در کفِ رودخانه‌ی آمازون، ماهی پر پیچ‌وتابی به نام مارماهی الکتریکی در تاریکی کمین کرده‌اند تا قورباغه‌های بی‌احتیاط یا طعمه‌های کوچک دیگری را برای ناهار بخورد. هنگامی که طعمه به سمت مارماهی بیاید و در کنار آن شنا کند، این موجود عجیب دو پالس الکتریکی ۶۰۰ ولتی آزاد می‌کند و موجود بخت برگشته را می‌کشد. درست است که این تکتیک شکار با ولتاژ بالا به طرز زیبایی شگفت‌انگیز و خاص است، اما تعداد انگشت شماری از گونه‌های ماهی برای شکار از الکتریسیته استفاده می‌کنند! جالب است بدانید که حتی چارلز داروین «Charles Darwin» هم در مورد توانایی‌های الکتریکی، طبقه‌بندی زیستی و موقعیت جغرافیایی این موجود در کتاب نظریه تکامل (منشا انواع) فکر می‌کرد و اذعان داشت که تصور وجود این اندام فوق‌العاده و تکرار وجود آن در فرآیند تکامل به معنی واقعی کلمه شگفت‌انگیز است.
در این میان برخی گونه‌ها قادر به حرکت در آب‌های گل‌آلود و به شکلی آهسته هستند و با نزدیکی طعمه به خود شوک‌های ملایمی با ولتاژی ضعیف‌تر آزاد و طعمه را بی‌هوش می‌کنند. به طور معمول، هنگامی که چندین گونه توانایی غیرعادی‌ای مانند تولید الکتریسیته داشته باشند، احتمالا با یکدیگر ارتباط نزدیکی دارند. اما ماهی‌های الکتریکی رودخانه‌های آمریکای جنوبی و آفریقا شامل شش طبقه‌‌ی مجزا می‌شوند و در کنار آن سه گونه از موجوداتی دریایی و الکتریکی دیگر هم وجود دارد. بنابراین درک فرآیند تکامل و جهش این موجودات، دانشمندان را به سمت تحقیقات بیشتر بر روی این موجود هدایت کرده است!
مارماهی الکتریکی چگونه برق تولید می‌کند؟
محققان اخیرا با انتشار مقاله‌ای در مجله‌ی «Science Advances» به کشف یکی از رازهای مهم تکاملی در مارماهی‌های الکتریکی کمک کرده‌اند. هارولد زاکون «Harold Zakon» زیست شناس در دانشگاه تگزاس، آستین و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه اذعان دارد که طی این مطالعه آن‌ها تنها رویه‌ی داروین را دنبال کرده‌اند، همانطور که بیشتر زیست شناسان این کار را انجام می‌دهند. این زیست‌شناس به همراه همکارانش با جمع‌آوری و در کنار هم قرار دادن سرنخ‌های ژنومی، وجود اندام‌های الکتریکی مشابه‌ای در اجداد ماهی‌های برقی که تقریباً طی ۱۲۰ میلیون سال تکامل و ۱۶۰۰ مایل فاصله در اقیانوس از هم جدا شده‌اند، را نشان می‌دهند. بنابراین به نظر می‌رسد که بیش از یک راه برای تکامل یک اندام الکتریکی یا برقی وجود دارد!
ماهی‌های آمریکای جنوبی و آفریقایی، از اندام‌های الکتریکی ویژه‌ای که بیشتر در امتداد بدنشان قرار دارد، بهره می‌گیرند. در بدن این جانداران سلول‌های عضلانی اصلاح شده‌ای به نام الکتروسیت‌ها «electrocytes» وجود دارند که مسئول پخش یون‌های سدیم هستند. هنگامی که کانالهای پروتئینی یون‌های سدیم در غشای الکتروسیت‌ها باز می‌شود، ناگهان جریانی از سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌شود.
الکتروسیت‌ها را می‌توان اندام‌های الکتریکی از ماهیچه‌های اصلاح‌شده یا در برخی موارد بافت عصبی در نظر گرفت که به تخلیه‌ی الکتریکی به منظور دفاع یا جفت‌گیری در ماهی‌ها و مارماهی‌های الکتریکی کمک می‌کند!
به طور کلی در سایر موجودات که اندام‌های الکتریکی ندارند، این جریان سیگنال‌ها در عضلات آن‌ها جاری می‌شود و در داخل و بین سلول‌ها جریان پیدا می‌کند تا به انقباض عضلات در حرکات کمک کند؛ اما وجود اندام‌های الکتریکی در این ماهی‌ها کمک می‌کند تا جریان از سیگنال‌های الکتریکی به سمت بیرون از بدن هدایت شود. در همین راستا قدرت هر ضربه‌ی الکتریکی بستگی به تعداد الکتروسیت‌های فعال در یک لحظه دارد. اکثر ماهی‌های الکتریکی قادرند که تنها چند جریان را در یک زمان شلیک کنند، اما از آنجایی که مارماهی الکتریکی مجهز به تعداد غیرعادی از سلول‌های الکتریکی است، می‌تواند ولتاژهایی را آزاد کند که به اندازه کافی برای کشتن طعمه‌های کوچک قدرتمند باشد.
وجود تعداد بالایی از سلول‌های الکتریکی در بدن مارماهی الکتریکی به این شکارچی این امکان را می‌دهد که تنها با آزاد کردن یک یا دو جریان الکتریکی، طعمه را بکشد!
تکامل و سیستم دفاعی مارماهی الکتریکی
حدودا ۳۲۰ الی ۴۰۰ میلیون سال پیش بود که اجداد همه‌ی ماهی‌ها که به عنوان ماهی‌های استخوانی طبقه‌بندی می‌شدند از یک حادثه ژنتیکی نادر جان سالم به در بردند و کل ژنوم خود را تکثیر مجدد کردند. تکثیر کل ژنوم، اغلب برای مهره‌داران کشنده است، اما از آنجایی که این موجودات نسخه‌های اضافی‌ای از همه چیز در ژنوم را تکثیر کرده‌اند، چنین کاری (تکثیر ژنوم کامل) توانست احتمالات ژنتیکی که قبلاً بروز پیدا نکرده بود را هم باز کند!
تکثیر ژنوم فرآیندی است که طی آن نسخه‌های اضافی از کل ژنوم به دلیل عدم تفکیک در طول تقسیم میوز تولید می‌شود.
بنابراین برای اجداد جدیدتر ماهی الکتریکی آب شیرین که جزو ماهی‌های استخوانی هم طبقه‌بندی می‌شوند، تکثیر ژنوم به این معنی بود که آن‌ها یک نسخه اضافی از ژنِ پخش‌کننده‌ی یون‌های سدیم خواهند داشت. درواقع یک نسخه از این ژن همان روند معمول در سلول‌های ماهیچه (مشابه انسان‌ها و دیگر جانداران) را بر عهده می‌گیرد و دومین جهش اکتسابی، خواص الکتریکی متمایزی را به الکتروسیت‌ها اعطا می‌کند.
در عین حال یکی از موارد بسیار مهم در این مساله این است که در ابتدا، نسخه‌ی دوم ژن (جهش اکتسابی) باید در سلول های ماهیچه‌ای غیرفعال می‌شد. چراکه این موضوع از این جهت حائز اهمیت است که قابلیت‌های الکتروسیتی در حال ظهور می‌توانند با حرکت حیوان در تداخل قرار گیرند! بنابراین هنگامی که زاکون و همکارانش به چگونگی غیر فعال شدن ژن توسط ماهی الکتریکی نگاه کردند با شگفتی متوجه شدند که گونه‌های مختلف این ماهی‌ها به شیوه‌های متفاوتی این کار را انجام می‌دهند.
جالب است بدانید که در بافت عضلانی ماهی آفریقایی، ژن مربوط به پخش یون‌های سدیم عملیاتی بود اما مشابه قفلی بدون کلید، نمی‌توانست بدون مولکول‌های کمکی (که توسط بافت ماهیچه‌ای ساخته نمی‌شود!) فعال شود. از طرفی در بیشتر ماهی‌های آمریکای جنوبی، بخش پخش‌کننده‌ی یون‌های سدیم در ماهیچه‌ها وجود نداشت و ژن پخش سدیم تا حد زیادی غیرفعال بود. به این علت که یک عنصر کنترلی ضروری که به طور خاص بیان ژن پخش سدیم در ماهیچه را تقویت می‌کند، وجود نداشت.
در برخی از گونه‌های عجیب ماهیان آمریکای جنوبی، این ژن همچنان در ماهیچه‌ها عملیاتی است و در ماهی‌های جوان موقتاً غیرفعال شده است. اما زمانی که مجموعه‌ای متفاوت از ژن‌ها، کنترل کانالهای سدیمی در اندام الکتریکی ماهی بالغ را به دست بگیرند، این ژن دوباره فعال می‌شود. بنابراین با توجه به بحث فرگشت همگرا «convergent evolution» گونه‌های مختلف ماهی‌ها به طور مستقل به سمت استراتژی اصلاح بافت ماهیچه‌ای خود برای ایجاد اندام‌های الکتریکی رفته‌اند و حتی این کار را با ساختن پخش‌کننده‌ی سدیم به طور انتخابی در بافت‌های مختلف انجام داده‌اند. اما در نحوه‌ی تنظیم و فعال‌سازی این پخش کننده‌ها اختلاف‌هایی وجود داشته است.
تکامل یا فرگشت همگرا فرآیندی است که به موجب آن موجودات زنده‌ای که ارتباط نزدیکی با یکدیگر ندارند، مستقل از هم، صفات مشابهی پیدا می‌کنند! به بیان دیگر هنگامی که فشارهای فرگشتی یکسان بر دو گونه‌ی زیستی متفاوت اعمال شود، خصیصه‌های یکسانی برای پاسخ به این فشارها به وجود می‌آید.
یوهان ابرهارت «Johann Eberhart» یکی از زیست‌شناسان مولکولی در دانشگاه تگزاس و از افراد حاضر در این مطالعه‌ی جدید، توضیح می‌دهد که در اغلب موارد زمانی که دانشمندان از فرگشت همگرا صحبت می‌کنند اساسا از صفات مشابه و مستقل از هم در موجوداتی که ارتباط نزدیکی با هم ندارند، اشاره دارند. اما این مطالعه رویه‌‌ای کاملاً متفاوت داشت و من فکر می‌کنم این نتایج شگفت‌انگیز است.
در حالی که سایر ماهی‌های استخوانی نسخه‌ی کپی ژن خاصی را به منظور ارسال سیگنال بین اعصاب و ماهیچه‌ها از دست داده بودند، برخی از گونه‌های ماهی‌های الکتریکی آن‌ها را حفظ کردند. بنابراین با وجود این ژن‌های کلیدی که اندام‌های الکتریکی را تحت کنترل داوطلبانه و مستقیم جانور قرار می‌دهد، مارماهی الکتریکی می‌تواند سیگنال‌های قوی خود را توسعه دهد.
حفظ نسخه‌ی کپی ژن مربوط به پخش یون‌های سدیم در گونه‌های مختلف ماهی‌های استخوانی عاملی برای تولید سیگنال‌هایی با ولتاژ بالا در مارماهی الکتریکی است!
همچنین در طی این مطالعه زاکون و همکارانش از اهمیت بالقوه‌ی منطقه‌ی کنترلی که در ژن‌های پخش یون سدیم یافتند، شگفت‌زده شدند! چراکه به نظر می‌رسد این بخش دقیقا مشخص می‌کند که کدام بافت‌ها، پروتئین را بیان می‌کنند. جالب است بدانید که همین منطقه‌ی کنترل در پخش یون‌های سدیم در انسان و سایر مهره‌داران هم وجود دارد. بنابراین این امکان وجود دارد که جهش‌هایی بر فعالیت پخش سدیم در سلول‌های ما تأثیر بگذارد و باعث ایجاد مشکلات مختلفی مانند دیستروفی میوتونیک (اختلال در عملکرد عضلات) شود یا به تشدید چنین بیماری‌هایی کمک کنند! لازم به ذکر است که تحقیق جدید تنها چند نمونه از فرگشت همگرا و واگرا در ماهی‌های الکتریکی را به نمایش گذاشته و بررسی می‌کند!
در پایان باید تاکید کنیم که برای زاکون و همکارانش، این راه‌حل‌های همگرا به منظور پرداختن به یک معمای اساسی در زیست‌شناسی بسیار مفیدست و آن این است که اگر می‌توانستیم سیر تکامل را به عقب برگردانیم، آیا همه‌چیز به همین شیوه عمل می‌کرد؟
منبع: WIRED
دیدگاهتان را بنویسید