پژوهش تازهای نشان میدهد که منشأ شکلگیری انگشتان در بدن ما به ژنهایی بازمیگردد که در ابتدا برای ساخت دم و سیستم دفع ماهیها به کار میرفتند. بر اساس این تحقیق، حدود ۳۶۰ میلیون سال پیش، اجداد ماهیمان از محیط آبی به خشکی مهاجرت کردند و در این فرایند بالههای آنها به اندامهایی شبیه پا و انگشتان تبدیل شد. با گذشت میلیونها سال، این اندامها تکامل یافته و جفت جلوییشان به دستهایی توانمند و ابزارساز تبدیل شدند که امروزه نقش مهمی در زندگی و پیشرفت انسان ایفا میکنند. این فرایند یکی از جذابترین نمونههای تغییرات تکاملی است که دانشمندان را سالها به خود مشغول کرده است.
به گزارش رسانه اخبار فناوری تک فاکس، محققان از دههها پیش در تلاشاند تا بفهمند این دگرگونی چگونه رخ داده است. برای این منظور فسیل ماهیهای منقرضشدهای را بررسی کردهاند که بالههایی با ظاهر و کارکردی شبیه دستها و پاها داشتند. آنها همچنین رشد رویان ماهیهای امروزی و مهرهداران خشکیزی را مقایسه کردهاند تا نحوه شکلگیری دقیق اندامهای حرکتی را درک کنند. این مطالعات نشان دادهاند که مراحل شکلگیری باله و پا دارای شباهتهای فراوانی هستند و تغییرات ژنتیکی بسیار ظریفی در طول زمان توانستهاند ساختار بدن موجودات را به شکل اساسی دگرگون کنند.
امروزه فناوری ویرایش ژنوم مانند کریسپر به دانشمندان این امکان را میدهد که این تغییرات باستانی را در مقیاس مولکولی بازسازی کنند و بفهمند کدام ژنها در این فرایند نقش کلیدی داشتهاند. نتایج پژوهش جدید نشان میدهد که دستها و پاها حاصل ایجاد ژنهای کاملاً تازه نیستند؛ بلکه ترکیبی از دستورالعملهای ژنتیکی بسیار قدیمی هستند که در ابتدا کارکرد متفاوتی داشتهاند. انتخاب طبیعی این قطعات ژنتیکی را در ترکیبهای جدید کنار هم قرار داده و آنها را برای ساخت اندامهای حرکتی به کار گرفته است. اورلی هینترمان، پژوهشگر پسادکترا در مؤسسه تحقیقات پزشکی استاورز در کانزاسسیتی، در گفتوگو با نیویورکتایمز اظهار داشت: «استفاده از ژنهای موجود برای هدف جدید بسیار کارآمدتر است تا خلق یک سیستم کاملاً تازه.»
پژوهشگران برای رسیدن به این نتایج، فعالیت ژنها را در رویانهای در حال رشد دنبال کردند. هر رویان از یک تخمک بارورشده آغاز میشود که مجموعهای کامل از ژنها را در خود دارد. با تقسیم سلولی، سلولهای جدید همان ژنها را به ارث میبرند اما در طول رشد، برخی از این ژنها خاموش و برخی روشن میشوند تا بافتها و اندامهای مختلف شکل بگیرند. این فرایند بسیار پیچیده است و سلولها علاوه بر روشن و خاموش کردن ژنهای خود، سیگنالهایی به سلولهای مجاور میفرستند که موجب تغییر برنامه ژنی آنها میشود. به این ترتیب، شبکهای هماهنگ از پیامرسانی ژنتیکی ایجاد میشود که رشد منظم اندامها را تضمین میکند.
مولکولهای سیگنالدهنده با اتصال به نقاط خاصی از DNA مانند کلیدی که قفل را باز میکند، ژنها را فعال میکنند. بسیاری از ژنها پیش از فعال شدن نیاز به چندین سیگنال دارند تا بتوانند آغاز به کار کنند. دانشمندان تاکنون چندین بخش از این «قفلهای ژنتیکی» را شناسایی کردهاند که امکان رشد اندامهای حرکتی را برای رویان فراهم میکنند. در سال ۲۰۱۱، دنیس دوبول و همکارانش در دانشگاه ژنو موفق به کشف شش قفل ژنتیکی مهم در بخشی از DNA موسوم به 5DOM شدند. آزمایشها نشان داد وقتی 5DOM از ژنوم رویان موش حذف میشود، موش پا در میآورد اما انگشتان رشد نمیکنند که نشاندهنده نقش کلیدی این ناحیه در شکلگیری انگشتان است.
کنجکاوی دانشمندان باعث شد تا منشأ تکاملی این قفلها را بررسی کنند. آنها میخواستند بدانند که آیا 5DOM زمانی ایجاد شده که اجداد ما برای نخستین بار به خشکی آمدند یا از پیش در اجداد بالهدار ما وجود داشته است. کریستوفر بولت، دانشجوی دکترای آزمایشگاه دوبول، با بررسی ژنوم گورخرماهی دریافت که این گونه نیز دارای 5DOM است. از آنجا که گورخرماهی و پستانداران بیش از ۴۰۰ میلیون سال پیش جد مشترک داشتهاند، این یافته نشان داد که 5DOM بسیار قدیمی است و نقش مهمی در رویان ماهیها نیز ایفا میکند.
هینترمان با استفاده از کریسپر این بخش ژنومی را از رویانهای گورخرماهی حذف کرد و مشاهده کرد که برخلاف انتظار، این حذف تأثیر زیادی بر رشد بالهها ندارد اما رشد ناحیهای به نام کلواک را مختل میکند. کلواک محلی است که مقعد، خروجی مثانه و اندامهای جنسی در آن قرار دارند. این کشف باعث شد تا پژوهشگران همان آزمایش را روی رویان موش انجام دهند و متوجه شوند 5DOM در پستانداران هم ژنهای همان ناحیه را فعال میکند.
این نتایج دیدگاه تازهای درباره تکامل انگشتان دست و پا ایجاد کرد. بر اساس این نظریه، حدود نیم میلیارد سال پیش ماهیهای بسیار ابتدایی وجود داشتند که بدنشان ساختاری ساده و روبانمانند داشت و تنها شامل سر و اندامی ابتدایی بود. این ماهیها غذا میخوردند، هضم میکردند و فضولات را از مقعد دفع میکردند و همچنین منفذی برای تولیدمثل و دفع ادرار داشتند. ژن 5DOM در انتهای بدن آنها ژنهای مربوط به این اندامها را فعال میکرد و این نقش ژنتیکی طی صدها میلیون سال بدون تغییر باقی مانده است.
حدود ۳۶۰ میلیون سال پیش، 5DOM توانست نقش تازهای در بدن پیدا کند و علاوه بر کلواک، فرایند شکلگیری انگشتان دست و پا را نیز کنترل کند. برنت هاوکینز، زیستشناس تکاملی دانشگاه هاروارد، این پدیده را به بازخوانی یک ترانه قدیمی توسط خوانندهای جدید تشبیه میکند و میگوید: «این مثل زمانی است که هنرمندی مدرن از یک قطعه قدیمی الهام میگیرد و آن را با سبک خود بازآفرینی میکند.» شباهت اندامهای تحتانی و دستها در این است که هر دو در انتهای بدن قرار دارند و به همین دلیل استفاده مجدد از این ژنها برای ساخت انگشتان منطقی به نظر میرسد.
نیل شوبین، زیستشناس تکاملی دانشگاه شیکاگو و از نویسندگان این پژوهش، بیان میکند که هنوز معلوم نیست چه تغییرات دقیقی باعث شد 5DOM نقش جدید خود را پیدا کند و به ساخت انگشتان کمک کند. او میگوید: «این یافته برای ما شگفتانگیز بود و نشان میدهد که هنوز چیزهای زیادی برای کشف درباره نحوه شکلگیری بدن موجودات زنده باقی مانده است.» پژوهشهای آینده میتوانند رازهای بیشتری از این فرایند حیرتانگیز تکامل را روشن کنند و دیدگاه ما را نسبت به منشأ اندامهای حرکتی تغییر دهند.