخلايا وأدوارها المختلفة للنشوء في المقام الأول؟

ما يزيد الأمر تعقيدًا والإجابة غموضًا هو أن العديد من الأعضاء تطورت منذ زمن بعيد مما يجعل محاولة تقفي أثر أصول نشأتها شبه مستحيلة، فيقول الأحيائي النمائي، راجندران راجاكومار، والذي يدرس تطور الحشرات: “إنه لمن الصعب التحديد بدقة التحولات التي طرأت لتشكيل شيء معقد كعضو حيوي”.

لكن خلال السنوات الأخيرة أحرز العلماء تقدمًا في حل شباك المعضلة عن طريق استكشاف ودراسة أصول نشأة الأعين وخصائص أخرى لعدة من اللافقاريات. ودراسة باركر ومشاركيه المطروحة تحدد ما قد يكون عدة مبادئ مهمة تقود نشأة وظهور الأعضاء الحيوية الجديدة، بدايةً: التغيرات أو الطفرات التي تطرأ على نوع من الخلايا تفتح المجال  للخلايا المجاورة للاستفادة منها. متى ما نجحت هذه الشراكة، تصبح بالتالي الأنواع المختلفة من الخلايا معتمدة على بعضها بعض، رهينة دورة اتكالية مشتركة.

يرجع باركر التطور المشترك المرصود في غدة الخنفساء إلى أنه قد يكون نموذجًا لتطور عملي للأعضاء بشكل عام عن طريق عملية خلق المنافذ الجديدة.

على الرغم من أن الغدد قد تبدو متواضعة مقارنة بالعديد من الأعضاء، إلا أنها محط تركيز لمثل هذه الدراسات، ذلك لأن بنيتها تتشكل من أنواع أقل من الخلايا على عكس الأعضاء الأخرى الأكثر تعقيدًا، مما يجعلها محطة بداية أبسط لاكتشاف ودراسة المبادئ الأساسية لتشكّل الأعضاء الحيوية، علاوةً على ذلك، فالغدد تطورت مؤخرًا نسبيًا مما يسهل عملية تقفي مراحل نشأتها إضافة لكونها مراكز لأنشطة حيوية استثنائية كالدفاعات الكيميائية والضيائية الحيوية.

وبالنسبة للأحيائية النمائية التطورية ليزلي بابونس في جامعة كورنيل، فمن المعقول أن تكون خلايا الغدد الإفرازية “مناطق ساخنة لتطور وظيفة جديدة”، فهذا النوع من الخلايا قادر على إفراز حويصلات تحتوي على تركيز عالي من المنتجات الجينية. فتقول بابونس: “القدرة على تركيز المنتجات الجينية (بروتينات) داخل حويصلات وإفراز الأخيرة خارج الخلية عملية فعّالة”. وتضيف: “هذا يسمح للخلية بالتحكم بالعمليات الداخلية بالإضافة إلى إرسال المعلومات والتأثير خارجيًا”.

كيف يتطور نوع جديد من الخلايا؟

بشكل عام، يمكن للغدد أن تكون مراحل حيوية لتغيرات تطورية، استثنائية وسريعة، أحد عوائل الحشرات تعرف بالخنافس الرواغة خير دليل على ذلك.

من بين فصائل الخنافس، والتي يزيد عددها عن ٣٥٠ ألف، ٦٤ ألف منها تنتمي لعائلة الخنفساء الرواغة، هذه الكائنات المتواضعة مرنة مقارنة ببقية الفصائل لافتقارها القشرة الحامية التي تكسو بطون أغلب الخنافس، على الرغم من هذه الصفة يجعلها قادرة على التلوي بسهولة بين الحشائش وأوراق الشجر إلا أنها تجعلها أكثر عرضة لخطر الكائنات المفترسة للحماية، طوّرت العديد من سلالات هذه الفصيلة بشكل منفصل غدد دفاعية متنوعة تقوم برش مواد كيميائية من مناطق مختلفة في بطونها.

لفهم كيفية تطور الغدة الدفاعية، قام فريق بحث معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بدراسة نوع Dalotia coriaria المنحدر من فصيلة Aleocharinae، واكتشفوا أن الغدة الدفاعية الظهرية لهذا النوع ميزة جديدة نسبيًا قد تشرح سبب بقاء الفصيلة ونجاحها تطوريًا، بحدود ١٧ ألف نوع، تعتبر فصيلة Aleocharinae أكبر فرع حيوي من الخنافس الرواغة.

بقيادة الباحث أدريان بروكنر، بدأ  فريق باركر العمل على الدراسة بالنظر إلى خليط الغدة من المواد الكيميائية، حيث وجدت التحاليل أن السائل عبارة عن خليط من من مركبات البينزوكينون المسببة للتهيّج ممزوجة بمحلول هيدروكربوني مكون من سلاسل طويلة من الألكانات والإسترات، وجد الفريق أيضًا أن كلا نوعي الخلايا المكونة للغدة مسؤول عن إنتاج جزء من مكونات السائل.

فـخلايا المذيب، المنتجة للاكانات والإسترات، جزء من الغشاء اللين في الهيكل الخارجي حيث تشكًل كيس تخزين بين جزئين من الأجزاء البطنية تحت “خلايا المذيب”، بينما تقبع “خلايا الغدة” المنتجة لمركبات البينزوكينون، تحقن هذه الخلايا بدورها المواد المسببة للتهيج في المذيب عن طريق أنابيب موصولة بكيس التخزين، عندما ترفع الخنفساء الرواغة بطنها فارجةً ما بين أجزائها البطنية، لينفتح كيس التخزين ويعصر محتوياته تجاه المفترسات من النمل أو غيره.

لكن عند أخذ نظرة أعمق في نشأة تلك الخلايا وتطورها الذي جعلها تكتسب القدرة على إنتاج موادها، صادف الفريق سلسلة من المفاجآت.

يعتقد فريق باركر أن خلايا المذيب تطورت أولًا، فأقدم فروع فصيلة Aleocharinae من الخنافس تميزت بغدد ظهروية تنتج الإسترات دون مركبات البينزوكينون، افترض الباحثون أن إنتاج الإسترات والألكانات  يتم عن طريق أحماض دهنية مستخلصة من أحد أجزاء عمليات الأيض الجوهرية لدى الخنافس. عندما أوقف الباحثون عملية إنتاج الأحماض الدهنية في الخلايا المحيطة بكيس التخزين للغدة وجدوا أن الألكانات والإسترات قد اختفت، يفسر باركر تلك الملاحظة بأن ذلك هذا النوع من الخلايا ينتج المركبات الهيدروكربونية بشكل ذاتي عن طريق الأحماض الدهنية.

وعند النظر إلى جزئيات الحمض النووي الريبوزي لخلايا المذيب، وجد الباحثون مجموعة أنماط جينية تطابق تلك الموجودة لدى خلايا أنسجة أخرى معينة ككتلة الخنفساء الدهنية والتي تقوم بمقام الكبد لدى الثدييات.

فيقول باركر: “تعيد الخنفساء استخدام أدوات عملية التخليق الحيوي للأحماض الدهنية والتي نشأت بدورها في الكتلة الدهنية والخلايا المفرزة الفيرمونات منذ زمن بعيد، لكن التطور دفع بتلك الأدوات لتشكيل رقعة جلدية محوّلًا إياها بالتالي إلى كيس تخزين إفرازي”. أطلق باركر على هذه الظاهرة مسمى: “التهجين النسخي” وذلك لأن خلايا المذيب الجديدة نتجت عن اندماج أنماط التعبير الجيني لنوعين من خلايا سلفية: خلايا الرقعة الجلدية وخلايا الكتلة الدهنية أو الفيرمونية.

يعتقد باركر أنه يتم نشر هذه المجموعة من النواتج الجينية والتي تطورت تكافليًا لملايين السنين للعمل معًا بشكل فعال، فتلتحم بالتالي بجزء من رقعة الجليدة ومن ثم تكون تلك المجموعة قادرة على إنتاج وإفراز مركبات جديدة.

يعلق تود أوكلي، والذي يدرس تطور العيون والضيائية الحيوية بجامعة كاليفورنيا (وهو ليس مشارك في هذه الدراسة) بأن خلايا المذيب تبدو كنوع هجين من الخلايا استعار أجزاء وعمليات من خلايا متاحة ودمجها في تركيبة جديدة. المؤلفات العلمية حول هذا النوع من الهجائن محدود لافتقارهم حتى وقت قريب، لتقنية دراسة جميع الجينات المعبر عنها في نوع خلية معين، كما يفسّر أوكلي قائلاً: “مع ذلك، اندماج أجزاء حيوية موجودة لخلق تركيبة جديدة، مبدأ نراه مرارًا وتكرارًا في مجال التطور”. ويقارن هذا المبدأ التطوري بأحد الأساليب الفنية يعرف بالبريكولاچ حيث يتم جمع وتركيب المتاح مما وجد من مواد مختلفة بطريقة إبداعية لتشكيل قطعة جديدة.

إشارة واحدة قد تكون كافية

يعني النهج التجميعي لشبكات التنظيم الجينية هذه أن عامل نسخ وحيد قد يكون كل ما يتطلبه الأمر لخلق نوع جديد من الخلايا، حيث بإمكانه تنشيط أو كبح مجموعات كاملة من الجينات المشمولة في التمايز الخلوي، في دراسة عرضت العام المنصرم في الاجتماع السنوية لجمعية علم الأحياء التنموي، بيّن بابونس أن الخلايا اللاسعة لدى شقائق النعمان، وقناديل البحر، والشعاب المرجانية وغيرها من اللواسع اللافقارية؛ نشأت من سلالة خلوية تنتج مجموعة معينة من الخلايا العصبية، وجد بابونس أن عامل نسخ وحيد كان كافيًا لتثبيط خلايا ناشئة من التحول لخلايا عصبية وتحويلها بدلاً من ذلك لخلايا لاسعة مستكملة بخيوط شائكة وملتفة للإمساك بالفريسة.

يعتقد باركر أنه قد يكون من السهل نسبيًا للخنافس خلق ميزات جديدة عن طريق إعادة استخدام ما يوجد من مجموعات جينية في سياق جديد، فيقول: “باعتقادي أن الحشرات تقوم بذلك طوال الوقت، فهي دائمًا ما تطور رقع صغيرة مفرزة  للفيرمونات أو غدد دفاعية”. وذلك قد يفسر لماذا تعد خلايا الغدد أحد أسرع الخلايا تطورًا وأكثرها تقاربًا في جميع الحيونات.

وعلى الرغم من إنه من المحتمل أن الخنافس الرواغة طورت على مدى تاريخها مشتقات الأحماض الدهنية كمواد دفاعية، إلا أن الألكانات والإسترات غير فعّالة لوحدها لردع المفترسات. مركبات البينزوكينون على الصعيد الآخر هي المفتاح الحقيقي، حيث تنشط مستقبلات ألم معينة عند الاتصال بها. وإضافة هذا المكون لخليط الدفاعات الكيميائية كان له بكل تأكيد نتائج تطورية كبروية كما رجّح باركر، وقد يفسر ذلك لما يحوي فرع الخنافس الرواغة التي تنتج مركبات البينزوكينون على ١٧٠٠٠ نوع، بينما فرع مبكر شقيق يفتقر لهذه القدرة لاحتوائه على بضع عشرات فقط.

وبينما يتضح أن خلايا المذيب مشتقّة من خلايا غشاء الهيكل الخارجي، إلا أن الأصل التطوري للخلايا الجديدة المنتجة للبينزوكينون لا يزال غامضًا. مع ذلك، اكتشف الباحثون أن للخلايا المنتجة للبينزوكينون مستويات عالية لإنزيمين مرتبطين بالإنزيمات المساهمة في عملية تصلب وإسمرار القشرة الجلدية للهيكل الخارجي، فعندما استعانوا بالحمض النووي الريبوزي لتعطيل الإنزيمات، وجد الباحثون أن الخنافس لم تعد قادرة على إنتاج مركبات البينزوكينون.

باختصار، الإنزيمات التي تطورت بدايةً لتسمير وتقسية القشرة الجلدية تم إعادة نشرها وتوظيفها في الغدة الدفاعية. فيشرح باركر: “تطورت هذه الشرائط الحيوية في سياق محدد، ولكنها قادرة على العمل معًا بفعالية عند إعادة توظيفها في سياق مختلف”.

مع ذلك، لم تكن لتصبح المركبات البينزوكينونية دفاعات فعّالة بالنسبة للخنافس لو تطورت بغياب الألكانات والإسترات كمركبات صلبة. فالبينزوكينونات بحاجة إلى الذوبان في مذيب عضوي ليتسنى رشها على المفترسات.

يعتقد باركر أنه فقط بعد تطور خلايا المذيب برزت فرصة نشوء خلايا الغدة المنتجة للبينزوكينونات، فيقول: “فجأة تظهر آلية دفاع كيميائية فعالة، وعند ظهور النوع الآخر للخلايا والذي بدوره يعدل وظيفة العضو الحيوي، تلتحم وظائف الخلايا لتشكيل وحدة تتطور أجزاؤها تكافليًا”.

توجد بالفعل أدلة تشير إلى أن هذين المبدأين يشكلان منافذ فسيولوجية جديدة للخلايا وتطويع معلومات جينية سالفة يعملان في أنواع أخرى غير الخنافس. فمنذ بضع سنوات، رصدهما أوكلي خلال دراسته لتطور العيون، والتي تطورت بشكل مستقل تسع مرات على الأقل لدى اللواسع وحدها.

في كل حالة من التسع حالات، وجد أوكلي وزملاؤه أن للعديد من المكونات الجزيئية للخلايا المستقبلة للضوء، والخلايا الصبغية وخلايا العدسات أدوار سابقة في تسبب الضوء بالإجهاد، فعلى سبيل المثال، الدور الأصلي لجين الكريبتوكروم كان استعمال طاقة الضوء فوق البنفسجي لترميم الحمض النووي (DNA). ومع ارتفاع التعبير الجيني للكريبتوكرومات في الأجزاء الأكثر تعرضًا للضوء في أجساد اللواسع، تطورت عدة نسخ مختلفة للجين لمستقبلات ضوء ساعدت على ضبط إيقاع ساعة الحيوان البيولوجية.

التطور تحت الإجهاد

يرجّح أوكلي أنه من المحتمل أن آليات مشابهة للتأقلم مع الإجهاد من الضوء شكلت تدريجيًا الخلايا الحساسة للضوء إلى مستقبلات ضوء. وهذا من الممكن أنه بدأ سلسلة من التغيرات تطورت خلالها خلايا صبغية تقي من الأشعة فوق البنفسجية لحماية الخلايا المستقبلة للضوء، هذا النوع من الحماية سمح لمستقبلات الضوء لتعقب مصدر الضوء إضافة لشدّته، وهذا بدوره سنح الفرصة لتطور عدسات لضبط المعلومات الاتجاهية، ويظهر أن العدسات كانت نتيجة تبلور عدة بروتينات الصدمة الحرارية وإنزيمات إزالة السموم.

يقول أوكلي: “مرارًا وتكرارًا، تظهر لنا العلاقة بين الإجهاد الحراري، وإجهاد الأشعة فوق البنفسجية والضرر التأكسدي الناجم عن الضوء. وكل هذا يتوافق مع مبدأ تطويع فكرة أسلوب البريكولاچ”.

مؤخرًا، وجّه أوكلي جهود مختبره لحدث تطوري آخر تطور بما يقارب ١٠٠ مرة بشكل مستقل ألا وهو ظهور الضيائية الحيوية. الصدفيات المتألقة، كيرقات بحر بالغة الصغر، لديها غدة تنتج المادة اللزجة المضيئة، وأحد أنواع خلايا الغدة يفرز إنزيم اللوسيفراز بينما يفرز نوع آخر ركيزة الڤارقولي. عندما تختلط هذه المواد في المخاط المفرز، يرتبط الإنزيم بركيزته فيؤكسد اللوسيفراز الڤارقولين واختلاف الطاقة الناتج عن التفاعل يُطلَق على شكل طاقة ضوئية. تعمل ليزا ميزروب وعدد من فريق أوكلي على فهم أصل ومصدر كل نوع من هذه الخلايا.

على الرغم من قِدم الأسئلة حول أصول الأعضاء الحيوية، لا تزال دراسات تطور الأعضاء في مهدها. مع ذلك، ظهور تقنيات حديثة كتسلسل الحمض النووي الريبي وحيد الخلية يعني أننا الآن قادرين على ضبط وفهم ما يحدث جينيًا كما قال جيكوب موسر، والذي يدرس تطور نوع الخلية في المختبر الأوروبي  للأحياء الجزيئية ويضيف: “قد لا نتفق بالضرورة على ما يحدث بالضبط وقد نختلف في تفسير بعض بياناتنا لكن تلك هي طبيعة أي حقل جديد”.

المصدر: https://www.quantamagazine.org

ترجمة: عبدالله صالح     

تويتر: @ASAAlwahaibi

مراجعة وتدقيق : رحاب الدوسري

 تويتر: @lectoror