كيف طورت الأسماك درعها العظمي المتقشر

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

كان تطور الدروع الجلدية ، مثل الأشواك الحادة الموجودة على سمك السلور المدرع أو المقاييس العظمية على شكل الماس ، والتي تسمى المقاييس ، والتي تغطي سمك الحفش ، استراتيجية ناجحة. استخدمت الآلاف من أنواع الأسماك أنماطًا مختلفة من الدروع الجلدية ، المكونة من العظام و / أو مادة تسمى العاج ، وهو مكون مهم لأسنان الإنسان الحديثة. ساعدت الطلاءات الواقية مثل هذه الفقاريات على البقاء على قيد الحياة والتطور إلى حيوانات جديدة وإنسان في النهاية.

لكن من أين يأتي هذا الدرع؟ كيف تطور أسلافنا القدامى تحت الماء لتطوير هذا الوشاح الواقي؟

الآن ، باستخدام سمك الحفش ، كشفت دراسة جديدة أن مجموعة معينة من الخلايا الجذعية ، تسمى خلايا قمة الجذع العصبية ، مسؤولة عن تطور المقاييس العظمية في الأسماك. قاد العمل جان ستاندل ، وهو الآن باحث ماري سكلودوفسكا كوري في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر ماريان برونر ، أستاذ الأحياء في إدوارد بي لويس ومدير معهد بيكمان في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. مقال يصف البحث يظهر في المجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 17 يوليو.

يهتم مختبر برونر منذ فترة طويلة بدراسة خلايا القمة العصبية. تتواجد هذه الخلايا في جميع الفقاريات ، بما في ذلك الأسماك والدجاج وأنفسنا ، اعتمادًا على ما إذا كانت تأتي من مناطق الرأس (الجمجمة) أو النخاع الشوكي (الجذع). تهاجر الخلايا الموجودة في القمة العصبية القحفية والجذع من نقاط البداية في جميع أنحاء جسم الحيوان النامي ، مما يؤدي إلى ظهور الخلايا التي تشكل الفكين والقلب والبنى المهمة الأخرى.

بعد دراسة أجريت عام 2017 من جامعة كامبريدج أظهرت أن خلايا قمة الجذع العصبية تؤدي إلى ظهور درع جلدي قائم على العاج في نوع من الأسماك يسمى الشعاع الصغير ، وتكهن ستاندل وزملاؤه. يرتفع إلى العظام. – الدروع القائمة في الفقاريات بشكل عام.

لدراسة هذا ، تحول Stundl والفريق إلى سمك الحفش ، وتحديداً سمك الحفش ستيرليت (Acipenser ruthenus). لا يزال سمك الحفش الحديث ، المعروف بإنتاجه لأغلى كافيار في العالم ، يتمتع بالعديد من الخصائص نفسها التي يتمتع بها أسلافهم منذ ملايين السنين. هذا يجعلهم مرشحين رئيسيين للدراسات التطورية.

باستخدام أجنة سمك الحفش المستزرعة في معهد أبحاث تربية الأسماك وعلم الأحياء المائية في جمهورية التشيك ، استخدم Stundl وفريقه صبغة فلورية لتتبع هجرة خلايا القمة العصبية من جذع السمكة في جميع أنحاء جسمها النامي. يبدأ سمك الحفش في تطوير قشوره العظمية بعد بضعة أسابيع. لذلك أبقى الباحثون الأسماك النامية في معمل مظلم حتى لا يزعجوا صبغة الفلورسنت بالضوء.

وجد الفريق خلايا القمة العصبية الجذعية ذات العلامات الفلورية في الأماكن الدقيقة التي تشكلت فيها القشور العظمية لسمك الحفش. ثم استخدموا تقنية مختلفة لتسليط الضوء على بانيات الأسماك ، وهي نوع من الخلايا التي تشكل العظام. تم العثور على التواقيع الجينية المرتبطة بتمايز بانيات العظم في الخلايا الفلورية لتطوير قشور الأسماك ، مما يوفر دليلًا قويًا على أن خلايا القمة العصبية الجذعية تؤدي في الواقع إلى تكوين الخلايا المكونة للعظام.

بالاقتران مع نتائج عام 2017 حول دور خلايا القمة العصبية في تكوين درع قائم على العاج ، يُظهر العمل أن خلايا قمة الجذع العصبية مسؤولة بالفعل عن تكوين العظام الجلدية المدرعة التي مكنت من النجاح التطوري لأسماك الفقاريات.

يقول ستوندل: “العمل مع الكائنات الحية غير النموذجية أمر صعب ؛ فالأدوات الموجودة في الكائنات المختبرية القياسية مثل الفئران أو أسماك الزرد لا تعمل أو تحتاج إلى التكيف بشكل جذري”. “على الرغم من هذه التحديات ، فإن المعلومات من الكائنات الحية غير النموذجية مثل سمك الحفش تسمح لنا بالإجابة بدقة على الأسئلة الأساسية لبيولوجيا التطور التطوري.”

يقول برونر: “من خلال دراسة العديد من الحيوانات على شجرة الحياة ، يمكننا استنتاج الأحداث التطورية التي حدثت”. “هذا قوي بشكل خاص 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 تعديلات صغيرة في التطور الجنيني.”

المقال بعنوان “تطور درع الجلد للفقاريات القديمة من قمة الجذع العصبية”.