ژنوم ماهی الکتریکی؛ تکامل چگونه خود را تکرار می‌کند؟

در بستر گل‌آلود رودخانه آمازون، ماهی‌های مارمانندی که مارماهی الکتریکی (مارماهی برقی) نامیده می‌شوند، در تاریکی به‌دنبال قورباغه‌ها و دیگر طعمه‌های کوچک می‌گردند. وقتی طعمه‌ای در کنار ماهی شنا کند، ماهی دو پالس ۶۰۰ ولتی الکتریسیته آزاد می‌کند تا آن را بی‌حس کند یا بکشد.

این تاکتیک شکار به کمک ولتاژ بالا، تاکتیک متمایز و خاصی است، اما تعداد انگشت‌شماری از سایر گونه‌های ماهی نیز از الکتریسیته استفاده می‌کنند. آن‌ها حین حرکت در آب‌های گل‌آلود و دارای جریان آهسته و هنگام برقراری ارتباط با دیگر اعضای گونه خود ولتاژهای ضعیف‌تری تولید و احساس می‌کنند.

وقتی چندین گونه توانایی غیرعادی همچون تولید الکتریسیته را داشته باشند، معمولاً به این دلیل است که آن‌ها ارتباط نزدیکی با هم دارند. اما ماهی‌های الکتریکی در رودخانه‌های آمریکای جنوبی و آفریقا شش گروه تاکسونومیک مجزا را شامل می‌شوند و به غیر از آن‌ها سه تبار دریایی دیگر از ماهی‌های الکتریکی نیز وجود دارد.

حتی چارلز داروین هم درباره‌ی جدید بودن توانایی‌های الکتریکی و تاکسونومی عجیب و توزیع جغرافیایی غیرعادی ماهی‌های دارای این توانایی‌ها فکر کرده بود و در کتاب منشا گونه‌ها نوشته بود: «غیرممکن است که بتوانیم تصور کنیم این اعضای عجیب که نه فقط یک بار، بلکه چندین بار ایجاد شده‌اند، طی چه مراحلی تولید شده‌اند.»

مقاله‌ای که اخیراً در مجله‌ی Science Advances منتشر شده است، به کشف این راز تکاملی کمک می‌کند. هارولد زاکون، زیست‌شناس دانشگاه تگزاس در آستین و یکی از نویسندگان مطالعه‌ی جدید می‌گوید: «ما همچون بیشتر زیست‌شناسان فقط داروین را دنبال می‌کنیم.»

تیم زاکون در تگزاس و همکارانشان در دانشگاه ایالتی میشیگان با کنار هم گذاشتن سرنخ‌های ژنومی کشف کردند که چگونه اعضای الکتریکی شبیه به هم به‌طور جداگانه در حدود ۱۲۰ میلیون سال تکامل و در فاصله‌ی ۱۶۰۰ مایل اقیانوس، در تبارهای مختلف ماهی‌های الکتریکی ظاهر شده است.

بررسی‌های پژوهشگران نشان می‌دهد بیش از یک راه برای تکامل اندام‌های الکتریکی وجود دارد. ماهی‌های آمریکای جنوبی و آفریقا که گروه زاکون مطالعه می‌کند، الکتریسیته خاص خود را از اندام‌های الکتریکی تخصصی به دست می‌آورند که در امتداد بدنشان قرار دارد.

سلول‌های عضلانی تغییریافته به نام الکتروسیت در این ارگان‌ها شیب یون سدیم ایجاد می‌کنند. وقتی پروتئین‌های کانال سدیم در غشای الکتروسیت‌ها باز می‌شود، جریان ناگهانی ایجاد می‌شود. زاکون می‌گوید: «این توانایی با ساده‌ترین سیگنالی که می‌توانید تصور کنید، در ارتباط است.»

در عضله، این سیگنال‌های الکتریکی درون و بین سلول‌ها جریان پیدا می‌کنند تا به عضلات کمک کنند تا به منظور حرکت منقبض شوند، اما در اندام‌های الکتریکی، ولتاژ به سمت بیرون هدایت می‌شود. شدت هر شوک به تعداد الکتروسیت‌هایی بستگی دارد که در هر زمان شلیک می‌شوند.

در بیشتر ماهی‌های الکتریکی، در هر زمان فقط چند الکتروسیت شلیک می‌شوند، اما ازآن‌جا که مارماهی‌های الکتریکی تعداد زیادی سلول الکتریکی دارند، می‌توانند ولتاژهایی را آزاد کنند که به اندازه‌ای قدرتمند است که طعمه‌های کوچک را بکشد.

مارماهی الکتریکی یکی از چندین گونه ماهی آب شیرین در آمریکای جنوبی است که برای جهت‌یابی، ارتباط برقرار کردن، شکار یا دفاع از خود الکتریسیته تولید می‌کند. ماهی‌ها در آفریقا به‌طور مستقل اعضای الکتریکی تکامل داده‌اند که به‌طرز حیرت‌آوری شبیه هم هستند، اگرچه، جزئیات مولکولی عملکرد آن‌ها متفاوت است.

زاکون و همکارانش در کار جدید خود، یکی از جنبه‌های کلیدی تکامل اعضای الکتریکی را ازطریق دنبال‌کردن تاریخچه ژنومی این ماهی‌ها بازسازی کردند. تکامل این اعضا بین ۳۲۰ تا ۴۰۰ میلیون سال پیش آغاز شد. در آن زمان، جد همه ماهی‌ها که به‌عنوان پیوسته‌استخوانان طبقه‌بندی می‌شدند، از حادثه ژنتیکی نادری که کل ژنومش را مضاعف کرد، جان سالم به در برد.

مضاعف‌شدن کل ژنوم اغلب برای مهره‌داران کشنده است. اما ازآن‌جا که این پدیده نسخه‌های اضافه‌ای از هر چیزی که در ژنوم وجود دارد، ایجاد می‌کند، مضاعف‌شدن ژنتیکی همچنین می‌تواند امکان‌های ژنتیکی جدیدی را مهیا کند که قبلا مورد بهره‌برداری قرار نگرفته‌اند.

گاوین کونانت، زیست‌شناس دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی که در این مطالعه مشارکت نداشت، گفت: «ناگهان، به جای داشتن فقط یک ژن جدید، این ظرفیت را دارید که مسیر کاملاً جدیدی بسازید.»

هارولد زاکون، زیست‌شناس دانشگاه تگزاس در آستین یکی از راهنمایان مطالعه جدید درمورد تکامل ماهی‌های الکتریکی بود. او گفت: «همچون بیشتر زیست‌شناسان، ما نیز فقط داروین را دنبال می‌کنیم.»

برای اجداد جدیدتر ماهی‌های الکتریکی آب شیرین امروزی که به گروه پیوسته‌استخوانان تعلق دارند، مضاعف‌شدن به این معنا بود که نسخه اضافه‌ای از ژنی را داشتند که برای پمپ سدیم اهمیت دارد. یکی از نسخه‌ها به کار خود در سلول‌های عضلانی ادامه داد و نسخه دیگر جهش‌هایی به دست آورد که خواص الکتریکی متمایزی را به الکتروسیت‌ها داد.

مسئله بسیار مهم این است که پیش از اینکه هر گونه سازگاری خاص ارگان الکتریکی را بتوان به دست آورد، اول باید نسخه دوم ژن در سلول‌های عضلانی غیرفعال می‌شد. در غیر این صورت، قابلیت‌های الکتروسیتی که ظاهر می‌شد، در حرکت اختلال ایجاد می‌کرد.

زمانی‌که زاکون و همکارانش نحوه‌ی خاموش‌شدن ژن را در ماهی الکتریکی بررسی کردند، از کشف این مسئله شگفت‌زده شدند که تبارهای مختلف ماهی‌های الکتریکی این کار را به‌شکل متفاوتی انجام می‌دادند. در بافت عضلانی ماهی آفریقایی، ژن پمپ سدیم همچنان کارکردی بود، اما مانند قفلی بدون کلید، نمی‌توانست بدون مولکول‌های کمکی خاصی که در بافت عضلانی تولید نمی‌شد، فعال شود.

در بیشتر ماهی‌های آمریکای جنوبی، این پمپ در عضلات وجود نداشت. ژن پمپ سدیم تا حد زیادی غیرفعال بود، زیرا فاقد یکی از عناصر کنترلی ضروری بود که به‌طورخاص بیان پمپ سدیم را در عضله افزایش می‌دهد. در یکی از تبارهای عجیب ماهی‌های آمریکای جنوبی این ژن همچنان در ماهیچه‌ها فعالیت می‌کرد.

این ژن در ماهی‌های جوان به‌طور موفق غیرفعال بود، اما هنگام بلوغ ماهی که مجموعه متفاوتی از ژن‌ها کنترل کانال سدیم را در عضو الکتریکی به دست می‌گرفتند، دوباره فعال می‌شد. بنابراین، در نمونه بارزی از تکامل همگرا، تبارهای مختلف ماهی‌ها به‌طور مستقل به استراتژی تغییر بافت عضلانی خود برای تولید اعضای الکتریکی دست پیدا کرده بودند. آن‌ها این کار را ازطریق انتخابی عمل کردن پمپ‌های سدیم در بافت‌های مختلف انجام داده بودند، اما ازنظر نحوه تنظیم پمپ‌ها با هم اختلاف داشتند.

درون عضله گورخرماهی (سمت چپ)، برچسب سبز فلورسنت موجی قوی از فعالیت الکتریکی ناشی از پمپ سدیم را درون سلول‌ها نشان می‌دهد. در عضله ماهی الکتریکی آمریکای جنوبی (راست) فعالیت بسیار ضعیف‌تر است، زیرا در این ماهی، تکامل اعضای الکتریکی با سرکوب پمپ سدیم در عضلات آغاز شد.

یوهان ابرهارت، زیست‌شناس مولکولی در دانشگاه تگزاس در آستین و یکی از نویسندگان مطالعه جدید توضیح می‌دهد، بیشتر اوقات، زمانی که دانشمندان یک مورد از تکامل همگرا را بررسی می‌کنند، مشخص می‌شود این ویژگی‌ها به‌وسیله‌ی مکانیسم مشابهی ایجاد می‌شوند. او می‌گوید: «اما این مورد کاملاً متفاوت بود و فکر می‌کنم هیجان‌انگیز است.»

کونانت خاطرنشان کرد که یافته‌های جدید به نوعی منعکس‌کننده چیزی است که در پژوهش‌های گروه تحقیقاتی خود دیده است. آزمایشگاه او کشف کرد که درحالی‌که سایر ماهی‌های گروه پیوسته‌استخوانان برخی از ژن‌های مضاعف را برای ارسال سیگنال بین اعصاب و عضلات از دست داده بودند، برخی از تبارهای ماهی الکتریکی آن را حفظ کرده بودند. بدون این ژن‌های کلیدی که اعضای الکتریکی را تحت کنترل داوطلبانه مستقیم قرار می‌دهند، مارماهی‌های الکتریکی نمی‌توانستند الکتریسیته خاص خود را توسعه دهند.

زاکون و همکارانش همچنین مجذوب اهمیت احتمالی این منطقه کنترلی که آن‌ها در ژن‌های پمپ سدیم پیدا کردند، شده‌اند، ازآنجا که به‌نظر می‌رسد با دقت بالایی مشخص کند کدام بافت‌ها این پروتئین را بیان می‌کنند. همین منطقه کنترلی در پمپ‌های سدیم انسان‌ها و مهره‌داران دیگر هم دیده می‌شود. جهش‌هایی که بر فعالیت پمپ در سلول‌های ما اثر می‌گذارند، ممکن است موجب مشکلات سلامتی مختلفی مانند نوعی ضعف عضلانی به نام میوتونی شود.

پژوهش جدید تنها به چند نمونه از همگرایی و واگرایی که در ماهی الکتریکی دیده می‌شود، می‌پرازد. برخی از تبارهای آمریکای جنوبی با استفاده از نورون‌های اصلاح‌شده به‌جای سلول‌های عضلانی اصلاح‌شده، شوک‌های ضعیفی ایجاد می‌کنند. برخی از ماهی‌های الکتریکی در اقیانوس‌ها استراتژی‌های شوک الکتریسته عجیب‌تری تکامل داده‌اند. برای مثال، اورانوس‌ماهی از عضلات تغییریافته درون چشمش شوک اعمال می‌کند.

برای زاکون، این راه‌حل‌های همگرا هستند که در حل یکی از معماهای اساسی زیست‌شناسی بسیار مفید هستند: اگر بتوانید سیر تکامل را به عقب برگردانید، آیا دوباره همان مسیر را طی خواهد کرد؟ او گفت دیدن نوآوری منحصربه‌فرد شگفت‌آور است، اما به این سؤال پاسخ نمی‌دهد که آیا فقط یک راه برای رسیدن به آنجا وجود داشته است؟

ترکیبی از همگرایی و واگرایی که در سیستم‌های اندامی نظیر سیستم‌های ماهی‌های الکتریکی متنوع دیده می‌شود، دیدگاه بسیار غنی‌تری از اینکه زیست‌شناسی تا چه حد قابل پیش‌بینی و تا چه حد غیرمنتظره است، ارائه می‌دهد.