تکنولوژی

ژنوم ماهی الکتریکی؛ تکامل چگونه خود را تکرار می کند؟



در بستر گل آلود رودخانه آمازون، ماهی مار مانندی به نام مارماهی الکتریکی به دنبال قورباغه و دیگر طعمه های کوچک در تاریکی می گردد. هنگامی که طعمه از کنار آن عبور می کند، ماهی دو پالس 600 ولتی برق تخلیه می کند تا آن را بیهوش کند یا بکشد. این تاکتیک ماهیگیری با ولتاژ بالا یک تاکتیک مشخص است، اما تعداد انگشت شماری از گونه های ماهی دیگر نیز از برق استفاده می کنند. آنها هنگام حرکت در میان آب های گل آلود و کند حرکت و هنگام تعامل با سایر اعضای گونه خود، ولتاژ ضعیف تری تولید و حس می کنند. وقتی چندین گونه دارای توانایی های غیرعادی مانند تولید الکتریسیته هستند، معمولاً به این دلیل است که ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند. اما ماهی های برقی در رودخانه های آمریکای جنوبی و آفریقا شامل شش گروه طبقه بندی جداگانه هستند و علاوه بر آنها سه خط دریایی دیگر از ماهی های برقی وجود دارد.حتی چارلز داروین از تازگی توانایی های الکتریکی و طبقه بندی عجیب و غریب و جغرافیایی غیر معمول صحبت کرد. توزیع ماهی با او به این توانایی ها فکر کرد و در کتاب خود در مورد منشاء گونه ها می نویسد: “ممکن است روند تولید این اندام های عجیب و غریب را که نه تنها یک بار، بلکه چندین بار ایجاد شده اند” تصور کرد. به تازگی در مجله Science Advances منتشر شده است.او به کشف این رمز و راز تکاملی کمک می کند. هارولد زاکون، زیست شناس دانشگاه تگزاس در آستین و یکی از نویسندگان مطالعه جدید، می گوید: «ما مانند بسیاری از زیست شناسان فقط داروین را دنبال می کنیم. تیم زاکون در تگزاس و همکارانش در ایالت میشیگان با جمع آوری سرنخ های ژنومی دانشگاه کشف کرد که چگونه اندام های الکتریکی مشابه اندام های الکتریکی به طور جداگانه در دودمان های مختلف ماهی های برقی در طول حدود 120 میلیون سال تکامل و 1600 مایل اقیانوس توسط اندام های الکتریکی تخصصی که در امتداد بدن آنها قرار دارند ظاهر شدند. سلول های ماهیچه ای اصلاح شده به نام الکتروسیت ها یک گرادیان یون سدیم در این ماهی ها ایجاد می کنند. هنگامی که پروتئین های کانال سدیم در غشای الکتروسیت باز می شود، یک جریان ناگهانی رخ می دهد. Zakone می گوید: “این توانایی با بیشترین – ساده ترین سیگنالی که می توانید تصور کنید مرتبط است.” در ماهیچه‌ها، این سیگنال‌های الکتریکی در داخل و بین سلول‌ها جریان می‌یابند تا به عضلات کمک کنند تا حرکت کنند، اما در اندام‌های الکتریکی، ولتاژ به بیرون هدایت می‌شود. شدت هر شوک بستگی به تعداد الکتروسیت هایی دارد که در هر لحظه شلیک می کنند.در اکثر ماهی های برقی، تنها چند الکتروسیت در هر لحظه شلیک می کنند، اما از آنجایی که مارماهی های الکتریکی سلول های الکتریکی زیادی دارند، می توانند ولتاژی را آزاد کنند که کاملاً بسیار زیاد است. قدرتمند که طعمه های کوچک را می کشد. مارماهی الکتریکی یکی از چندین گونه ماهی آب شیرین در آمریکای جنوبی است که برای ناوبری، ارتباط، شکار یا دفاع شخصی برق تولید می کند. ماهی ها در آفریقا به طور مستقل اندام های الکتریکی تکامل یافته ای دارند که به طرز شگفت انگیزی مشابه هستند، اگرچه جزئیات مولکولی عملکرد آنها متفاوت است.لاو و همکاران در کار جدید خود، با ردیابی تاریخ ژنومی این ماهی ها، یک جنبه کلیدی از تکامل اندام های الکتریکی را بازسازی کردند. تکامل این اندام ها بین 320 تا 400 میلیون سال پیش آغاز شد. در آن زمان، اجداد همه ماهی‌هایی که به عنوان ماهی‌های استخوانی طبقه‌بندی می‌شوند، از یک حادثه ژنتیکی نادر جان سالم به در برد که کل ژنوم آن را تکثیر کرد. تکثیر کل ژنوم اغلب در مهره داران کشنده است. گاوین کانانت، زیست‌شناس دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید از آنجایی که این پدیده کپی‌های اضافی از همه چیز در ژنوم ایجاد می‌کند، تکرار ژنتیکی نیز می‌تواند احتمالات ژنتیکی جدیدی را ایجاد کند که قبلاً از آنها استفاده نشده بود. هارولد زاکون، زیست‌شناس دانشگاه تگزاس در آستین که رهبری مطالعه جدید در مورد تکامل ماهی‌های الکتریکی را بر عهده داشت، می‌گوید: «ناگهان به جای داشتن یک ژن جدید، شما ظرفیت ایجاد یک مسیر کاملاً جدید را دارید. او گفت: «مانند بسیاری از زیست شناسان، ما فقط داروین را دنبال می کنیم. یک نسخه در سلول‌های ماهیچه‌ای به کار خود ادامه داد و نسخه دیگر جهش‌هایی را به دست آورد که به الکتروسیت‌ها خواص الکتریکی متفاوتی داد.نکته مهم این است که قبل از دستیابی به هر گونه سازگاری خاص ارگان الکتریکی، ابتدا باید نسخه دوم ژن از طریق غیرفعال شود. سلول های ماهیچه ای در غیر این صورت، توانایی‌های الکتروسیتی در حال ظهور از حرکت جلوگیری می‌کند.زاکون و همکارانش وقتی به چگونگی خاموش شدن ژن در ماهی‌های برقی نگاه کردند، با تعجب متوجه شدند که خطوط مختلف ماهی‌های برقی این کار را متفاوت انجام می‌دهند. در بافت ماهیچه ای ماهی آفریقایی، ژن پمپ سدیم هنوز کار می کند، اما مانند یک قفل بدون کلید، نمی توان آن را بدون مولکول های کمکی ویژه ای که در بافت ماهیچه ای تولید نمی شوند، فعال کرد.در بیشتر ماهی های آمریکای جنوبی، پمپ از عضله غایب ژن پمپ سدیم تا حد زیادی غیرفعال بود زیرا یکی از عناصر کنترل کلیدی را که به طور خاص بیان پمپ سدیم را در عضله افزایش می‌دهد، نداشت. در یکی از لاین‌های عجیب ماهی‌های آمریکای جنوبی، این ژن هنوز در ماهیچه‌ها فعال بود، این ژن با موفقیت در ماهی‌های جوان غیرفعال شد، اما زمانی که ماهی بالغ شد، زمانی که مجموعه‌ای از ژن‌ها کنترل کانال سدیم را به دست گرفتند، دوباره فعال شد. . در اندام الکتریکی بنابراین، در یک مثال واضح از تکامل همگرا، دودمان های مختلف ماهی به طور مستقل استراتژی هایی برای اصلاح بافت ماهیچه ای خود برای تولید اندام های الکتریکی ایجاد کرده اند. آنها این کار را با فعال کردن انتخابی پمپ های سدیم در بافت های مختلف انجام دادند، اما در نحوه تنظیم پمپ ها متفاوت بودند.در داخل ماهیچه گورخرماهی (سمت چپ)، یک برچسب سبز فلورسنت با موج قوی از فعالیت الکتریکی ناشی از پمپ سدیم در داخل سلول ها. نشان می دهد. یوهان ابرهارت، زیست شناس مولکولی در دانشگاه تگزاس توضیح می دهد که در ماهیچه های ماهی برقی آمریکای جنوبی (سمت راست)، فعالیت بسیار ضعیف تر است، زیرا در این ماهی، تکامل اندام های الکتریکی با سرکوب پمپ سدیم در ماهیچه ها آغاز شد. در آستین و یکی از نویسندگان مطالعه جدید، اغلب زمانی که دانشمندان یک مورد از تکامل همگرا را بررسی می‌کنند، مشخص می‌شود که این ویژگی‌ها با مکانیسم مشابهی ایجاد شده‌اند. او می‌گوید: «اما این کاملاً متفاوت بود و فکر می‌کنم هیجان‌انگیز است.» کونانت خاطرنشان کرد که یافته‌های جدید تا حدودی منعکس‌کننده چیزی است که او در مطالعات گروه تحقیقاتی‌اش دیده است. آزمایشگاه او دریافت که در حالی که سایر ماهی‌های استخوانی برخی از ژن‌های تکراری ارسال سیگنال‌ها را از دست داده‌اند. بین اعصاب و ماهیچه‌ها، برخی از ماهی‌های الکتریکی آنها را حفظ کرده‌اند بدون این ژن‌های کلیدی که اندام‌های الکتریکی را تحت کنترل داوطلبانه مستقیم قرار می‌دهند، مارماهی‌های الکتریکی نمی‌توانستند الکتریسیته خود را تولید کنند، که به نظر می‌رسد با دقت بالایی تعیین می‌کند که کدام بافت این پروتئین را بیان می‌کند. در پمپ های سدیم انسان و سایر مهره داران دیده می شود. جهش هایی که بر فعالیت پمپ در سلول های ما تأثیر می گذارد می تواند باعث انواع مشکلات سلامتی شود، مانند نوعی ضعف عضلانی به نام میوتونی. تحقیقات جدید تنها چند نمونه از همگرایی و واگرایی را ارائه می دهد. در ماهی برقی دیده می شود و برخی از خطوط آمریکای جنوبی با استفاده از نورون های اصلاح شده به جای سلول های عضلانی اصلاح شده، سکته های ضعیف ایجاد می کنند. برخی از ماهی های الکتریکی در اقیانوس ها راهبردهای الکتروشوک عجیب تری را توسعه داده اند. به عنوان مثال، ماهی اورانوس از ماهیچه های تغییر یافته در چشم خود شوک وارد می کند. برای Zaccone، این راه حل های همگرا در حل یکی از معماهای اساسی زیست شناسی بسیار مفید هستند: اگر می توانستید مسیر تکامل را معکوس کنید، آیا دوباره به همان روش پیش می رفت؟ او گفت که دیدن یک نوآوری منحصربه‌فرد شگفت‌انگیز است، اما این به این سؤال پاسخ نمی‌دهد که آیا تنها یک راه برای رسیدن به آن وجود دارد یا خیر. چشم انداز غنی از چگونگی زیست شناسی که او چقدر قابل پیش بینی و چقدر غیرمنتظره ارائه می دهد.

Leave a Reply

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.