في ليالي الصيف الدافئة ، ترفرف الأجنحة الخضراء حول الفوانيس الساطعة في الأفنية الخلفية وفي المعسكرات. الحشرات ، بأجنحتها الشبيهة بالحجاب ، يسهل تشتيت انتباهها عن انشغالها الطبيعي بالاحتساء على رحيق الأزهار ، وتجنب الخفافيش المفترسة والتكاثر. تتدلى براثن البيض الصغيرة من سيقان طويلة على الجانب السفلي من الأوراق وتتأرجح مثل الأضواء الخيالية في مهب الريح.

تعتبر مجموعات البيض المتدلية جميلة ولكنها عملية أيضًا: فهي تمنع يرقات الفقس على الفور من أكل أشقائها غير المقشور. مع الفكين الشبيهين بالمنجل التي تخترق فرائسها وتمتصها جافة ، فإن اليرقات المصنوعة من الدانتيل تكون "شريرة" ، جيمس ترومان، وهو أستاذ فخري في التطور والخلية والبيولوجيا الجزيئية في جامعة واشنطن. "إنها مثل" الجميلة والوحش "في حيوان واحد."

أصبح تقسيم Jekyll-and-Hyde ممكنًا عن طريق التحول ، وهي الظاهرة المعروفة بتحويل اليرقات إلى فراشات. في نسخته الأكثر تطرفًا ، التحول الكامل ، تبدو أشكال الأحداث والبالغين وكأنها أنواع مختلفة تمامًا. التحول ليس استثناء في مملكة الحيوان. إنها تقريبًا قاعدة. أكثر من 80٪ من الأنواع الحيوانية المعروفة اليوم ، وخاصة الحشرات والبرمائيات واللافقاريات البحرية ، تخضع لشكل من أشكال التحول أو لها دورات حياة معقدة ومتعددة المراحل.

تقدم عملية التحول العديد من الألغاز ، ولكن بعض أكثرها إثارة للحيرة تركز على الجهاز العصبي. يقع الدماغ في قلب هذه الظاهرة ، والذي يجب أن يرمز ليس لهوية واحدة بل لهويات مختلفة متعددة. بعد كل شيء ، تختلف حياة الحشرة الطائرة التي تبحث عن رفيق اختلافًا كبيرًا عن حياة كاتربيلر جائع. على مدار نصف القرن الماضي ، قام الباحثون بالتحقيق في مسألة كيفية تحول شبكة من الخلايا العصبية التي تشفر هوية واحدة - هوية كاتربيلر جائع أو يرقة قاتلة - لتشفير هوية البالغين التي تشمل مجموعة مختلفة تمامًا من السلوكيات والاحتياجات .

لقد تعلم ترومان وفريقه الآن مقدار التغيير الذي يحدثه التحول في أجزاء من الدماغ. في دراسة حديثة نشرت في دورية موبايلي elifeقاموا بتتبع عشرات الخلايا العصبية في أدمغة ذباب الفاكهة التي تمر بعملية التحول. ووجدوا أنه على عكس البطل المعذب في قصة فرانز كافكا القصيرة "المسخ" ، الذي يستيقظ يومًا ما كحشرة وحشية ، من المحتمل ألا تتذكر الحشرات البالغة الكثير من حياتها اليرقية. على الرغم من أن العديد من الخلايا العصبية اليرقية في الدراسة صمدت ، فإن الجزء من دماغ الحشرة الذي فحصته مجموعة ترومان تم إعادة توصيله بشكل كبير. يعكس هذا الإصلاح الشامل للوصلات العصبية تحولًا جذريًا مماثلًا في سلوك الحشرات حيث تغيرت من اليرقات الزاحفة والجائعة إلى البالغين الطائرة الباحثين عن رفيق.

النتائج التي توصلوا إليها هي "المثال الأكثر تفصيلاً حتى الآن" لما يحدث لدماغ حشرة تمر بالتحول ، دنيز ايرزيلماز، عالم أبحاث ما بعد الدكتوراه في مركز الدوائر العصبية والسلوك بجامعة أكسفورد والذي كان يعمل في مختبر ترومان ولكنه لم يشارك في هذا العمل. وأضافت أن النتائج قد تنطبق على العديد من الأنواع الأخرى على الأرض.

إلى جانب تفصيل كيفية نضوج دماغ اليرقات إلى دماغ بالغ ، تقدم الدراسة الجديدة أدلة على كيفية جعل التطور تطور هذه الحشرات يأخذ مثل هذا المنعطف البري. قال "إنها قطعة ضخمة" بيرترام جربر، عالم الأعصاب السلوكي في معهد لايبنيز لبيولوجيا الأعصاب الذي لم يشارك في الدراسة ولكنه شارك في تأليف تعليق ذو صلة For موبايلي elife. "إنها حقًا ذروة 40 عامًا من البحث في هذا المجال."

قال "أسمي هذا" الورقة "بأحرف كبيرة دارين ويليامز، باحث في علم الأحياء العصبية التنموي في King's College London ولم يشارك في الدراسة ولكنه كان متعاونًا منذ فترة طويلة مع Truman's. "سيكون مهمًا بشكل أساسي ... لكثير من الأسئلة."

التفاف على الطريق إلى سن الرشد

ظهرت الحشرات الأولى منذ 480 مليون سنة من بيض يشبه إلى حد كبير نسخًا أصغر من ذواتهم البالغة ، أو استمروا في "تطورهم المباشر" ليقتربوا بثبات من شكلهم البالغ ، تمامًا كما يفعل الجراد والصراصير وبعض الحشرات الأخرى اليوم. يبدو أن التحول الكامل قد ظهر في الحشرات قبل حوالي 350 مليون سنة فقط ، قبل الديناصورات.

يعتقد معظم الباحثين الآن أن التحول قد تطور لتقليل المنافسة على الموارد بين البالغين وذريتهم: تحويل اليرقات إلى شكل مختلف تمامًا سمح لهم بتناول أطعمة مختلفة تمامًا عن البالغين. قال ترومان: "لقد كانت استراتيجية عظيمة". الحشرات التي بدأت في الخضوع لتحول كامل ، مثل الخنافس والذباب والفراشات والنحل والدبابير والنمل ، انفجرت في العدد.

عندما كان ترومان طفلاً ، أمضى ساعات في مشاهدة الحشرات وهي تمر بهذه العملية. وقال مع الأجنحة على وجه الخصوص ، "لقد تأثرت بضراوة اليرقة مقابل الطبيعة الحساسة للبالغين".

تحول شغف طفولته في النهاية إلى مهنة وأسرة. بعد أن تزوج مستشاره للدكتوراه ، لين ريدفورد، وهو أيضًا أستاذ فخري في جامعة واشنطن ، سافروا حول العالم ، وجمعوا الحشرات التي تحولت وغيرها من الحشرات التي لا تتحول ، لمقارنة مساراتهم التنموية.

بينما ركزت ريدفورد عملها على تأثير الهرمونات على التحول ، كان ترومان أكثر اهتمامًا بالدماغ. نشر في عام 1974 الورقة الأولى حول ما يحدث للدماغ أثناء التحول ، حيث قام بتتبع عدد الخلايا العصبية الحركية في يرقات الدودة القرنية والبالغات. منذ ذلك الحين ، قامت العديد من الدراسات بتفصيل خلايا عصبية وأجزاء مختلفة من أدمغة اليرقات والبالغين ، لكنها إما قصصية أو تركز على جوانب صغيرة جدًا من العملية. قال ترومان: "لم يكن لدينا الكثير من الصورة الكبيرة".

عرف ترومان أنه لكي يفهم حقًا ما يحدث للدماغ ، يجب أن يكون قادرًا على تتبع الخلايا والدوائر الفردية من خلال هذه العملية. قدم الجهاز العصبي لذبابة الفاكهة فرصة عملية للقيام بذلك: على الرغم من أن معظم خلايا جسم يرقات ذبابة الفاكهة تموت أثناء تحولها إلى شخص بالغ ، فإن العديد من الخلايا العصبية في دماغها لا تموت.

قال ترومان: "لم يكن الجهاز العصبي قادرًا أبدًا على تغيير الطريقة التي يصنع بها الخلايا العصبية". ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الجهاز العصبي في جميع الحشرات ينشأ من مجموعة من الخلايا الجذعية تسمى الخلايا العصبية التي تنضج لتصبح خلايا عصبية. هذه العملية أقدم من التحول نفسه ولا يمكن تعديلها بسهولة بعد مرحلة معينة من التطور. لذلك ، حتى مع القضاء على جميع الخلايا الأخرى تقريبًا في جسم يرقات ذبابة الفاكهة ، يتم إعادة تدوير معظم الخلايا العصبية الأصلية لتعمل من جديد في البالغين.

العقل المعاد تشكيله

يتخيل الكثير من الناس أنه أثناء التحول ، عندما تبدأ خلايا اليرقات في الموت أو إعادة ترتيب نفسها ، يتحول جسم الحشرة داخل شرنقتها أو غلافها الخارجي إلى شيء مثل الحساء ، مع انزلاق جميع الخلايا المتبقية معًا. أوضح ترومان أن هذا ليس صحيحًا تمامًا. قال: "كل شيء له مكانة ... لكنه دقيق حقًا ، وإذا فتحت الحيوان ، فإن كل شيء ينفجر".

لرسم خريطة لتغيرات الدماغ في تلك الكتلة الجيلاتينية ، قام ترومان وزملاؤه بفحص يرقات ذبابة الفاكهة المعدلة وراثيًا والتي تحتوي على خلايا عصبية معينة تضيء باللون الأخضر الفلوري تحت المجهر. وجدوا أن هذا التألق غالبًا ما يتلاشى أثناء التحول ، لذلك استخدموا تقنية وراثية لقد طوروا في عام 2015 لتشغيل الفلورة الحمراء في نفس الخلايا العصبية عن طريق إعطاء الحشرات دواء معين.

قال إنها "طريقة رائعة جدا" أندرياس ثوم، عالم أعصاب في جامعة لايبزيغ ومؤلف مشارك في التعليق مع جربر. يسمح لك بالنظر ليس فقط إلى خلية عصبية واحدة أو اثنتين أو ثلاث خلايا ولكن شبكة كاملة من الخلايا.

ركز الباحثون على جسم الفطر ، وهي منطقة من الدماغ مهمة للتعلم والذاكرة في يرقات ذبابة الفاكهة والبالغين. تتكون المنطقة من مجموعة من الخلايا العصبية ذات ذيول محورية طويلة تقع في خطوط متوازية مثل أوتار الجيتار. تتواصل هذه الخلايا العصبية مع بقية الدماغ من خلال الخلايا العصبية المدخلة والمخرجة التي تنسج داخل وخارج الأوتار ، مما يخلق شبكة من الاتصالات التي تسمح للحشرة بربط الروائح بالتجارب الجيدة أو السيئة. يتم ترتيب هذه الشبكات في أقسام حسابية مميزة ، مثل المسافات بين الحنق على الجيتار. لكل مقصورة مهمة ، مثل توجيه ذبابة نحو شيء ما أو بعيدًا عنه.

وجد ترومان وفريقه أنه عندما تخضع اليرقات لعملية تحول ، يتم دمج سبعة فقط من مقصوراتها العصبية العشرة في جسم الفطر البالغ. ضمن هؤلاء السبعة ، تموت بعض الخلايا العصبية ، ويعاد تشكيل بعضها لأداء وظائف البالغين الجديدة. تم حل جميع الروابط بين الخلايا العصبية في جسم الفطر وخلاياها العصبية المدخلة والمخرجة. قال جربر في هذه المرحلة من التحول ، "إنه نوع من هذا الموقف البوذي النهائي حيث لا يوجد لديك مدخلات ، وليس لديك مخرجات". "أنا فقط وأنا"

الخلايا العصبية المدخلة والمخرجة في مقصورات اليرقات الثلاثة التي لا يتم دمجها في جسم الفطر البالغ ، تزيل تمامًا هوياتها القديمة. تترك جسم الفطر وتندمج في دوائر دماغية جديدة في أماكن أخرى من دماغ البالغين. قال ترومان: "لن تعرف أنهم كانوا نفس الخلايا العصبية ، باستثناء أننا تمكنا من متابعتها جينيًا وتشريحًا".

يقترح الباحثون أن هذه الخلايا العصبية المنقولة ليست سوى ضيوف مؤقتين في جسم الفطر اليرقي ، حيث تقوم بوظائف اليرقات الضرورية لفترة من الوقت ، ثم تعود بعد ذلك إلى مهام أسلافها في دماغ البالغين. هذا يتماشى مع فكرة أن دماغ البالغين هو الشكل الأقدم والأسلاف ضمن النسب وأن دماغ اليرقات الأبسط هو شكل مشتق جاء بعد ذلك بكثير.

بالإضافة إلى الخلايا العصبية اليرقية المعاد تشكيلها ، تولد العديد من الخلايا العصبية الجديدة مع نمو اليرقة. لا تستخدم اليرقة هذه الخلايا العصبية ، ولكنها تنضج عند التحول لتصبح خلايا عصبية مدخلة ومخرجة لتسع حجرات حسابية جديدة مخصصة للبالغين.

قال ثوم إن جسم الفطر في اليرقة يبدو مشابهًا جدًا للنسخة البالغة ، لكن "إعادة الأسلاك مكثفة حقًا". قال جربر إن الأمر يبدو كما لو أن مدخلات ومخرجات آلة حسابية تعطلت جميعها لكنها لا تزال تحافظ بطريقة ما على وظائفها اللاسلكية. "يكاد الأمر كما لو كنت تعمد إلى فصل الجهاز وإعادة توصيله".

ونتيجة لذلك ، فإن جسم عيش الغراب في دماغ البالغين هو "أساسًا ... بنية جديدة تمامًا" K. فيجاي راغافان، أستاذ فخري ومدير سابق للمركز الوطني الهندي للعلوم البيولوجية وكان المحرر الرئيسي للصحيفة ولم يشارك في الدراسة. وأضاف أنه لا يوجد مؤشر تشريحي على إمكانية بقاء الذكريات.

هشاشة الذاكرة

قال ويليامز إن الباحثين كانوا متحمسين لهذا السؤال حول ما إذا كانت ذكريات اليرقة يمكن أن تنتقل إلى الحشرة البالغة ، لكن الإجابة لم تكن واضحة.

أنواع الذكريات التي تعيش في جسم عيش الغراب لذبابة الفاكهة هي ذكريات ترابطية ، النوع الذي يربط شيئين مختلفين معًا - نوع الذاكرة التي تركت كلاب بافلوف تسيل لعابها عند صوت الجرس ، على سبيل المثال. بالنسبة إلى ذبابة الفاكهة ، تشتمل الذكريات الترابطية عادةً على الروائح ، وهي توجه الذبابة نحو شيء ما أو بعيدًا عنه.

ومع ذلك ، فإن استنتاجهم بأن الذكريات الترابطية لا يمكنها البقاء قد لا يكون صحيحًا بالنسبة لجميع الأنواع. على سبيل المثال ، تفقس يرقات الفراشة والخنفساء مع أنظمة عصبية أكثر تعقيدًا وخلايا عصبية أكثر من يرقات ذبابة الفاكهة. نظرًا لأن أجهزتهم العصبية تبدأ أكثر تعقيدًا ، فقد لا يتعين عليهم إعادة تشكيلها بنفس القدر.

وجدت دراسات سابقة أدلة على أن أنواعًا أخرى من الذكريات يمكن أن تستمر في بعض الأنواع. على سبيل المثال ، أوضح جربر ، أن الملاحظات والتجارب تشير إلى أن العديد من أنواع الحشرات تظهر تفضيلًا للتكاثر على نفس أنواع النباتات التي تنضج فيها: فاليرقات التي ولدت وترعرعت على أشجار التفاح تميل لاحقًا إلى وضع بيضها على أشجار التفاح في مرحلة البلوغ. قال "لذلك يتساءل المرء كيف يرتبط هذان النوعان من الملاحظات". كيف تنتقل هذه التفضيلات إذا لم تتأثر الذكريات؟ وقال إن أحد الاحتمالات هو أن الذكريات الترابطية لا تنتقل ، لكن الأنواع الأخرى من الذكريات الموجودة في أجزاء أخرى من الدماغ تفعل ذلك.

توفر البيانات فرصًا لمقارنة تطور الجهاز العصبي في الحيوانات التي تتحول إلى تلك التي لا تتغير. تم الحفاظ على الجهاز العصبي للحشرات بشكل كافٍ أثناء التطور بحيث يمكن للباحثين تحديد الخلايا العصبية المكافئة في الأنواع التي تنمو بشكل مباشر مثل الصراصير والجنادب. يمكن أن تجيب المقارنات بينهما على أسئلة مثل كيف تغيرت الخلايا الفردية من هويات فردية إلى هويات متعددة. قال ويليامز إنها "أداة مقارنة قوية بشكل لا يصدق".

يعتقد ثوم أنه سيكون من المثير للاهتمام معرفة ما إذا كانت أنواع الحشرات التي تعيش في بيئات مختلفة قد تختلف في طرق إعادة ترتيب أدمغتها ، وما إذا كانت الذكريات يمكن أن تعيش في أي منها. جربر فضولي لمعرفة ما إذا كانت الآليات الخلوية في تحول الحشرات هي نفسها في الحيوانات الأخرى التي تخضع لاختلافات في العملية ، مثل الضفادع الصغيرة التي تصبح ضفادع أو مخلوقات شبيهة بالهيدرا غير متحركة تتحول إلى قناديل البحر. قال: "قد تكون مجنونًا بما يكفي لتتساءل عما إذا كان ينبغي أن ننظر إلى سن البلوغ على أنه نوع من التحول".

يأمل ترومان وفريقه الآن في الغوص إلى المستوى الجزيئي لمعرفة الجينات التي تؤثر على نضج وتطور الجهاز العصبي. في عام 1971 ، افترض الباحثون في ورقة نظرية أن ثلاثيًا من الجينات يوجه عملية تحول الحشرات ، وهي الفكرة التي أكدها ريدفورد وترومان بشكل أكبر في ورقة 2022. لكن الآليات الكامنة وراء كيفية عمل هذه الجينات لإعادة تشكيل الجسم والدماغ تظل غير واضحة.

الهدف النهائي لترومان هو إقناع الخلايا العصبية بأخذ شكلها البالغ في دماغ اليرقات. قد يعني اختراق العملية بنجاح أننا نفهم حقًا كيف تخلق هذه الحشرات هويات متعددة بمرور الوقت.

من غير المعروف كيف ستكون أنماط إعادة التنظيم في أي مكان آخر في الدماغ. وقال ترومان إنه من المحتمل أن بعض جوانب القدرات العقلية لذبابة الفاكهة واستجاباتها للعالم ، سواء كانت واعية أم لا ، تتشكل من خلال حياة اليرقات. "يكمن التحدي في محاولة معرفة طبيعة ومدى هذه التأثيرات."