الگوی اوئن؛ باله و دست دارای تشابه ساختاری بودند.

در طول ماه‌های آینده، ما توانستیم باقیمانده‌ی اجزای آن را نیز بیابیم. این اندام به‌نوعی باله و به‌نوعی دست به‌شمار می‌آمد. ماهی ما بافت باله‌ای داشت، اما دارای نسخه‌ای ابتدایی و اولیه از طرح اوئن نیز بود. یک استخوان، دو استخوان و توده‌های متعدد؛ درست همان‌طور که تئوری داروین پیش‌بینی کرده بود: ما توانستیم در دوره‌ی زمانی مناسب، در موقعیت مکانی مناسب، موجود حدواسط میان دو گونه‌ی ظاهراً متفاوت جانوری را کشف کنیم.

یافتن آن باله، تازه آغاز اکتشافات ما بود. جالب‌ترین قسمت موضوع برای من، تد و فاریش هنگامی بود که متوجه شدیم وظیفه‌ی باله چه بوده و یا اساساً چطور کار می‌کرده و حدس این‌که چرا یک مفصل مچ در ابتدای اندام به‌وجود آمده بود. راه‌حل این معما در استخوان‌ها و مفصل‌های فسیل قرار داشت.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

تیکتالیک؛ ماهی ورزشکار!

هنگامی‌که باله‌ی تیکتالیک را جدا کردیم، به موضوع بسیار جالب‌توجهی رسیدیم. تمام قسمت‌های مفصل کاملاً محافظت شده بودند. تیکتالیک دارای شانه، آرنج و مچ بود و دقیقاً همان‌گونه استخوان‌هایی را داشت که استخوان‌های بالایی و پایینی در بازو و مچ انسان را می‌سازد. زمانی‌که ما ساختار این مفصل‌ها را مطالعه می‌کردیم تا دریابیم که چطور یک استخوان در خلاف جهت دیگری حرکت می‌کند، متوجه شدیم تیکتالیک برای عملکردی خارق‌العاده تکامل یافته بود. این جانور قادر به انجام حرکت شنا [حرکت ورزشی که برای تقویت عضلات دست انجام می‌دهیم] بوده است!

هنگامی‌که ما حرکت شنا انجام می‌دهیم، دست‌های‌مان روی زمین به‌صورت تراز واقع می‌شود، آرنج‌ها خم هستند و ما از نیروی ماهیچه‌های قفسه‌ی سینه برای حرکت به بالا و پایین استفاده می‌کنیم. بدن تیکتالیک توانایی انجام همه‌ی این حرکات را داشته است. آرنج جانور درست مانند آرنج ما قادر به خم‌شدن بوده و مچ طوری خم می‌شد که بتواند «کف دست» را برای ماهی درست کند و صاف روی زمین قرار بگیرد. تیکتالیک احتمالاً پر از ماهیچه‌های قفسه‌ی سینه بوده. وقتی ما به شانه و سطح زیرین استخوان بازو، در نقطه‌ای که آن‌ها به‌هم متصل شده‌اند نگاه می‌کنیم، سرشانه‌های حجیم، عضلانی و علائمی را می‌بینیم که به ماهیچه‌های بزرگ سینه‌ای صدری متصل شده‌اند. تیکتالیک می‌توانست «روی زمین بخوابد و بیست تا شنا برود!».

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

علت سازگاری‌های تیکتالیک

اصلاً چرا یک ماهی باید این حرکت خاص شنا را انجام بدهد؟ پاسخ این معما می‌تواند ما را در شناخت هرچه بهتر بقیه‌ی بدن جانور رهنمون سازد. با سری صاف، چشمانی در بالا و استخوان‌های دنده. تیکتالیک احتمالاً برای این به‌وجود آمده بود که بتواند بستر رودخانه‌ها و تالاب‌های کم‌عمق را زیرورو کند و حتی از لجن‌های حاشیه‌ی ساحل بالا بپرد! باله‌هایی با توانایی حمل بدن احتمالاً برای ماهی‌ای که نیاز داشت در همه‌ی این مکان‌ها مانور بدهد، بسیار سودمند بوده‌اند.

نکته‌ی مهم این است که این تعبیر با اطلاعات زمین‌شناسی مکانی که فسیل تیکتالیک در آن یافت شد، مطابقت داشت. ساختار لایه‌های سنگی و الگوی ریزدانه‌ها در سنگ‌ها، حاوی نشانه‌های قابل ملاحظه‌ای از ساختارهایی بودند که به‌وسیله‌ی جریانات کم‌عمق محصور با مقدار زیادی رسوبات و طغیان‌های فصلی به‌وجود آمده بودند.

اما اصلاً به‌نظر شما، چرا و چگونه تیکتالیک باید در چنین محیط‌هایی زندگی کرده باشد؟ چه چیزی باعث خروج ماهی از آب یا سبب زندگی آن در کناره‌ی آب شد؟!

یک مدل با مقیاس کامل از بدن تیکتالیک (بالا) و ترسیمی از باله‌ی ماهی (پایین). این همان باله‌ای‌ست که در آن شانه، آرنج و مچ اولیه شکل گرفته و ماهی را قادر به جست‌وخیز در خشکی کرده بود.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

گریز از آب، راهکار انتخابی نیاکان ما!

درواقع، تمام ماهی‌های شناگر در این رودخانه‌های ۳۷۵ میلیون‌ساله گونه‌های شکارچی بوده‌اند. بعضی از آن‌ها درازای حدود ۴٫۵ متر داشتند، یعنی تقریباً دو برابر اندازه‌ی بزرگ‌ترین تیکتالیک. معمول‌ترین گونه‌های ماهی‌هایی که ما در کنار تیکتالیک پیدا کردیم، بیش از دو متر درازا داشتند و دارای سری به پهنای یک توپ بسکتبال با دندان‌های تیزی به بزرگی میخ‌های راه‌آهن بودند! حالا شما تمایل دارید در چنین رودخانه‌های باستانی جالبی شنا کنید؟! این اغراق نیست اگر بگوییم چنین رودخانه‌هایی دنیای ماهی‌های ماهی‌خوار است. راهبرد برای کامیابی در چنین محیطی کاملاً واضح بود: بزرگ شو، زره بپوش یا از آب دور شو! به‌نظر می‌رسد نیاکان ما راه سوم را انتخاب کرده و از نبرد و پیکار دوری جسته بودند!

اما این احتراز از کشاکش برای ما دستاوردهای بزرگی داشت. در حقیقت، ما می‌توانیم شکل ابتدایی‌تر بسیاری از ساختارهای اندام‌های حرکتی خود را در این‌گونه از ماهی‌ها ردیابی کنیم. مچ خود را به جلو و عقب خم کنید، دست خود را باز و بسته کنید. هنگامی‌که این کار را انجام می‌دهید شما از مفاصلی استفاده کرده‌اید که نخستین‌بار در ماهی‌هایی مانند تیکتالیک نمایان شده بودند. پیش از آن، این مفاصل وجود نداشتند. پس از آن هم، ما این مفاصل را در اندام‌هایی چون دست‌وپا یافتیم.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

تیکتالیک حلقه‌ی مفقوده‌ی اصلی گذر از آب به خشکی

در گذر جانوران از تیکتالیک به دوزیستان و در ادامه به گونه‌های پستاندار، یک موضوع کاملاً روشن است: این‌که تیکتالیک نخستین جانوری بود که دارای استخوان‌هایی مانند استخوان‌های بالا و پایین بازوی ما، حتی فراتر از آن استخوان‌هایی مثل مچ و کف دست ما بوده و علاوه‌بر این استخوان‌ها، دارای پولک و بافت باله‌ای هم بوده است.

چه چیزی باعث ساخته‌شدن ما بر اساس الگوی یک استخوان، دو استخوان، توده‌های استخوانی متعدد و الگوی انگشتان اوئن شد و اوئن را واداشت که این طرح را به خالق نسبت بدهد؟ بعضی از ماهی‌ها، برای مثال ماهی شش‌دار، دارای یک استخوان در پایه‌اند. بعضی دیگر از ماهی‌ها مانند یوستنوپترون، ترتیب یک استخوان، دو استخوانی دارند. پس از آن‌ها جانورانی مانند تیکتالیک قرار دارند، با یک استخوان، دو استخوان و توده‌های استخوانی متعدد. درون اندام‌های حرکتی ما تنها یک ماهی وجود ندارد، بلکه یک آکواریوم کامل در آن هست. به‌این‌ترتیب، طرح اوئن در ماهی‌ها هم پیدا شده بود.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

راه طولانی از تیکتالیک تا انسان!

شاید تیکتالیک قادر به انجام حرکت ویژه‌ی شنا بوده اما بی‌تردید توانایی پرتاب توپ بیسبال، نواختن پیانو یا راه‌رفتن روی دو پا را نداشته است. مسیری طولانی از تیکتالیک تا انسان طی شده است. نکته‌ی بسیار مهم و شگفت‌آوری که وجود دارد این است که بیش‌تر استخوان‌های اصلی ما انسان‌ها که برای انجام اعمالی نظیر راه‌رفتن، پرتاب‌کردن و قاپ‌زدن تعبیه شده‌اند، نخست در حیوانات ده‌ها تا صدها میلیون سال پیش پدیدار شده‌اند. نخستین تکه‌های استخوان بالای بازو یا پای ما در ماهی ۳۸۰ میلیون‌ساله‌ای مانند یوستنوپترون وجود داشته است. تیکتالیک به ما اولین مرحله‌ی تکامل مچ، کف دست و انگشتان‌مان را نشان داد. نخستین انگشتان دست‌وپای واقعی، در دوزیستان ۳۶۵ میلیون‌ساله‌ای مانند آکانتوستگا دیده شده است. هم‌چنین پا در خزندگانی که بیش از ۲۵۰ میلیون سال از عمر آن‌ها گذشته است دیده شد و تکامل یافت. سرانجام مچ و استخوان‌های قوزک در دست‌وپای انسان به تمام و کمال رسید. استخوان‌بندی پایه‌ی دست‌وپاهای ما، بیش از صدها میلیون سال پیش، ابتدا در ماهی‌ها و سپس دوزیستان و خزندگان پدیدار شده بودند.

اما تغییرات عمده‌ای که به ما توانایی استفاده از دست‌های‌مان و ایستادن روی پاهای‌مان را داده است چه چیزهایی بوده‌اند؟ اصلاً این ابتکار چطور به‌وقوع پیوست؟!

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

استفاده‌ی بهینه از دست با ایجاد شرایط لازم برای حرکت‌های جهت‌دار

ما انسان‌ها، همانند بسیاری دیگر از پستانداران می‌توانیم انگشت شست‌مان را نسبت به آرنج بچرخانیم. این عمل ساده، در کارکرد روزانه‌ی دست‌های‌مان بسیار مهم است. تصور کنید بدون این‌که قادر به چرخاندن دست خود نسبت به آرنج باشید، بخواهید غذا بخورید، بنویسید یا این‌که توپی را پرتاپ کنید! ما تنها به این علت قادر به انجام تمام این فعالیت‌ها هستیم که یک استخوان ساعدی، زندزبرین، در امتداد یک نقطه‌ی محوری در مفصل آرنج می‌چرخد. ساختار مفصل آرنج به‌طور حیرت‌آوری برای این نوع فعالیت‌ها طراحی شده است. در انتهای استخوان بالایی بازوی‌مان، استخوان بازو، به یک مفصل گوی‌مانند ختم می‌شود. نوک زندزبرین که به آن‌جا متصل است، تشکیل یک کاسه‌ی زیبا می‌دهد که کاملاً با گوی تطبیق پیدا می‌کند. این مفصل گوی-کاسه‌ای، باعث حرکت گردشی دست‌های‌مان می‌شود که به آن چرخش داخلی (Pronation) و چرخش خارجی (Supination) می‌گویند. در کجا ما شاهد آغاز این قابلیت بودیم؟ در جانوری همچون تیکتالیک. در این جانور، انتهای استخوان بازو، یک برآمدگی طویل‌شده تشکیل می‌دهد که با یک مفصل فنجانی‌شکل با زندزبرین جفت می‌شوند.

هنگامی‌که تیکتالیک آرنج خود را خم می‌کرد، انتهای زندزبرینش می‌چرخید یا به کمک آرنج خم می‌شد. حالت ارتقایافته‌ی این توانایی در دوزیستان و خزندگان قابل مشاهده است. جایی که انتهای استخوان بازو درست مشابه دست‌های ما به یک گوی واقعی تبدیل می‌شود.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

حرکت دست‌ها و پاها در خلاف جهت هم؛ زمینه‌سازی راه‌رفتن

با نگاهی به اندام‌های عقبی، یک ویژگی کلیدی می‌بینیم که به ما توانایی راه‌رفتن داده است؛ چیزی که ما در آن با بقیه‌ی پستانداران سهیم هستیم. برخلاف ماهی‌ها و دوزیستان، زانوها و آرنج‌های ما در دو جهت مخالف خم می‌شوند. این قابلیتی مهم است: فرض کنید می‌خواهید با کاسه‌ی زانوی‌تان که به پشت خم می‌شود راه بروید (یعنی برعکس حالت طبیعی زانو). موقعیت بسیار متفاوتی (از آن‌چه که ما امروز هستیم) در ماهی‌ای مانند یوستنوپترون وجود داشته؛ ناحیه‌ای معادل زانو و آرنج در آن‌ها در این جهت (در یک جهت و خلاف جهت زانوی ما) حرکت می‌کردند.

ما تکوین‌مان را با دست‌وپاهای کوچک جهت‌داری که بسیار شبیه اندام‌های یوستنوپترون بود، آغاز کردیم. با آرنج‌ها و زانوهایی که در یک جهت بودند! همان‌طور که در رحم رشد کردیم، زانوها و آرنج‌های‌مان چرخیدند تا حالتی که امروز می‌بینیم را به خود بگیرند.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

راه‌رفتن روی دو پا و نشانه‌ها در تیکتالیک

الگوی راه‌رفتن انسان روی دو پا، حرکت مفاصل ران، زانوها، قوزک‌ها و استخوان‌های پا برای به جلوراندن بدن، مشابه الگوی ایستادن عمودی و برخلاف حالت درازکشیده در تیکتالیک است! یک تفاوت بزرگ در موقعیت لگن وجود دارد. پاهای ما مثل آن‌چه در تمساح‌ها، دوزیستان یا ماهی‌ها دیده می‌شود، برای حرکت از پهلو طراحی نشده است، بلکه برای این‌که در پایین بدن‌مان باشند، طرح‌ریزی شده‌اند.

این دگرگونی در طرز ایستادن، به‌علت تغییرات مفصل ران، حفره‌ی لگن خاصره و قسمت‌های بالایی پا به‌وجود آمده است؛ لگن خاصره‌ی ما، همانند کاسه است؛ گودی کفل عمیق شده و استخوان ران به زانو رسیده، این ویژگی باعث شده که پاها در پایین بدن انسان واقع شوند، نه در کنار بدن.

آیا حقایق تاریخچه‌ی باستانی ما گویای این واقعیت است که انسان موجودی خاص و منحصربه‌فرد در میان سایر موجودات زنده به‌شمار می‌آید؟ البته که نه. درواقع، دانستن اطلاعاتی راجع‌به منشأ ژرف پیدایش بشریت به واقعیت قابل‌توجه موجودیت ما اضافه می‌کند: که تمام قابلیت‌های خارق‌العاده‌ی ما از اجزای پایه‌ای منشأ گرفته‌اند که در دیرینه‌ماهی و سایر جانوران تکامل یافته است. از بخش‌های مشترک، ساختمانی بی‌نظیر به‌وجود آمده است. نه‌تنها ما از بقیه‌ی جهان زنده جدا نیستیم، بلکه از استخوان‌های‌مان گرفته تا ژن‌های‌مان، بخشی از این کل هستیم.

حال با نگاهی به مطالب گذشته باید بگویم، لحظه‌ای که من اول‌بار مچ ماهی را مشاهده کردم به‌همان میزان سرشار از هیجان شدم که برای اولین‌بار شاهد انگشتان جسدی در آزمایشگاه آناتومی انسان بودم. در هر دو مورد، من رابطه‌ی عمیق میان انسان‌بودن خود و وجود سایر موجودات زنده را درک کردم.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

رندی دان؛ پیشرو در مطالعات ژنتیک تکاملی

در جولای ۲۰۰۴، هنگامی‌که من و همکارانم در شمالگان برای یافتن اولین تیکتالیک مشغول کاوش بودیم، رندی دان (Randi Dan)، یکی از پژوهشگران آزمایشگاه من، در بخش جنوبی شیکاگو سخت مشغول آزمایش‌های ژنتیکی روی جنین کوسه‌ها و سفره‌ماهی‌ها (Skates) -از عموزاده‌های ماهی‌های پهن برقی (Stingrays)- بود. شاید شما پوشش مشکی کوچک کیسه‌مانندی -موسوم به کیسه‌ی پری‌دریایی (Mermaid's purses)- را که محافظ تخم‌ها هستند در سواحل دیده باشید.

درون این کیسه‌ها زرده‌ای همراه با نطفه وجود دارد که به جنین سفره‌ماهی یا کوسه تبدیل می‌شود. در طول این سال‌ها، رندی صدها ساعت از وقت خود را برای آزمایش و پژوهش روی محتویات جنین درون این تخم‌ها صرف کرد؛ او اغلب تا نیمه‌های شب به مطالعه و آزمایش ادامه می‌داد. در طول تابستان مهم ۲۰۰۴، رندی طی یک آزمایش، مشتقی از ویتامین A را با ساختمان مولکولی ویژه، به تخم‌ها تزریق کرد. سپس اجازه داد آن‌ها به‌مدت چند ماه تکوین یابند و از تخم خارج شوند.

به‌نظر می‌آمد رندی شیوه‌ی عجیبی برای گذراندن بهترین قسمت سال انتخاب کرده بود: انجام آزمایش‌هایش! اجازه دهید این دانشمند جوان را با حرفه‌ی علمی امیدبخشش تنها بگذاریم. حالا سؤال این است که چرا کوسه‌ها؟ و چرا نوع خاصی از ویتامین A؟

کیسه‌ی پری‌دریایی (Mermaid's purses)

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

دست‌کاری جنین سفره‌ماهی برای درک تأثیر DNA

برای درک بهتر این آزمایش‌ها لازم است بازگردیم و ببینیم که قرار بود این آزمایش‌ها چه چیزی را برای ما روشن سازند. آن‌چه ما واقعاً به‌دست می‌آوریم، شناخت دستورالعمل مکتوب در DNA است که بدن ما را از یک تخم منفرد به‌وجود آورده. هنگامی‌که اسپرم درون تخمک تلقیح می‌یابد و تخم را می‌سازد، تخم لقاح‌یافته درون خود یک دست کوچک ندارد! بلکه، دست از اطلاعات درون همین سلول تک و تنها ساخته می‌شود.

این موضوع برای ما نکته‌ای بسیار ژرف در خود دارد: این آزمایش [دستکاری جنین سفره‌ماهی] روشی برای مقایسه‌ی استخوان‌های دست‌های ما با استخوان‌های باله‌ی ماهی است. اگر دستورالعمل ژنتیکی که دست‌های ما را می‌سازد را با دستورالعملی که باله‌های ماهی را می‌سازد مقایسه کنیم، به چه چیزی می‌رسیم؟ برای یافتن پاسخ این نوع سؤالات، درست مانند رندی، ما به تعقیب مجموعه‌ای از کشفیات خواهیم پرداخت که ما را از دست‌های‌مان به باله‌های کوسه‌ها و حتی به بال‌های پرندگان می‌رساند.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

محدودیت کار با فسیل‌ها؛ ضرورت مطالعه روی DNA

همان‌طور که ملاحظه کردید، وقتی جانورانی را کشف می‌کنیم که نسخه‌های متفاوت و اغلب ساده‌تری از بدن ما را در بدن خود دارند، دریچه‌ی شگفت‌انگیزی از گذشته‌های دور مقابل چشمان‌مان گشوده می‌شود.

بااین‌حال، محدودیت بزرگی در کار با فسیل وجود دارد. ما قادر به انجام آزمایش روی جانورانی که مدت زیادی از مرگ‌شان می‌گذرد نیستیم. این آزمایش‌ها برای ما اهمیت بسیاری دارند، زیرا برای به‌دست آوردن نتایج بهتر می‌توانیم برخی فاکتورها را دستکاری کنیم. به‌همین علت آزمایشگاه من مستقیماً به دو بخش تقسیم می‌شود یکی به پژوهش‌های فسیلی اختصاص یافته و دیگری پژوهشکده‌ای برای تحقیقات جنینی و DNA است. زندگی در آزمایشگاه من دیوانه‌کننده است: قفسه‌ی قفل‌شده‌ای که نمونه‌های تیکتالیک در آن هست، در کنار فریزری پر از نمونه‌های با ارزش DNA!

آزمایش روی DNA، پتانسیل بالایی برای آشکارسازی ماهی درونی دارد. اگر ما قادر به انجام آزمایشی بودیم که در آن می‌توانستیم جنین ماهی را در معرض مواد شیمیایی مختلفی قرار دهیم و باعث تغییر در بدن ماهی شویم، مثلاً باله‌هایش را به دست تبدیل می‌کردیم یا می‌توانستیم نشان دهیم که ژن‌های سازنده‌ی باله‌ی ماهی واقعاً همان‌هایی هستند که دست‌های ما را ساخته‌اند، چه روی می‌داد؟!

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

معمای بزرگ: یک DNA و هزاران نوع سلول

با یک معمای بزرگ شروع می‌کنیم: بدن ما از صدها گونه سلول متفاوت ساخته شده است. این تنوع سلولی به بافت‌ها و اندام‌های ما شکل و عملکرد متفاوتی می‌دهد. سلول‌هایی که استخوان‌ها، اعصاب، روده‌ها و سایر اعضای ما را ساخته‌اند، در ظاهر و رفتار کاملاً متفاوت‌اند اما با وجود این همه تفاوت، شباهت جالبی بین تمام سلول‌های بدن ما وجود دارد: همه‌ی آن‌ها دقیقاً دارای یک نوع DNA مشابه‌اند. به‌نظر شما چطور ممکن است از یک نوع DNA که شامل اطلاعات یکسانی برای ساخت بدن، بافت‌ها و اندام‌های ماست سلول‌های بسیار متفاوتی چون ماهیچه، عصب و استخوان (با DNA مشابه هم) به‌وجود آیند؟

پاسخ این سؤالات در دانستن این نکته نهفته است که کدام قطعه از DNA (ژن)، چه زمانی در هر سلول روشن می‌شود. سلول پوست با سلول‌های عصبی تفاوت دارد، چراکه در این سلول‌ها ژن‌های متفاوتی فعالیت دارند. زمانی‌که یک ژن روشن می‌شود، پروتئینی ساخته می‌شود که می‌تواند بر رفتار و عملکرد سلول اثرگذار باشد، بنابراین برای درک این‌که چه چیزی سلول چشم را از سلول‌های استخوان دست متفاوت می‌کند لازم است در مورد روشن و خاموش‌کننده‌های (سوئیچ‌های) ژنتیکی که فعالیت ژن‌ها را در هر سلول و بافت کنترل می‌کنند اطلاعاتی به‌دست بیاوریم.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

روشن و خاموش‌کننده‌های ژنتیکی

در این‌جا واقعیت مهمی وجود دارد: این سوئیچ‌های ژنتیکی به ساخت و سرهم‌کردن بدن ما‌ کمک می‌کنند. در دوران جنینی، ما از یک سلول منفرد که تمام DNA لازم برای ساخت بدن را در خود دارد به‌وجود آمده‌ایم. نقشه‌ی این بدن، به‌طور کامل از دستورالعمل‌های موجود در این سلول میکروسکوپی منفرد بیرون می‌آید. برای تبدیل سلول تخم عادی به انسان کامل، با تریلیون‌ها سلول سازمان‌یافته‌ی صحیح و سالم لازم است همه‌ی ژن‌ها دقیقاً در مراحل مناسبی از تکوین و رشد روشن و خاموش شوند. همانند یک قطعه‌ی موسیقی که از نت‌های جداگانه ساخته شده و با سازهای متعدد نواخته می‌شود، بدن ما نیز ملودی‌ای از ژن‌های جداگانه‌ای است که درون هر سلول طی تکوین روشن و خاموش می‌شوند.

این اطلاعات برای پژوهشگران مزیت بزرگی به‌حساب می‌آیند، زیرا حال می‌توانیم فعالیت ژن‌های متفاوت را برای ارزیابی این‌که باعث بروز چه تغییراتی در شکل‌گیری اندام‌های جدید می‌شوند مقایسه کنیم. مثلاً به‌دست‌آوردن دست‌وپا.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

تفاوت دست و باله از نگاه سوئیچ‌های ژنتیکی

وقتی ما اثر کلی ژن‌های فعال در تکوین باله‌ی ماهی را با ژن‌های فعالی که باعث رشد دست انسان می‌شوند مقایسه می‌کنیم، می‌توانیم تفاوت‌های ژنتیکی بین باله و دست را فهرست کنیم. این مقایسه، پاسخ‌های محتملی درباره‌ی منشأ این تفاوت به ما می‌دهد: ممکن است در زمان پیدایش دست‌وپا سوئیچ‌های ژنتیکی تغییر کرده باشند! به‌این‌ترتیب، ما می‌توانیم به مطالعه‌ی این‌که این ژن‌ها در جنین چه فعالیتی دارند و چگونه ممکن است تغییر کرده باشند، بپردازیم؛ حتی می‌توانیم با دستکاری ژن‌ها آزمایش‌هایی انجام بدهیم که چگونگی تغییر بدن‌مان را در پاسخ به شرایط و محرک‌های مختلف بررسی کنیم.

برای درک ژن‌های سازنده‌ی دست‌وپا لازم است قسمتی از برنامه‌ای تلویزیونی مثل «صحنه‌ی جرم» را به یاد بیاوریم: درست مانند فیلم‌های بررسی صحنه‌ی جنایت که از بدن شروع می‌کنند و به درون آن می‌روند و کالبدشکافی می‌کنند. ما هم با مشاهده‌ی ساختار اندام‌های حرکتی‌مان شروع خواهیم کرد و به مرور بر قسمت‌های درونی‌تر مثل بافت‌ها، سلول‌ها و نهایتاً ژن‌های سازنده‌ی آن‌ها تمرکز می‌کنیم.

ژن‌ها قطعاتی از DNA هستند که درون هر یک از سلول‌های بدن ما وجود دارند.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

ساخت دست‌ها
زمان ویژه‌ی فعالیت سوئیچ‌های ژنی دست انسان

دست‌ها و پاهای ما سه بعد دارند: رویه و کف، پهلو از سمت انگشت کوچک و انگشت شست، پایه [سمت شانه لگن] و نوک [سمت انتهای انگشتان]. استخوان‌های موجود در نوک انگشتان دست با استخوان‌های شانه متفاوت‌اند. به‌همین صورت، دست در دو سمتش فرق دارد. انگشتان کوچک ما شکلی متفاوت از شست‌های‌مان گرفته‌اند. هدف نهایی بررسی گسترده‌ی ما این است که دریابیم کدام ژن‌ها باعث تفاوت میان استخوان‌های گوناگون در دست‌وپای‌مان می‌شوند و این‌که چه چیزی تکوین را در این سه بعد کنترل می‌کند؟! به‌راستی کدام قسمت DNA، انگشت کوچک دست را از انگشت شست متفاوت می‌سازد؟ چه چیزی انگشتان ما را از استخوان‌های بازوی‌مان متمایز کرده است. چنان‌چه بتوانیم ژن‌هایی که چنین الگویی را کنترل می‌کنند بیابیم، درواقع، به اسرار دستورالعمل ساخت بدن‌مان پی برده‌ایم.

همه‌ی سوئیچ‌های ژنتیکی که انگشتان دست، استخوان‌های بازو و انگشتان پا را درست می‌کنند، کار خود را در طول سه تا هشت هفته پس از لقاح و شکل‌گیری تخم انجام می‌دهند. دست‌وپا همچون جوانه‌های ظریفی از بدن جنین می‌رویند و تکوین خود را آغاز می‌کنند.

این جوانه‌ها بیش از دو هفته به رشد و نمو خود ادامه می‌دهند، تا جایی‌که نوک انگشتان کمی شکیل‌تر شوند و شباهت بیش‌تری به دست واقعی پیدا می‌کنند. در هر دست، میلیون‌ها سلول وجود دارد که درنهایت، تبدیل به استخوان، اعصاب و ماهیچه‌ها می‌شوند و ما تا پایان زندگی‌مان آن‌ها را همراه خواهیم داشت!

برای بررسی چگونگی ظهور این الگو لازم است به جنین بنگریم و گاهی در تکوین آن دخالت کنیم تا ببینیم هنگامی‌که بعضی چیزها اشتباه می‌شوند چه روی می‌دهد؛ به‌علاوه، لازم است با ایجاد جمعیت‌های جهش‌یافته تحت شرایط کنترل‌شده به بررسی ساختارهای درونی انواع جهش‌یافته و ژن‌های آن‌ها بپردازیم.

البته ما در مورد انسان نمی‌توانیم به این شکل مطالعه کنیم. چالش پیش روی پیشگامان این رشته، یافتن جانورانی بود که می‌توانستند دریچه‌ی مفیدی در رابطه با تکوین انسان‌ها بگشایند. در طول دهه‌ی ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۰ جنین‌شناسان تجربی که علاقه‌مند به پژوهش درباره‌ی اندام‌های حرکتی انسان بودند، با پیچیدگی‌های بسیاری مواجه بودند.

مراحل تکوین یک عضو حرکتی؛ در این شکل بال پرنده به‌نمایش درآمده است. تمام مراحل کلیدی تکوین اسکلت بال، درون تخم پرنده اتفاق می‌افتد.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

یافتن جنین مناسب برای بررسی تکوین انسان

پژوهشگران به موجودی نیاز داشتند که دارای اندام‌های حرکتی مشابهی باشد. علاوه‌بر این، جنین چنین موجودی باید به‌طور نسبی بزرگ می‌بود تا بتوانند روی آن عمل جراحی انجام دهند. مهم‌تر از همه این‌که آن جنین باید در محیطی محافظت‌شده رشد کند؛ در پناهگاهی که آن را از ضربات و آسیب‌های محیطی حفظ کند؛ و آخر این‌که این جنین حتماً باید در طول سال فراوان در دسترس باشد. راه‌حل آشکار برای این نیاز علمی، در مغازه‌ی خواروبار فروشی محله‌ی شما هم هست: تخم‌مرغ!

در بین سال‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ تعدادی از زیست‌شناسان، از جمله ادگار تسویلینگ (Edgar Zwilling) و جان ساندرز (John Sanders) آزمایش‌های فوق‌العاده خلاقانه‌ای روی تخم‌مرغ‌ها انجام دادند تا دریابند الگوی ساختار اسکلتی چگونه شکل می‌گیرد. این آزمایش‌ها آغاز دوره‌ای از آزمون و خطا بود. این دو پژوهشگر جنین‌ها را شکافته و بافت‌های مختلفی را جابه‌جا کردند تا دریابند این موضوع چه تأثیری روی تکوین جانور دارد. این رویه شامل اعمال جراحی بسیار ظریف -میکروسکوپی- و دست‌کاری تکه‌های بافت با ضخامتی کم‌تر از یک میلی‌متر بود. به‌این‌ترتیب، ساندرز و تسویلینگ با جابه‌جاکردن بافت‌های در حال تکوین، برخی از مکانیسم‌های کلیدی را که اندام‌های حرکتی بسیار متفاوتی از قبیل بال پرنده، باله‌ی نهنگ و دست انسان را می‌سازد کشف کردند.

آن‌ها دریافتند که دو قسمت کوچک از بافت، به‌طور اساسی تکوین الگوی استخوانی بال‌ها را کاملاً کنترل می‌کند. بافت باریکی در قسمت انتهایی جوانه‌ی دست‌وپا وجود دارد که برای تکوین همه‌ی اندام‌های حرکتی ضروری است. با خارج‌کردن این بافت، رشد یک‌باره متوقف می‌شود. اگر آن را در اوایل دوره‌ی رشد برداریم، فقط شاهد رشد استخوان بازو یا حتی بخشی از آن خواهیم بود؛ اما اگر آن را اندکی دیرتر خارج کنیم نهایتاً شاهد بازو و ساعد هم هستیم. اگر این قطعه را از این هم دیرتر خارج کنیم، بازو تقریباً کامل شده و فقط انگشتان کوتاه و ناقص می‌شوند.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

انگشتان آیینه‌ای و اثر بافت ویژه

آزمایش دیگری، توسط ماری گسلینگ (Mary Gasseling) در آزمایشگاه جان ساندرز انجام شد که منجر به یک دریافت تحقیقاتی قدرتمند و تازه گردید. آن‌ها مقدار ناچیزی از تکه‌ی بافتی را که منجر به پیدایش جهت انگشت کوچک در یک جوانه‌ی اندام حرکتی می‌شود را برداشتند و آن را در اوایل تکوین دست، به‌سمت مخالف، دقیقاً زیر جایی که انگشت اول از آن‌جا ظاهر می‌شود پیوند زدند و اجازه دادند پرنده رشد کند تا بال‌هایش شکل بگیرند. نتیجه تقریباً همه را شگفت‌زده کرد! بال به‌شکلی معمولی تکوین یافت اما دو سری کامل از انگشت هم داشت! الگوی انگشتان حتی از این هم جالب‌توجه‌تر بودند: آرایش انگشتان جدید همانند تصویر آیینه‌ایِ انگشتان عادی بود!

بدیهی‌ست که چیزی درون آن تکه از بافت، یعنی تعدادی مولکول یا ژن، قادر به هدایت تکوین الگوی انگشتان بودند. حاصل این پژوهش‌ها، به‌وجودآمدن طوفانی از تحقیقات جدید بود و ما آموختیم که این اثر می‌تواند توسط انواع دیگری از بافت‌ها نیز تکرار شود. به‌عنوان مثال به‌قسمت جوانه‌زده‌ی دست‌وپای جنین پرنده، مقدار ناچیزی ویتامین A تزریق کنید یا ساده‌تر عمل کنید و تنها ویتامین A را به داخل تخم تزریق و صبر کنید تا جنین رشد کند. اگر شما ویتامین A را با غلظت مناسب و در زمان مناسب به جنین برسانید، همان مضاعف‌شدن آیینه‌ای که، گسلینگ، ساندرز و تسویلینگ از آزمایش‌های پیوند بافت خود کشف کرده بودند را به‌دست خواهید آورد.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

منطقه‌ی فعالیت قطبی‌کننده یا ZPA

این تکه‌های بافت را منطقه‌ی فعالیت قطبی‌کننده (The Zone of Polarizing Activity) می‌نامند. ZPA تکه‌ای از بافت است که سبب تفاوت میان سمت انگشت کوچک با سمت انگشت شست می‌شود. بدیهی ست که پرنده‌ها انگشت کوچک و انگشت شست ندارند. اصطلاحی که از آن برای عددگذاری انگشتان استفاده می‌کنیم، می‌گوید انگشت کوچک ما متناظر با انگشت پنجم جانوران دیگر و انگشت شست ما متناظر با انگشت اول آن‌هاست. ZPA از آن‌جاکه به طرق مختلف در کنترل تشکیل انگشتان دست‌وپا نقش دارد، منطقه‌ی بسیار جالب‌توجهی است.

اما چگونه این کار را انجام می‌دهد؟ بعضی از پژوهشگران معتقدند سلول‌های درون ZPA مولکولی می‌سازند که در میان اندام‌های حرکتی پخش می‌شود و سلول‌ها را وادار به تبدیل‌شدن به انگشتان متفاوت می‌کنند.

جابه‌جاکردن مقدار ناچیزی از بافتی که به آن ZPA می‌گویند، سبب مضاعف‌شدن انگشتان شد.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha

مکانیسم عمل ZPA؛ درک اولیه

پیشنهاد کلیدی این بود: غلظت این مولکول بی‌نام عامل اصلی این مشاهدات است؛ به‌این‌صورت که در قسمت نزدیک به ZPA، جایی که غلظت بالایی از این مولکول وجود دارد، سلول‌ها با ساختن یک انگشت کوچک به این محرک پاسخ می‌دهند. در سمت مقابل این دستِ در حال رشد، دورتر از ZPA، جایی که مولکول‌ها پراکندگی بیش‌تر و غلظت کم‌تری دارند، سلول‌ها با ساخت انگشت شست پاسخ می‌دهند. سلول‌های قرارگرفته در بین این دو، هریک بر اساس غلظت این مولکول، سازنده‌ی انگشتان دوم، سوم و چهارم هستند.

این ایده را می‌شد آزمایش کرد و همین‌طور هم شد؛ سال ۱۹۷۹، دنیس سامربل (Denis Summerbell) تکه‌ی فوق‌العاده کوچکی از فویل را بین ناحیه‌ی ZPA و بقیه‌ی دست قرار داد. او می‌خواست با این کار مانع از پخش و انتشار هر نوع مولکولی از سمت ZPA به‌قسمت‌های دیگر شود. بدین‌ترتیب، سامر بل آن‌چه را که برای سلول‌های دو سمت مانع اتفاق افتاد را مطالعه کرد؛ سلول‌هایی که در سمت ZPA بودند، انگشتان را تشکیل دادند؛ اما سلول‌های قسمت مقابل اغلب انگشتی درست نکردند و اگر انگشتی ساخته شد، بدشکل و ناقص بود. نتیجه واضح بود: چیزی از ZPA تولید می‌شد که به‌وجودآمدن و ریخت انگشتان را کنترل می‌کرد. در قدم بعدی، برای شناخت آن چیز لازم بود که پژوهشگران به بررسی DNA بپردازند.

📓 ماهی درونی شما: سفری به تاریخ ۳/۵ میلیاردساله‌ی بدن انسان
✍🏿 نیل شوبین
🔛 نیلوفر فشنگ‌ساز

@Chekide_ha