تکامل چگونه کرم شب تاب را خلق کرد؟

از یک نظر، ما کرم‌های شب‌تاب را درک کرده‌ایم. ما آنزیمی را که این جانوران برای ایجاد نور از آن استفاده می‌کنند (لوسیفراز) و همچنین مواد شیمیایی را که در واکنش تولید نور از آن استفاده می‌کنند، شناسایی کرده‌ایم.

ما کرم‌های شب‌تاب را آن‌قدر خوب می‌شناسیم که آن‌ها را به ابزارهای مفیدی برای مطالعه سایر جنبه‌های زیست‌شناسی تبدیل کرده‌ایم؛ به‌طوری‌که بسیاری از افرادی که حتی چشمشان به کرم شب‌تاب نخورده است، از آنزیم لوسیفراز در آزمایشگاه استفاده کرده‌اند.

از طرف دیگر، نادانسته‌های زیادی درباره آن‌ها وجود دارد. کرم‌های شب‌تاب روی زمانی که نور ساطع می‌کنند، کنترل دارند و این کار را فقط در ارگان‌های تخصصی انجام می‌دهند و چیزی مشابه آن ارگان در گونه‌های دیگر وجود ندارد. بنابراین، کرم ‌شب تاب به نوعی ارگان پیچیده تولیدکننده نور را تکامل داده است و نشانه‌ای از پیش‌سازهای احتمالی این ارگان در گونه‌های مرتبط وجود ندارد و همین امر آن را اسرارآمیز می‌کند.

به‌گزارش ارز تکنیکا، دو تن از پژوهشگران از ووهان چین به نام‌های شین‌هوا فو و شین‌لی ژو این موضوع را که در سطح ژن‌ها چه اتفاقی می‌افتد، بررسی کرده‌اند. هرچند آن‌ها تصویر کاملی از اینکه تکامل چگونه کرم شب‌تاب را خلق کرده است، ارائه نداده‌اند، ما را به کشف این موضوع نزدیک‌تر کرده‌اند.

تاحدودی می‌دانیم کرم‌های شب تاب چگونه نور تولید می‌کنند. اول اینکه این توانایی به افراد بالغ که با آن‌ها آشنا هستیم، محدود نمی‌شود. در مراحل لاروی نیز نور تولید می‌شود و تصور می‌شود تولید نور راهی برای نشان دادن سمی بودن آن‌ها برای شکارچیان احتمالی است. یکی از ایده‌های دانشمندان این است که سیستم ساطع‌کننده نور در ابتدا به این شکل تکامل پیدا کرد و سپس برای استفاده در جفت‌گیری به کار گرفته شد.

اندام‌های تولیدکننده نور در قطعات خاصی از شکم سوسک تشکیل می‌شوند (در قطعات مختلفی از شکم نر و ماده تشکیل می‌شوند). این قطعات شامل کوتیکول شفافی در قسمت بیرونی حشره و سلول‌های خاص ساطع‌کننده نور در زیر آن هستند. درون این سلول‌ها، آنزیم لوسیفراز به محفظه‌ای به نام پراکسی‌زوم‌ فرستاده می‌شود که در آن‌جا مواد شیمیایی مختلف معمولا طی واکنش‌های اکسیداسیون تجزیه می‌شوند.

یکی از ساده‌ترین راه‌ها برای مطالعه ویژگی‌های جدید، شناسایی ژن‌هایی است که در تولید آن‌ها نقش دارند. در این‌جا ژنتیک خوب عمل نمی‌کند، زیرا تکثیر کرم‌های شب تاب در آزمایشگاه بسیار دشوار است. گزینه دیگر آن است که توالی ژنوم کرم‌های شب تاب و بستگان آن‌ها را مشخص کنید و به دنبال ژن‌های تازه تکامل یافته یا ژن‌های موجودی بگردید که مضاعف شده‌اند و نسخه‌های اضافی از آن‌ها وجود دارد. این مورد در کرم‌های شب‌تاب آزمایش شده است و برخی از ژن‌های احتمالی شناسایی شده‌اند. اما به‌نظر می‌رسد هیچ‌یک از آن‌ها ارتباطی با ایجاد نور ندارند.

فو و ژو روی گونه‌ای از کرم شب‌تاب آبزی کار می‌کردند که ژنوم آن هنوز توالی‌یابی نشده بود، بنابراین کار خود را با توالی‌یابی ژنوم آن آغاز کردند. دو پژوهشگر متوجه شدند ژنوم کرم‌های شب‌تاب مورد مطالعه‌ی آن‌ها به‌طور غیرعادی بزرگ و پر از قطعات زائد اضافی نظیر عناصر متحرک ژنتیکی و اینترون‌های بزرگ درون ژن‌ها است. اینترون‌ها بخش‌هایی از ژنوم هستند که رونویسی از روی آن‌ها انجام می‌شود، ولی در فرایند پیرایش حذف می‌شوند. با‌این‌حال، آن‌ها موفق شدند حدود ۹۸ درصد از ژنوم را کامل و بیشتر ژن‌های درون آن را شناسایی کنند.

ازآنجایی که ارگان‌های تولیدکننده نور در قطعات خاصی از شکم رشد می‌کنند (قطعه اول در ماده‌ها و قطعه دوم در نرها)، پژوهشگران روی ژن‌هایی تمرکز کردند که در تعیین هویت آن قطعه نقش داشتند، یعنی ژن‌هایی که به یک قطعه می‌گویند که دارای بال، پا یا ساختارهای دیگر شود. این ژن‌ها «ژن‌های هومئوباکس» نامیده می‌شوند و در تعیین هویت‌های اعضای بدن موجودات مختلف، از مگس میوه گرفته تا انسان نقش دارند.

پژوهشگران با بررسی فعالیت پروتئین‌های هومئوباکس موجود در ژنوم کرم شب تاب، چندین مورد را شناسایی کردند که در زمان و مکان مناسب برای تاثیر بالقوه روی تشکیل اندام نوری فعال بودند. آن‌ها سپس با استفاده از فناوری «تداخل آراِن‌اِی» فعالیت این ژن‌ها را مهار کردند. براساس از دست‌دادن فعالیت، به‌نظر می‌رسید سه مورد از ژن‌ها در هماهنگ کردن تولید فلاش‌های نور از ارگان تولیدکننده نور نقش دارند. از دست‌دادن فعالیت دو ژن دیگر موجب اختلال در تشکیل ارگان تولیدکننده نور شد.

فو و ژو تمام جنبه‌های تولید نور را بررسی نکردند. برای مثال، در این‌جا اطلاعاتی دراین‌باره ارائه نشده است که برای تولید کوتیکول شفافی که به نور اجازه می‌دهد از شکم خارج شود، چه چیزی مورد نیاز است. اما مقاله جدید تا حدودی ویژگی‌های اساسی این سیستم را توصیف کرده است و نشان می‌دهد تولید سلول‌های تولیدکننده نور از سیستمی که فلاش‌های هماهنگ نور را از این سلول‌ها تولید می‌کند، جدا است.

مطالعه جدید همچنین نشان می‌دهد پروتئین‌های هومئوباکس که به تعیین محل رشد ارگان تولیدکننده نور کمک می‌کنند، به‌طور مستقیم در تولید لوسیفرار دخیل هستند. پژوهشگران همچنین با شناسایی ژن‌هایی که نقش اصلی را در تمامی این فرایندها دارند، مسیرهای جدیدی را برای مطالعات بیشتر و کشف جزئیات بیشتری درمورد نحوه کارکرد این سیستم فراهم کرده‌اند.

با‌این‌حال، از دیدگاه تکاملی، یافته‌ها داستانی آشنا از تکامل را روایت می‌کند. کرم شب‌تاب لزوما چیز کاملا جدیدی را برای ایجاد ارگان تولیدکننده نور در بخش شکمی خود تکامل نداده است. درعوض، وقتی قطعات اصلی در جای خود قرار داشتند، تحت کنترل ژن‌های هومئوباکس درآمدند که از قبل در تعیین هویت قطعات مختلف شکم فعال بودند.