ماهی‌ها درحالی‌که هنوز شنا می‌کردند، ژن‌های سازگاری با زندگی روی خشکی را داشتند

تقریبا هفتصد سال پیش، جیکوب ون‌مرلانت، شاعر هلندی، ماهی سازگار با زندگی روی زمین را چنین تجسم کرد: این جانور بازوهایی درآورده بود که به او کمک می‌کرد خود را روی ساحل بکِشد.

اکنون سه مطالعه‌ی ژنتیکی نگاه خیالی ون‌مرلانت را به‌نوعی تأیید می‌کنند. به مطالعات مذکور در مجله‌ی ساینس اشاره شده است و نشان می‌دهد از نظر ژن‌ها، اجداد آبزی چهاراندامان (تتراپودها) خشکی‌زی به‌خوبیِ ماهی خیالی هلندی آماده بودند. آن‌ها از قبل به ژن‌هایی مجهز بودند که برای ساخت اندام‌ها و ریه‌های کارآمد ازنظر تنفس هوا و سیستم‌های عصبی تنظیم‌شده برای مشکلات حیات روی خشکی می‌توانستند تغییر کنند. بورخا استو آلتاوا، زیست‌شناس دانشگاه پمپئو فابرا در بارسلونا می‌گوید: «همه‌ی این مطالعات به ما می‌گویند منشأ تتراپودها چیزی بود که در‌انتظار وقوع بود. از نظر ژنتیکی، قبل از اینکه مهره‌داران حدود چهارصدمیلیون سال پیش به‌ خشکی بیایند، همه‌ی ملزومات از قبل آماده بود.»

تصویری از یکی از دایرة‌المعارف‌های هلندی قرن چهاردهم از حیات جانوری که نشان می‌دهد دانشمندان قرن‌ها درباره‌ی تغییر باله و تبدیلش به اندام فکر می‌کردند

فسیل‌ها چهارچوب داستان را آشکار می‌کنند. لُبه‌بالگان یا ماهی‌های دارای باله‌های گوشتی که در پایه با استخوانی پشتیبانی می‌شدند، حدود ۳۷۵ میلیون سال پیش به آب‌های کم‌عمق آمدند. حدود پنج‌میلیون سال بعد، برخی از لُبه‌بالگان به داخل خشکی خزیدند. اولین ماهی‌ای که باله‌هایش را روی خشکی گذاشت، باید از قبل برخی از خصوصیات فیزیکی و تغییرات ژنتیکی موردنیاز برای انجام این کار می‌داشت. پژوهشگران در مطالعات قبلی بررسی نکرده بودند که این جانوران چگونه و کِی به این تغییرات مجهز شدند.

در سه مطالعه‌ی جدید که هفته‌ی گذشته در مجله‌ی Cell منتشر شد، برای بررسی گذشته‌ی ماهی‌ها، به‌جای فسیل‌ها از ژن‌های موجود در ماهی‌های زنده استفاده شد. مجموعه‌ای از سرنخ‌ها از مطالعات انجام‌شده روی گورخرماهی‌هایی به‌دست آمد که جهش‌زایی کرده بودند و مدل محبوبی برای مطالعه‌ی توسعه به‌شمار می‌روند.

ام. برنت هاوکینز زمان انجام مطالعات دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه هاروارد بود. او از کشف گورخرماهی‌های جهش‌یافته شگفت‌زده شد که در باله‌های جلویی‌شان دو استخوان با عضله و مفصل و عروق خونی شبیه استخوان‌های اندام جلویی جانوران خشکی داشتند. دو ژن جهش‌یافته به نام‌های vav2 و waslb دلیل این تغییر‌شکل بودند. هر دو ژن کدکننده‌ی پروتئین‌هایی هستند که بخشی از مسیر کنترل‌کننده‌ی فعالیت پروتئین‌های Hox11 محسوب می‌شوند. این پروتئین‌ها مولکول‌های تنظیم‌کننده‌ای هستند که تشکیل دو استخوان بازو را در پستانداران هدایت می‌کنند. در ماهی‌ها، پروتئین‌های دیگر معمولا Hox11 را سرکوب و از تشکیل استخوان‌های مذکور جلوگیری می‌کنند؛ اما جهش‌هایی که هاوکینز آن‌ها را با استفاده از ویرایشگر ژن کریسپر دوباره ایجاد کرد، مسیر را مجددا فعال کردند.

سرنخ‌های ژنتیکی دیگر از نمایندگان زنده‌ی تبارهای مختلف ماهیان باستانی می‌آید. امروزه، فقط دو گروه از لُبه‌بالگان زنده هستند: شُش‌ماهی‌ها و تُهی‌خارها (سیلَکانت‌ها). آن‌ها حدود چهارصدمیلیون سال پیش از دودمانی از لُبه‌بالگان جدا شدند که سیصدمیلیون سال بعد به تتراپودها تکامل پیدا کردند. اقیانوس‌های امروزی عمدتا با گونه‌هایی از گروه‌های دیگر پُر شده‌اند که حدود ۴۲۰ میلیون سال پیش نشئت گرفتند: ماهی‌های رده‌ی پَرتوبالگان (شُعاع‌باله‌ها) که باله‌هایشان بر تیغ‌های استخوانی بلند و باریکی متکی است.

گوجی ژانگ، از دانشگاه کپنهاگ و ون‌وانگ، از دانشگاه پلی‌تکنیک شمال‌غربی چین و همکارانشان ژنوم‌ شُش‌ماهی آفریقایی را توالیابی کردند که در اوایل از دیگر لُبه‌بالگان جدا شد. همچنین، پژوهشگران ژنوم پُرباله‌ماهیان را توالی‌یابی کردند که ماهی‌های کشیده و تنفس‌کننده‌ی هوا از گروه پَرتوبالگان هستند که در آب‌های کم‌عمق رودخانه‌های آفریقای گرم‌سیری زندگی می‌کنند. آن‌ها ژنوم پاروماهی آمریکایی و کمان‌باله و سرسوسماری الیگاتوری را نیز توالی‌یابی کردند. همه‌ی این‌ها پرتوبالگانی هستند که بسیار زودتر از پیوسته‌استخوانان، یعنی گروه مسلط بر آب‌های امروزی جهان تکامل پیدا کردند. پژوهشگران با دانستن اینکه هر‌کدام از آن تبارها چه زمانی از دیگران جدا شدند، توانستند نتیجه‌گیری کنند کِی و کجا برخی ژن‌ها اولین‌بار در شجره‌ی خانوادگی ماهی‌ها ظاهر شدند.

شالوده‌ی صفات خشکی مانند اندام‌ها و ریه‌ها در عمق درخت خانوادگی ماهی‌ها قرار داشت. ژن‌های کدکننده‌ی صفاتی که هم در لُبه‌بالگان و هم پرتوبالگان یافت می‌شود، در جد مشترک آن‌ها نیز باید وجود داشته باشد.

هیچ‌یک از ماهی‌های توالی‌یابی‌شده روی شاخه‌ی دقیقی قرار ندارد که به تتراپودها منتهی می‌شود. بااین‌حال، همه‌ی آن‌ها بیشتر تجهیزات ژنتیکی موردنیاز برای زندگی روی خشکی، ازجمله بیشتر ژن‌ها و DNA تنظیم‌کننده‌ی موردنیاز برای ساخت اندام‌ها را دارند. به‌عنوان مثال، تمام ماهی‌های توالی‌یابی‌شده عنصری کنترل‌کننده دارند که به تشکیل مفاصل زلاله‌ای کمک می‌کند که موجب انعطاف‌پذیری باله‌ها و اندام‌ها می‌شود و برای حرکت روی خشکی ضروری است. افزون‌براین، این ماهی‌ها یازده ژن دارند که برای ساخت ریه‌ها موردنیاز هستند و در ریه‌های پرباله‌ماهیان به همان روش انسان‌ها کار می‌کنند. یکی از ژن‌ها به سورفاکتانت ریوی مربوط است که ترشحی روان‌کننده است و به انقباض و انبساط ریه‌ها کمک می‌کند.

هم پرتوبالگان و هم شُش‌ماهی‌ها عنصری تنظیم‌کننده دارند که به شکل‌گیری بطن راست قلب کمک می‌کند تا تحویل اکسیژن به‌طور کارآمدتری انجام شود. گاج کرامپ، زیست‌شناس دانشگاه کالیفرنیای جنوبی می‌گوید:

این یافته‌ها نشان می‌دهد بسیاری از عناصری که فکر می‌کنیم فقط در جانوران خشکی وجود دارد، در ماهی‌ها نیز دیده می‌شود.

پیداکردن تمامی آن ژن‌ها در هر دو گروه لُبه‌بالگان و پرتوبالگان بدین‌معنا است که این مسیرهای ژنتیکی در جد مشترک آن‌ها، یعنی درحدود ۴۲۵ میلیون سال پیش، نیز باید وجود داشته باشد. ژانگ می‌گوید: «شگفت‌آور است که برخی از این عناصر مدت زمان بسیار طولانی تا این حد حفظ شده‌اند.» پژوهشگران گزارش کردند که پیوسته‌استخوانان به‌جز مسیر Hox11، بیشتر DNA را از دست داده‌اند که ماهی‌های اولیه را برای زندگی روی خشکی آماده کرد.

ژنوم شُش‌ماهی تصویری کلی از سازگاری‌های آینده‌ی زندگی روی خشکی ارائه می‌دهد. ژنوم این ماهی ژن‌های اضافی سورفاکتانت ریوی را شامل می‌شود که پرتوبالگان از آن بی‌بهره و نیز حاوی DNA برای تعیین پنج انگشت پا و اتصال اعصاب به عضلات اندام‌ها برای حساس‌کردن مغز برای واکنش سریع هستند. پیش‌ازاین، تصور می‌شد تمام این ژن‌ها خاص تتراپودها یا چهاراندامان باشند.

وانگ و ژانگ با‌توجه‌به تمام یافته‌ها چنین فکر می‌کنند که انتقال به خشکی شامل سه مرحله‌ی اساسی بوده است. توانایی تنفس هوا در جد مشترک پرتوبالگان و لُبه‌بالگان حدود ۴۲۵ میلیون سال پیش ظاهر شد. سپس ژن‌های سورفاکتانت به ژن‌های سیستم عصبی جدید و دیگر تغییرات لُبه‌بالگان کمک کرد تا موقتا از آب بیرون بیایند. سرانجام پس از جدا‌شدن شُش‌ماهی آفریقایی از لُبه‌بالگان، جد مشترک مهره‌داران خشکی اصلاحات لازم برای زندگی در بیرون از آب را به‌دست آورد.

این مطالعات نشان می‌دهد تا چه حد انتقال ماهی به تتراپود با اصلاح سیستم‌های مولکولی موجود به‌جای ایجاد سیستم‌های جدید حاصل شده است. هنوز شکاف‌هایی در زمینه‌ی درک نحوه‌ی آمدن ماهی‌ها به خشکی وجود دارد؛ اما مطالعه‌ی جدید ما را به بیولوژی زنده‌ی انتقال ماهی‌ به تتراپود نزدیک‌تر می‌کند.