في مارس 2019، على متن قطار متجه إلى الجنوب الغربي من ميونيخ، عالم الأعصاب ماكسيميليان بوث عدل قبضته الدقيقة على المبرد الموجود في حجره. لم يكن يحتوي على غداءه. كان بداخله أنسجة من ستة حبال شوكي لأفعى مجلجلة معبأة في الجليد، وهي تسليمة خاصة لمستشاره البحثي الجديد بوريس تشاجنود، عالم أعصاب سلوكي مقيم على الجانب الآخر من جبال الألب. يحتفظ شاجنود، في مختبره بجامعة جراتس في النمسا، بمجموعة من الحيوانات المائية التي تتحرك بطرق غير معتادة، بدءًا من أسماك الضاري المفترسة، وسمك السلور، التي تستخدم المثانات الهوائية لإصدار الصوت، إلى طيور نطاط الطين التي تقفز على الأرض باستخدام زعانفين. يدرس تشاجنود الدوائر العصبية لهذه المخلوقات ويقارنها لفهم كيفية تطور طرق جديدة للحركة، وكان بوث يحضر أشواك الأفعى المجلجلة للانضمام إلى هذا المسعى.

إن الطرق التي تتحرك بها الحيوانات لا تعد ولا تحصى مثل مملكة الحيوان نفسها. إنهم يمشون، ويجرون، ويسبحون، ويزحفون، ويطيرون، وينزلقون - وداخل كل فئة من هذه الفئات يوجد عدد هائل من أنواع الحركة المختلفة بمهارة. يمتلك كل من طائر النورس والطائر الطنان أجنحة، ولكن بخلاف ذلك فإن تقنيات الطيران وقدراتهما متباعدة تمامًا. لدى كل من الحيتان القاتلة وأسماك الضاري المفترسة ذيول، لكنهما يمارسان أنواعًا مختلفة جدًا من السباحة. حتى الإنسان الذي يمشي أو يركض يحرك جسمه بطرق مختلفة جذريًا.

يتم تحديد إيقاع ونوع الحركات التي يمكن أن يؤديها حيوان معين بواسطة الأجهزة البيولوجية: الأعصاب والعضلات والعظام التي ترتبط وظائفها بقيود عصبية. على سبيل المثال، يتم ضبط وتيرة المشي لدى الفقاريات بواسطة دوائر في العمود الفقري، والتي تنشط دون أي مدخلات واعية من الدماغ. وتتحدد وتيرة تلك الحركة بخصائص الدوائر العصبية التي تتحكم فيها.

لكي يطور الحيوان طريقة جديدة للحركة، يجب أن يتغير شيء ما في دوائره العصبية. يريد تشاجنود أن يصف بالضبط كيف يحدث ذلك.

"في التطور، لا يقتصر الأمر على اختراع العجلة. قال: "إنك تأخذ قطعًا كانت موجودة بالفعل، وتقوم بتعديلها". "كيف يمكنك تعديل تلك المكونات المشتركة بين العديد من الأنواع المختلفة لتكوين سلوكيات جديدة؟"

مؤخرًا، وجد فريقه إجابة واحدة لهذا السؤال في تجاربهم على أفاعي بوث المجلجلة، وهي كائن حي لديه إيقاعان حركيان متميزان مدمجان في جسم واحد طويل ونحيف.

نتائجهم ، نشرت في علم الأحياء الحالي في يناير الماضي، حددت كيف أن التلاعب ببروتين واحد - قناة أيون البوتاسيوم - يمكن أن يجعل الخلايا العصبية الحركية سريعة الإطلاق من ذيل الثعبان الخشخشة تتصرف بشكل أشبه بالخلايا العصبية الحركية البطيئة من جسمها المتموج، والعكس صحيح. يعد هذا الاكتشاف دليلاً على أن التغييرات الدقيقة التي تطرأ على فسيولوجيا الحيوان يمكن أن تترجم نفس الأمر من الجهاز العصبي إلى طرق مختلفة للحركة.

وقال عالم الأعصاب: "ما اعتقدت أنه فريد ومثير للاهتمام بشكل خاص في هذه الدراسة هو أنها ركزت على الخلايا العصبية الحركية التي تؤدي وظيفتين مختلفتين للغاية، ولكن داخل نفس الحيوان". مارثا باجنال من جامعة واشنطن في سانت لويس، الذي لم يشارك في العمل. "إن النظر إليهم داخل حيوان واحد أعطاهم هذه المقارنة الدقيقة واللطيفة حقًا."

تشير النتائج إلى الطريقة التي يمكن بها للحيوانات عبر شجرة الحياة تطوير سلوكيات جديدة. إن تعديل الجزء الصحيح من الآلة البيولوجية - في هذه الحالة، قناة أيونية محددة - يمكن أن يغير الأداء بشكل جذري، تمامًا كما يحدث عند تغيير قرص الصوت في مكبر الصوت. يمكن أن يعمل التطور أولاً على عناصر التحكم، بدلاً من إعادة صياغة الآلة بأكملها.

وقال: "لقد كانت نتيجة نظيفة للغاية". بول كاتز، عالم الأعصاب السلوكي في جامعة ماساتشوستس، أمهرست، والذي لم يشارك أيضًا في العمل. "وكما تعلمون، الأفاعي الجرسية - فهي رائعة."

مسامير الإعداد

Chagnaud ليس مهتمًا بالأفاعي الجرسية في حد ذاتها. قال: "لقد رأيت للتو سؤالًا بيولوجيًا مثيرًا للاهتمام". "أنا انتهازي للعلوم."

يدرس فريقه الكائنات الحية التي يعتقدون أنها ستكشف عما يسمونه السلوك التطوري ستيلشراوبين. الكلمة الألمانية تعني حرفيًا "ضبط البراغي"، على الرغم من أن هذه ترجمة غير ملائمة: Stellschrauben هي أدوات التحكم الصغيرة التي تضبط إعدادات آلة أكبر. إذا كانت الآلة هي الجهاز العصبي وكانت الإعدادات هي السلوك المباشر، فإن Stellschrauben هي المفاتيح البيولوجية والمشغلات والمقابض التي، مع القليل من التعديل، تغير سلوك الحيوان بشكل كبير بما يكفي ليكون لها عواقب تطورية.

تمثل الأفاعي الجرسية فرصة لفهم كيفية تغيير علم الأحياء لإعدادات السرعة في حيوان واحد. غالبًا ما يتعين على الباحثين المهتمين بمثل هذه الأسئلة مقارنة الأنواع المختلفة بسلوكيات متباينة، مثل طائر النورس والطائر الطنان، وكلاهما يطير، ولكن بحركات مختلفة وبسرعات مختلفة. ومع ذلك، في هذه الحالة، من الصعب تحديد أي من الفروق البيولوجية العديدة بين النوعين يدعم الاختلاف في سلوك الحركة الواحدة. إن مقارنة انزلاق الأفعى المجلجلة البطيء مع قعقعةها السريعة يتجنب مشكلة مقارنة التفاح بالبرتقال، أو الأنشوجة بالحيتان القاتلة.

هذه الرؤية - أن الأفاعي المجلجلة لها طريقتان للتحرك في جسد واحد - هي السبب الذي جعل بوث يجد نفسه جالسًا على متن قطار من ميونيخ إلى غراتس مع مبرد مليء بأشواك الثعابين.

وعندما عاد إلى غراتس، قام بغرس النسيج الشوكي للأفعى المجلجلة في أجار، وهو نوع من الجيلاتين، وصنع شرائح رفيعة جدًا لإجراء الفحص المجهري. ومن الناحية البصرية، بدت الخلايا العصبية الحركية من حشرجة الثعبان وجسمها متماثلة تمامًا. ولكن عندما استخدم بوث قطبًا كهربائيًا لاختبار خواصهما الكهربائية، وجد اختلافات مذهلة.

تغير الخلايا العصبية نشاطها الكهربائي باستخدام مضخات وقنوات مدمجة في أغشية خلاياها للتحكم في تدفق الأيونات المشحونة مثل البوتاسيوم والصوديوم. في حالة الراحة، تحافظ الخلايا العصبية على شحنة داخلية أكثر سلبية من بيئتها الخارجية، وتحافظ على جهد الغشاء أثناء الراحة بحوالي -70 مللي فولت. بعد ذلك، عندما تزيد الإشارات الصادرة من الخلايا العصبية الأخرى من جهد الغشاء، فإن الخلية "تشتعل" - فتفتح بوابات قنواتها الأيونية وتسمح للأيونات الموجبة بالتدفق إلى الداخل، مما يؤدي إلى ارتفاع سريع في الجهد.

هذا الارتفاع في الجهد، والذي يسمى جهد الفعل، يمتد على طول غشاء الخلية العصبية حتى يصل إلى المشبك العصبي، وهو الواجهة بين الخلية العصبية وخلية أخرى، حيث يؤدي إلى إطلاق مواد كيميائية مرسلة تسمى الناقلات العصبية. في حالة الخلايا العصبية الحركية والعضلات، فإن إطلاق الناقل العصبي أستيل كولين يخبر العضلات بالتقلص.

وجد بوث أن التيار الكهربائي اللازم للوصول إلى عتبة الجهد وتحفيز الخلايا العصبية الحركية في جسم الثعبان كان "أقل بكثير من الخلايا العصبية الحركية الخشخشة". "أنت بحاجة إلى ضخ تيار أكبر في الخلية العصبية [الحشرجة] حتى يتم إطلاقها." وبالمقارنة مع الخلايا العصبية الحركية، كان رد فعل الخلايا العصبية الحركية في الجسم أبطأ.

ونظرًا لأن الخلايا العصبية الخشخشة لا تنشط إلا استجابةً لإشارات كبيرة وواضحة، فهي أقل عرضة للاختلال بسبب التقلبات الضعيفة في ضجيج الخلفية العصبية. فهي أقل ثباتًا وأكثر دقة، مما يسمح لها بنقل إشارات ذات تردد أعلى.

بعد تحديد هذا الاختلاف بين الخلايا العصبية الحركية والخلايا العصبية الحركية في الجسم، كانت الخطوة التالية هي العثور على Stellschrauben الذي يتحكم فيه.

التجربة والخطأ

الخلايا العصبية هي خلايا، وليست آلات، مما يعني أن تعقيدها البيولوجي فوضوي. إن "البرغي" الذي كان يبحث عنه بوث وشاجنود والذي يتحكم في الخواص الكهربائية للخلايا العصبية الحركية يمكن أن يكون أي شيء بدءًا من التعديل الدقيق في بنية البروتين الغشائي إلى التعبير عن مجموعة مختلفة تمامًا من المضخات والقنوات الأيونية. ومع ذلك، كان لدى الباحثين سبب وجيه للاعتقاد بأن Stellschrauben الخاص بهم سيحتوي على قناة أيون البوتاسيوم. أثبتت الدراسات السابقة للخلايا العصبية أن هذه القنوات مهمة لضبط دقة الخلايا العصبية، لكن دورها في ضبط سلوك الخلايا العصبية الحركية على وجه التحديد لم يكن واضحًا.

وقال بوث: "هناك مجموعة أدوات معينة، دعنا نقول، متاحة للتطور". "لذلك ربما تكون نفس القنوات الأيونية هنا."

استغرق العثور على القناة الدقيقة سنوات من التجربة والخطأ. إن مقارنة كيفية تعبير خلايا الجسم والخشخيشة عن جينات قنوات البوتاسيوم لم تكشف عن أي اختلافات مهمة. لذا، تقدم تشاجنود وبوث للأمام من خلال اختبار تأثيرات الأدوية المصممة لحجب أنواع معينة من القنوات. أخيرًا، وجدوا قناة تولد سرعات حركة مختلفة عند حظرها: قناة البوتاسيوم تسمى KV7_2/3.

ثم أجرى بوث تجارب أكثر دقة، مستخدمًا أدوية لتعزيز نشاط القناة وإعاقته. وعندما قام بتقييد القناة في الخلايا العصبية الحركية الخشخشة، أطلقت إشاراتها بشكل أبطأ وغير دقيق، كما لو كانت خلايا عصبية حركية في الجسم. ثم، عندما عزز قناة أيون البوتاسيوم، لاحظ التأثير المعاكس: الخلايا العصبية الحركية في الجسم تنطلق بسرعة ودقة، مثل الخلايا العصبية الحركية.

كان الأمر كما لو كانت هذه القناة الأيونية عبارة عن قرص يمكنه تحويل نوع من الخلايا العصبية إلى نوع آخر. ولكن ما الذي كان مختلفًا في الواقع بشأن هذا البروتين الموجود في جسم الثعبان وحشرجة الموت؟

في البداية، اعتقد الباحثون أن الخلايا العصبية الحركية يجب أن تحتوي على KV7 إضافي_2/3 قنوات البوتاسيوم. اكتشف العلماء أنه إذا كان لدى الخلايا العصبية الخشخشة المزيد من القنوات، فيمكنها تفريغ الأيونات بسرعة أكبر، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد مرة أخرى لإعداد القنوات للعمل بسرعة مرة أخرى.

لمعرفة ذلك، استخرج بوث وشاغنو الحمض النووي الريبي (RNA) وتسلسله من كلا النوعين من الخلايا العصبية الحركية للأفعى المجلجلة وأرسلا البيانات إلى جيسون جالانت، عالم الأحياء التطورية في جامعة ولاية ميشيغان، حتى يتمكن من مقارنة تعبير KV7_2/3 قناة الجينات بين الأنسجة. الجين لـ KV7_2/3 القنوات هي نفسها في كل خلية من خلايا جسم الحيوان - ولكن إذا كانت الخلايا العصبية الخشخشة تحتوي على عدد أكبر من KV7_2/3 القنوات، يتوقع الباحثون رؤية تعبير جيني أعلى في هذا النسيج.

ولكن للأسف، لم يتم إثبات تفسيرهم البسيط. وقال جالانت: "لا يوجد فرق حقيقي في مستوى التعبير الجيني في قنوات البوتاسيوم، وهو ما كان مخيبا للآمال". "لكنني أعتقد أنه يفتح رؤية أكثر واقعية لعلم الأحياء."

كان من الممكن أن توفر الاختلافات في التعبير الجيني طريقة بسيطة ومفتوحة ومغلقة لشرح كيفية ضبط البراغي التطورية الموجودة على الخلايا العصبية الحركية للأفعى المجلجلة. لكن علم الأحياء يقدم احتمالات أخرى. توقع شاغنود وبوث أنه بعد بناء بروتينات القناة من المخطط الجيني، يمكن تعديلها إلى أشكال مختلفة قليلاً تدير الأيونات بشكل مختلف. ستكون هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحديد التفاصيل، للعثور على عنصر التحكم الذي يضبط عنصر التحكم.

من جانبه، لم يعتبر كاتس النتيجة مخيبة للآمال على الإطلاق. "لذلك لم يروا [تغييرًا] في التعبير الجيني. كان هذا هو الرد الذي توقعوه”. "لكن الحقيقة هي أن هذه نتيجة رائعة."

قال كاتز: على مدى عقود عديدة، افترض الباحثون أن الدوائر الحركية "توجد كما سيتم استخدامها"، مما يعني أن البدء بسلوك مثل المشي أو السباحة هو مجرد مسألة تشغيل الدائرة الصحيحة. ومن وجهة النظر هذه، فإن تطوير سلوك جديد يتطلب تخطيطًا جديدًا تمامًا للدائرة. ولكن في دراسات الكائنات الحية المتنوعة مثل القشريات, الرخويات البحرية وربما الثعابين الآن، هذا ما اكتشفه الباحثون التفاعلات مع المعدلات العصبية ويمكن للمواد الكيميائية الأخرى تعديل النشاط الذي تثيره الدائرة، مما يؤدي إلى نفس شبكات الخلايا لإنتاج سلوكيات مختلفة بشكل ملحوظ.

وقال كاتز إن الدراسة الجديدة تشير إلى أن اللعب بهذه اللدونة يمكن أن يكون وسيلة لتطور سلوكيات الحركة الجديدة. ربما يكون الفرق بين الخشخشة وسلوك الجسم له علاقة بالاختلافات الدقيقة في البيئات الكيميائية لخلاياهم، وليس بنية أو تعبير القناة الأيونية نفسها.

"بالنسبة للكثير من التعديلات التطورية، فإن هدفك الأساسي هو عدم كسر الحيوان، أليس كذلك؟" قال باجنال. "أي شيء يمكنك القيام به لضبط السمات دون أن تصبح مفتاح تشغيل/إيقاف هو وسيلة قوية لقيادة التغيير دون أن يكون ضارًا للغاية."

تحول وضبط

تظهر هذه الدراسة الجديدة أنه من الممكن ضبط الخلايا العصبية الحركية لسلوكيات مختلفة تمامًا عن طريق تعديل بروتين واحد. لكن الخلايا العصبية الحركية ليست سوى قطعة واحدة من أحجية الحركة. إنها الحلقة الأخيرة في سلسلة تبدأ بدوائر في الجهاز العصبي المركزي تُعرف باسم مولدات النمط المركزي، والتي تولد الأنماط الإيقاعية المرتبطة بالمشي أو السباحة. يتم فهم دوائر المنبع هذه بشكل أفضل في الكائنات الحية الأخرى، مثل أسماك الحمار الوحشي. في حالة الأفاعي الجرسية، سيكون إرباكها هو الخطوة المنطقية التالية.

قال كاتز: "الحلقة المفقودة رقم واحد هي كيف يمكنك إنشاء تردد الخشخشة؟ من أين يأتي ذلك؟

يحرص شاغنود على معرفة ما إذا كان نوع Stellschraube مماثل يضبط الخلايا العصبية الحركية في نوع آخر يخشى من عضته. مثل الأفاعي الجرسية، تنفذ أسماك الضاري المفترسة حركتين إيقاعيتين بترددات مختلفة جذريًا: السباحة، بتردد يصل إلى ست دورات في الثانية، واهتزاز مثانة السباحة الخاصة بها بترددات تصل إلى 140 دورة في الثانية لإصدار أصوات مثل النباح والنباح والأصوات. قرع الطبول. ومع ذلك، على عكس الأفاعي الجرسية، تستخدم أسماك الضاري المفترسة نفس الجزء من عمودها الفقري للتحكم في كلا النوعين من الحركة.

"أنا فضولي لمعرفة ما إذا كان سيكون KV7_2/3؟ قال تشاجنود: “ليس لدينا أي فكرة”. "هل وجد التطور نفس الحل لنفس المشكلة؟"

لديه شكوكه. وعلى الرغم من أنه متفائل في العثور على آلية مماثلة، إلا أن الاكتشاف المفاجئ - والمحبط في بعض الأحيان - في الأفاعي الجرسية "كان بمثابة مفاجأة"، على حد قوله. التطور ليس مصممًا بشريًا له هدف في الاعتبار. أساليبها غامضة، وأدواتها واسعة. "ولديك براغي مختلفة تمامًا يمكنك تدويرها."