كيف طورت الأسماك دروعها العظمية المتقشرة

منذ حوالي 350 مليون سنة ، كان أسلافك التطوريون – وأسلاف جميع الفقاريات الحديثة – حيوانات رخوة الجسم تعيش في المحيطات. للبقاء على قيد الحياة والتطور إلى ما نحن عليه اليوم ، كان على هذه الحيوانات أن تكتسب بعض الحماية والمزايا من الحيوانات المفترسة في المحيط ، والتي سيطرت عليها القشريات بعد ذلك.

يعد تطور الدروع الجلدية ، أو الأشواك الحادة أو المقاييس العظمية على شكل الماس تسمى الحراشف الموجودة في سمك السلور المدرع ، بما في ذلك سمك الحفش ، استراتيجية ناجحة. استخدمت الآلاف من أنواع الأسماك أشكالًا مختلفة من العظام و / أو الدروع الجلدية المكونة من مادة تسمى عاج الأسنان ، وهي المكون الرئيسي للأسنان البشرية الحديثة. ساعدت الطلاءات الواقية مثل هذه الفقاريات على البقاء على قيد الحياة والتطور إلى حيوانات جديدة وإنسان في النهاية.

لكن من أين أتى هذا الدرع؟ كيف تطور أسلافنا القدامى تحت الماء لينمو هذا المعطف الواقي؟

الآن ، وجدت دراسة جديدة باستخدام سمك الحفش أن مجموعة معينة من الخلايا الجذعية تسمى خلايا القمة العصبية الجذعية مسؤولة عن نمو الأنسجة الهيكلية في الأسماك. أجرى العمل جون ستاندل ، وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في ماري سكلودوسكا كوري في مختبر ماريان برونر ، وإدوارد ب. لويس أستاذ علم الأحياء ومدير معهد بيكمان في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. مقال يصف البحث يظهر في المجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في 17 يوليو.

لطالما اهتم مختبر برونر بدراسة خلايا القمة العصبية. توجد هذه الخلايا في جميع الفقاريات ، بما في ذلك الأسماك والدجاج وأنفسنا ، وتتخصص بناءً على ما إذا كانت تنشأ من مناطق الرأس (الجمجمة) أو النخاع الشوكي (الجذع). تهاجر كل من خلايا القمة العصبية في الجمجمة والجذع من نقاط البداية في جميع أنحاء جسم الحيوان النامي ، مما يؤدي إلى ظهور الخلايا التي تشكل الفكين والقلب والبنى المهمة الأخرى.

أظهرت دراسة أجريت عام 2017 من جامعة كامبريدج أن خلايا الجذع العصبية تشكل درعًا جلديًا قائمًا على عاج الأسنان في نوع من الأسماك يسمى الزلاجة الصغيرة ، ويفترض ستوندل وزملاؤه أن نفس العدد من الخلايا يؤدي إلى ظهور العظام. على درع واسع قائم على العمود الفقري.

لدراسة هذا ، لجأ Stundl وفريقه إلى أسماك الحفش ، وتحديداً سمك الحفش ستيرليت (Acipenser ruthenus). يتميز سمك الحفش الحديث ، المشهور بإنتاج أغلى كافيار في العالم ، بالعديد من الخصائص نفسها التي يتمتع بها أسلافهم منذ ملايين السنين. هذا يجعلهم مرشحين رئيسيين للدراسات التطورية.

باستخدام أجنة سمك الحفش المزروعة في معهد أبحاث الأحياء المائية وعلم الأحياء المائية في جمهورية التشيك ، استخدم ستوندل وفريقه صبغة الفلورسنت لتتبع كيفية هجرة خلايا القمة العصبية الجذعية للسمكة في جميع أنحاء جسمها النامي. يبدأ سمك الحفش في تكوين مسامها العظمية بعد أسبوعين ، لذلك أبقى الباحثون الأسماك النامية في مختبر مظلم حتى لا يزعج الصبغة الفلورية بالضوء.

وجد الفريق خلايا قمة عصبية للجذع تحمل علامات الفلورسنت في المواقع المحددة حيث تتشكل المسام العظمية لسمك الحفش. استخدموا تقنية مختلفة لتسليط الضوء على بانيات الأسماك ، وهي نوع من الخلايا المكونة للعظام. لوحظت تواقيع جينية مرتبطة بتمايز بانيات العظم في الخلايا الفلورية في الحشائش النامية للأسماك ، مما يوفر دليلًا قويًا على أن خلايا القمة العصبية الجذعية تؤدي بالفعل إلى تكوين الخلايا المكونة للعظام.

بالاقتران مع نتائج عام 2017 حول دور خلايا القمة العصبية في تكوين درع قائم على العاج ، يُظهر أن خلايا القمة العصبية الجذعية مسؤولة بالفعل عن إنشاء درع الجلد العظمي الذي مكّن النجاح التطوري لأسماك الفقاريات.

يقول ستوندل: “إن العمل مع كائنات غير نموذجية أمر صعب ؛ فالأدوات الحالية لا تعمل في الكائنات المختبرية القياسية مثل الفئران أو أسماك الزرد أو يجب تعديلها بشكل كبير”. “على الرغم من هذه التحديات ، تسمح لنا البيانات من الأنواع غير النموذجية مثل سمك الحفش بالإجابة على أسئلة البيولوجيا التطورية الأساسية بطريقة صارمة.”

يقول برونر: “من خلال دراسة العديد من الحيوانات في شجرة الحياة ، يمكننا استنتاج الأحداث التطورية التي حدثت”. “إنه أمر قوي للغاية إذا تمكنا من التعامل مع الأسئلة التطورية من منظور علم الأحياء التطوري ، لأن العديد من التغييرات التي أدت إلى أنواع مختلفة من الخلايا حدثت من خلال تغييرات صغيرة في التطور الجنيني.”

يحمل عنوان “درع جلد الفقاريات القديم المشتق من القمم العصبية الجذعية”.