تويت
منذ ملايين السنين، وبينما تفرعت شجرة عائلة الأفاعي إلى أصناف جديدة، منح سلف الأفاعي المجلجلة ترسانة جينية من الأسلحة السمية، متضمنة بذلك جينات لتسميم مجرى الدم، وسموم للإضرار بعمل العضلات وسموم تؤثر على عمل الجهاز العصبي.
ولكن خلال وقت قصير نسبياَ، وبينما تشعبت الشجرة إلى حد أبعد.
تركت الأفاعي المجلجلة كالأفاعي ذوات الظهر الألماسي الشرقية والغربية والمتواجدة في شمال أميركا السموم الخاصة بالجهاز العصبي، محتفظة بدلا من ذلك بالسموم التي تؤثر على العضلات ومجرى الدم الخاص بفرائسها.
وفي هذه الأثناء حافظت أفعى صحراء الموهافي المجلجلة على الجين السمي الخاص بالجهاز العصبي وفقدت جينات معينة أخرى.
ونشرت هذه الدراسة في دورية ” Current Biology “.
يقول كارول بروفيسور البيولوجيا الجزيئية والجينات في جامعة ويسكونسون-ماديسون ونائب الرئيس في معهد هاورد هيوز الطبي لتعليم العلوم (HHMI):
” نحن نستخرج المعلومات من سجلات الحمض النووي لمعرفة آلية عمل التطور”.
وأضاف كارول: ” إنه لمن المدهش النظر إلى هذه الأفاعي، التي هي شابة نسبياَ من ناحية الزمن التطوري، واكتشاف مثل هذه الفروق الدراماتيكية فيمن يملك جينا أو لا. هذه الأنواع من التغيرات الجينية لا تحدث عادة في مثل هذا النطاق الزمني القصير نسبيا.”
يقوم كل من نوا دويل ومات جيورجاني والزملاء الباحثون في معهد هاورد هيوز الطبي لتعليم العلوم وجامعة ويسكونسون-ماديسون (في بحوث ما بعد الدكتوراه) بتعقب أصل الجينات والتطور الذي حصل في سموم الأفاعي المجلجلة وذلك بمساعدة مركز الأبحاث السمية الطبيعية الوطني إيلدا سانشيز، وقسم الكيمياء في جامعة تكساس إيه أند أم كينغزفيل.
وللقيام بذلك، تفحص الفريق الشفرة الجينية لأفراد عائلة الأفاعي المجلجلة وأعاد تشكيل تاريخهم التطوري من جديد.
وجد الفريق بأن الجينات السمية الخاصة بالجهاز العصبي قد تطورت منذ 22 مليون سنة مضت، قبل أن تظهر أولى الأفاعي المجلجلة ابتداء من 12 إلى 14 مليون سنة خلت.
يقول جيورجاني ” قدمت الأفاعي هذه الظاهرة المثيرة للاهتمام بحيث لدينا كل هذه الأنواع المختلفة من الأفاعي المجلجلة، والتي قد ظهرت منذ فترة قصيرة نسبياَ وانتشرت وتنوعت تنوعاَ كبيراَ ”
وأضاف جيورجاني قائلاَ :” هو أمر مثير للإعجاب بالنسبة لعلماء الأحياء التطورية، فقد كنا نتساءل كيف أن مكونات السم الخاصة بالأفاعي قد تغيرت بسرعة كبيرة على مر الزمن ” .
لذلك درس الباحثون الفروع الخاصة بعائلة الأفاعي المجلجلة كل على حدة.
وأدهشهم ما وجدوه وتحدى كل فرضياتهم المبدئية: فقد تطورت الأفاعي المجلجلة بسرعة كبيرة وعرفت اختلافات متنوعة خلال عملية فقدان الجينات، منتجة بذلك جينات سمية متعددة الأعداد والأنواع.
محا كل نسل من الأفاعي المجلجلة من إثنين إلى أربع جينات سمية بالكامل مقارنة بالسلف المشترك الخاص بها، محتفظة فقط بجينات فرعية لسموم متعددة. كما وتختلف الجينات الفرعية من نوع أفاعي لأخر، علاوة على ذلك، اثنان فقط من أصل السبع جينات السمية الأصلية هي مشتركة بين كل من افاعي صحراء الموهافي المجلجلة والأفاعي ذوات الظهر الألماسي الغربية والأفاعي ذوات الظهر الألماسي الشرقية.
يقول كارول :” كثير من الجينات التي قد عملنا عليها في المختبر هي جينات محفوظة بصورة لا تصدق خلال التاريخ وقد تغيرت بصورة بسيطة جداَ في نصف بليون سنة إما في العدد أو في الخصائص “، وأضاف كارول قائلاَ :” هذا الفقدان بالإجمال غير عادي، وهو ليس تنوع عادي بالمرة “.
ولوحظ في معظم الأنواع التي تمت الدراسة عليها، أن الجينات التي لم تعد ضرورية غالباَ ما تبقى في الجينوم وقتاَ أطول لكنها تتحلل في النهاية.
على سبيل المثال، في الجينوم البشري نحن لانزال نرى بقايا عائلة الجين المستقبل الشمي الكبير الذي مكن أسلافنا التطوريين من الشم بصورة قوية، على الرغم من أن البشر لا يعتمد على هذا الجين بعد الآن.
أصبح هذا مصدر تساءل للباحثين، يقول دويل ” كيف يمكنك أن تملك كل هذه الأسلحة المتنوعة وكيف يمكن لهذه الأسلحة أن تتطور بهذه السرعة وهذا الاختلاف؟ “.
لماذا تحذف الأفاعي الجينات المسؤولة عن سموم مختلفة بالكامل؟
عمل الباحثان دويل وجيورجاني بلا كلل لتحديد ما أطلقا عليه ” ترتيب النشوء ” للجين المسؤول عن السموم لمعرفة متى ظهر هذا الجين بالضبط، ومتى قد حذفته كل الأفاعي المجلجلة، لو كانت الجينات عبارة عن سلسلة طويلة مثلا سيكون من السهل تحديد منزلة أي من الجينات كانت مربوطة في الأصل وأي من الجينات قد حذفت في خضم هذا التطور.
لقد أدرك الباحثون بأن أفاعي الظهر الألماسي الغربية والشرقية قد حذفت الجين السمي المسؤول عن الأعصاب منذ 6 مليون سنة تقريباَ.
وقد أدرك الباحثون كيف حدث هذا أيضاَ.
إن الجينات التي تجعل البروتينات السمية تترتب في مركب تضمن في داخله نوع من تسلسل جينومي تدعى بالجين القافز.
تتكون الجينات القافزة من نفس حروف النوكليوتيدات والتي تعرف من خلالها المادة الوراثية لكنها فقط في بعض الأحيان تشفر للجينات التي تتحول لبروتينات فيما بعد، على أية حال فإن الجينات القافزة تسهل للجينات أن تتضاعف داخل المركب كما وتسهل عملية حذفها.
يقول جيورجاني:
“يمكنك أن تتصور عملية ديناميكية وسريعة للغاية عند الأفاعي المجلجلة، حيث أن هذا الموضع (الاتساع في المادة الوراثية) يتسع ويتقلص نوعاَ ما “.
ويضيف: ” إنه يسلط الضوء على كيفية ديناميكية منطقة الجينوم ويساعدنا على رؤية السرعة الكبيرة التي يمكن أن تحدث بها هذه الأشياء ” .
على ما يبدو لم يقد هذا إلى الاختلافات الغير العادية في السم بين الأنواع فقط بل أدى إلى تنوع في الأنواع ذاتها.
تفحص الباحثان دويل وجيورجاني بمساعدة سانشير أربعا من الأفاعي ذوات الظهر الألماسي الغربية ولاحظوا مركبات الجين السمي لديهم.
إحدى الأفاعي كانت تملك جينان سميان تفتقر له الأفاعي الثلاث الأخرى كما لوحظت اختلافات أخرى في المركب.
هذا التفسير الجيني قد أصبح ممكناَ أخيراَ بفضل التكنولوجيا التي مكنت المختبر من إجراء متابعات عالية الجودة لمناطق معينة من الجينوم، بالرغم من ذلك أمعن الباحثون النظر في أماكن يغفلها علماء الأحياء في الغالب: ” عند مناطق الجينوم التي لا تشفر إلى بروتينات، تمكن الباحثون من النظر إلى نافذة تطورية يتجاهلها معظم علماء الأحياء ” يقول كارول.
ويضيف دويل قائلاَ: ” هنالك العديد من الفرص الآن لفهم ما الذي يجري ولتوسيع هذا العمل خارج نطاق الأفاعي للسؤال ” كيف تعمل الجينات بصورة عامة؟ ” .
لا يستطيع الباحثون تحديد لماذا تخلصت الافاعي من بعض سمومها بصورة أكيدة، ولكن بيئياَ يقول الباحثون إنها مرتبطة على الأغلب بالظروف الفردية التي أوجدها كل نوع لنفسه عبر الزمن.
ولربما كانت فرائسهم سريعة التأثر تجاه نوع معين من السموم أو طورت وسيلة دفاعية تجاه نوع أو آخر من السموم.
” أنا أعتقد بأن هنالك دليلا ملموسا في الطبيعة عن سباق تسلح يجري بين المفترس والفريسة ” يقول كارول، ويضيف قائلا: ” سباقات التسلح هذه قوية جداَ ولا تكاد تكون مختلفة عن المضادات الحيوية والبكتيريا حيث قانون الضغط الانتقائي، الحياة أو الموت والذي من دوره أن يعجل من سرعة التطور ويشدد على التغيرات التي تحدث عبر الزمن “ويضيف أيضاَ: ” إنه المسرح البيئي في مسرحية التطور ونحن نشاهد الدراما متجلية للعيان”.
كارول متفائل هو الأخر أيضاَ بأن جينوم الأفعى سيستمر بإخبارنا المزيد من الوقائع الممتعة.
يضيف كارول “: نحن مهتمون بصورة عامة بالأحياء، بحيث نريد أن نكتشف ظواهر جديدة، قوانين جديدة، ورؤى جديدة. الرهان كان الأفاعي بالنظر لأسلوب حياتها ولأنها تستطيع تدبير هذه السموم ولربما لديها حيل تطورية لم نرها من قبل. هنالك العديد من الفصول لكشفها هنا.”
ولكن خلال وقت قصير نسبياَ، وبينما تشعبت الشجرة إلى حد أبعد.
تركت الأفاعي المجلجلة كالأفاعي ذوات الظهر الألماسي الشرقية والغربية والمتواجدة في شمال أميركا السموم الخاصة بالجهاز العصبي، محتفظة بدلا من ذلك بالسموم التي تؤثر على العضلات ومجرى الدم الخاص بفرائسها.
وفي هذه الأثناء حافظت أفعى صحراء الموهافي المجلجلة على الجين السمي الخاص بالجهاز العصبي وفقدت جينات معينة أخرى.
ونشرت هذه الدراسة في دورية ” Current Biology “.
يقول كارول بروفيسور البيولوجيا الجزيئية والجينات في جامعة ويسكونسون-ماديسون ونائب الرئيس في معهد هاورد هيوز الطبي لتعليم العلوم (HHMI):
” نحن نستخرج المعلومات من سجلات الحمض النووي لمعرفة آلية عمل التطور”.
وأضاف كارول: ” إنه لمن المدهش النظر إلى هذه الأفاعي، التي هي شابة نسبياَ من ناحية الزمن التطوري، واكتشاف مثل هذه الفروق الدراماتيكية فيمن يملك جينا أو لا. هذه الأنواع من التغيرات الجينية لا تحدث عادة في مثل هذا النطاق الزمني القصير نسبيا.”
يقوم كل من نوا دويل ومات جيورجاني والزملاء الباحثون في معهد هاورد هيوز الطبي لتعليم العلوم وجامعة ويسكونسون-ماديسون (في بحوث ما بعد الدكتوراه) بتعقب أصل الجينات والتطور الذي حصل في سموم الأفاعي المجلجلة وذلك بمساعدة مركز الأبحاث السمية الطبيعية الوطني إيلدا سانشيز، وقسم الكيمياء في جامعة تكساس إيه أند أم كينغزفيل.
وللقيام بذلك، تفحص الفريق الشفرة الجينية لأفراد عائلة الأفاعي المجلجلة وأعاد تشكيل تاريخهم التطوري من جديد.
وجد الفريق بأن الجينات السمية الخاصة بالجهاز العصبي قد تطورت منذ 22 مليون سنة مضت، قبل أن تظهر أولى الأفاعي المجلجلة ابتداء من 12 إلى 14 مليون سنة خلت.
يقول جيورجاني ” قدمت الأفاعي هذه الظاهرة المثيرة للاهتمام بحيث لدينا كل هذه الأنواع المختلفة من الأفاعي المجلجلة، والتي قد ظهرت منذ فترة قصيرة نسبياَ وانتشرت وتنوعت تنوعاَ كبيراَ ”
وأضاف جيورجاني قائلاَ :” هو أمر مثير للإعجاب بالنسبة لعلماء الأحياء التطورية، فقد كنا نتساءل كيف أن مكونات السم الخاصة بالأفاعي قد تغيرت بسرعة كبيرة على مر الزمن ” .
لذلك درس الباحثون الفروع الخاصة بعائلة الأفاعي المجلجلة كل على حدة.
وأدهشهم ما وجدوه وتحدى كل فرضياتهم المبدئية: فقد تطورت الأفاعي المجلجلة بسرعة كبيرة وعرفت اختلافات متنوعة خلال عملية فقدان الجينات، منتجة بذلك جينات سمية متعددة الأعداد والأنواع.
محا كل نسل من الأفاعي المجلجلة من إثنين إلى أربع جينات سمية بالكامل مقارنة بالسلف المشترك الخاص بها، محتفظة فقط بجينات فرعية لسموم متعددة. كما وتختلف الجينات الفرعية من نوع أفاعي لأخر، علاوة على ذلك، اثنان فقط من أصل السبع جينات السمية الأصلية هي مشتركة بين كل من افاعي صحراء الموهافي المجلجلة والأفاعي ذوات الظهر الألماسي الغربية والأفاعي ذوات الظهر الألماسي الشرقية.
يقول كارول :” كثير من الجينات التي قد عملنا عليها في المختبر هي جينات محفوظة بصورة لا تصدق خلال التاريخ وقد تغيرت بصورة بسيطة جداَ في نصف بليون سنة إما في العدد أو في الخصائص “، وأضاف كارول قائلاَ :” هذا الفقدان بالإجمال غير عادي، وهو ليس تنوع عادي بالمرة “.
ولوحظ في معظم الأنواع التي تمت الدراسة عليها، أن الجينات التي لم تعد ضرورية غالباَ ما تبقى في الجينوم وقتاَ أطول لكنها تتحلل في النهاية.
على سبيل المثال، في الجينوم البشري نحن لانزال نرى بقايا عائلة الجين المستقبل الشمي الكبير الذي مكن أسلافنا التطوريين من الشم بصورة قوية، على الرغم من أن البشر لا يعتمد على هذا الجين بعد الآن.
أصبح هذا مصدر تساءل للباحثين، يقول دويل ” كيف يمكنك أن تملك كل هذه الأسلحة المتنوعة وكيف يمكن لهذه الأسلحة أن تتطور بهذه السرعة وهذا الاختلاف؟ “.
لماذا تحذف الأفاعي الجينات المسؤولة عن سموم مختلفة بالكامل؟
عمل الباحثان دويل وجيورجاني بلا كلل لتحديد ما أطلقا عليه ” ترتيب النشوء ” للجين المسؤول عن السموم لمعرفة متى ظهر هذا الجين بالضبط، ومتى قد حذفته كل الأفاعي المجلجلة، لو كانت الجينات عبارة عن سلسلة طويلة مثلا سيكون من السهل تحديد منزلة أي من الجينات كانت مربوطة في الأصل وأي من الجينات قد حذفت في خضم هذا التطور.
لقد أدرك الباحثون بأن أفاعي الظهر الألماسي الغربية والشرقية قد حذفت الجين السمي المسؤول عن الأعصاب منذ 6 مليون سنة تقريباَ.
وقد أدرك الباحثون كيف حدث هذا أيضاَ.
إن الجينات التي تجعل البروتينات السمية تترتب في مركب تضمن في داخله نوع من تسلسل جينومي تدعى بالجين القافز.
تتكون الجينات القافزة من نفس حروف النوكليوتيدات والتي تعرف من خلالها المادة الوراثية لكنها فقط في بعض الأحيان تشفر للجينات التي تتحول لبروتينات فيما بعد، على أية حال فإن الجينات القافزة تسهل للجينات أن تتضاعف داخل المركب كما وتسهل عملية حذفها.
يقول جيورجاني:
“يمكنك أن تتصور عملية ديناميكية وسريعة للغاية عند الأفاعي المجلجلة، حيث أن هذا الموضع (الاتساع في المادة الوراثية) يتسع ويتقلص نوعاَ ما “.
ويضيف: ” إنه يسلط الضوء على كيفية ديناميكية منطقة الجينوم ويساعدنا على رؤية السرعة الكبيرة التي يمكن أن تحدث بها هذه الأشياء ” .
على ما يبدو لم يقد هذا إلى الاختلافات الغير العادية في السم بين الأنواع فقط بل أدى إلى تنوع في الأنواع ذاتها.
تفحص الباحثان دويل وجيورجاني بمساعدة سانشير أربعا من الأفاعي ذوات الظهر الألماسي الغربية ولاحظوا مركبات الجين السمي لديهم.
إحدى الأفاعي كانت تملك جينان سميان تفتقر له الأفاعي الثلاث الأخرى كما لوحظت اختلافات أخرى في المركب.
هذا التفسير الجيني قد أصبح ممكناَ أخيراَ بفضل التكنولوجيا التي مكنت المختبر من إجراء متابعات عالية الجودة لمناطق معينة من الجينوم، بالرغم من ذلك أمعن الباحثون النظر في أماكن يغفلها علماء الأحياء في الغالب: ” عند مناطق الجينوم التي لا تشفر إلى بروتينات، تمكن الباحثون من النظر إلى نافذة تطورية يتجاهلها معظم علماء الأحياء ” يقول كارول.
ويضيف دويل قائلاَ: ” هنالك العديد من الفرص الآن لفهم ما الذي يجري ولتوسيع هذا العمل خارج نطاق الأفاعي للسؤال ” كيف تعمل الجينات بصورة عامة؟ ” .
لا يستطيع الباحثون تحديد لماذا تخلصت الافاعي من بعض سمومها بصورة أكيدة، ولكن بيئياَ يقول الباحثون إنها مرتبطة على الأغلب بالظروف الفردية التي أوجدها كل نوع لنفسه عبر الزمن.
ولربما كانت فرائسهم سريعة التأثر تجاه نوع معين من السموم أو طورت وسيلة دفاعية تجاه نوع أو آخر من السموم.
” أنا أعتقد بأن هنالك دليلا ملموسا في الطبيعة عن سباق تسلح يجري بين المفترس والفريسة ” يقول كارول، ويضيف قائلا: ” سباقات التسلح هذه قوية جداَ ولا تكاد تكون مختلفة عن المضادات الحيوية والبكتيريا حيث قانون الضغط الانتقائي، الحياة أو الموت والذي من دوره أن يعجل من سرعة التطور ويشدد على التغيرات التي تحدث عبر الزمن “ويضيف أيضاَ: ” إنه المسرح البيئي في مسرحية التطور ونحن نشاهد الدراما متجلية للعيان”.
كارول متفائل هو الأخر أيضاَ بأن جينوم الأفعى سيستمر بإخبارنا المزيد من الوقائع الممتعة.
يضيف كارول “: نحن مهتمون بصورة عامة بالأحياء، بحيث نريد أن نكتشف ظواهر جديدة، قوانين جديدة، ورؤى جديدة. الرهان كان الأفاعي بالنظر لأسلوب حياتها ولأنها تستطيع تدبير هذه السموم ولربما لديها حيل تطورية لم نرها من قبل. هنالك العديد من الفصول لكشفها هنا.”