التحليل الرياضي لأجنحة ذبابة الفاكهة يشير إلى حدود التطور

مصر – ايهاب محمد زايد

تُظهر دراسة مضنية لمورفولوجيا الجناح كلاً من التماثل المذهل للأفراد في النوع والنمط الدقيق من الاختلافات المرتبطة التي يمكن للتطور استغلالها.

على الرغم من الاختلافات الشديدة في جينات وبيئات ذباب الفاكهة الشائع ، فإن أجنحتها متشابهة بشكل مذهل ، وتتنوع في قائمة محدودة من الطرق.

كريس جونز

قبل عامين ، استعدادًا لالتقاط صورة غير عادية ، انتزع فريق من العلماء الأجنحة من آلاف ذباب الفاكهة وضغطوا على كل قطعة من الأنسجة المتقزحة بين الألواح الزجاجية. في كثير من الأحيان ، تمزق الجناح أو انثنى ، أو احتُجز جيب هوائي أو قطعة غبار ضالة معه ، مما أدى إلى تدمير العينة. قال مادهاف ماني ، عالم الرياضيات التطبيقي والمهندس في جامعة نورث وسترن الذي قاد المشروع ، إن أجنحة الطيران “ليست مثل غلاف ساران”. قال إنها هشة ، “مثل رقائق ورق الذهب.”

مثابرة حتى تم تركيب حوالي 2000 زوج بشكل مثالي ، قام العلماء بعد ذلك بتصوير الأجنحة بدقة عالية ومقارنة الصور بشكل منهجي في 30000 مكان.

لم يكن هذا مجرد ممارسة في التصنيف. بدلاً من ذلك ، قدمت الدراسة ، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة eLife ، نظرة تفصيلية استثنائية على التباين الذي يمكن أن يوجد داخل الأنواع. تبدأ النتائج في حل توتر طويل الأمد في علم الأحياء.

من ناحية ، على الرغم من الطفرات الهائلة في جينات الأفراد والبيئات المتنوعة التي ينمون فيها ، يتطور أعضاء أحد الأنواع إلى كائنات متشابهة بشكل لافت للنظر. تضمن هذه القوة عمل جميع الأفراد تقريبًا. من ناحية أخرى ، لكي يحدث التطور ، يحتاج أعضاء الأنواع إلى سمات متنوعة يمكن أن يعمل عليها الانتقاء الطبيعي. هاتان القوتان – المتانة وقابلية التطور – تتجاذبان في اتجاهين متعاكسين. يريد المرء تنوعًا أقل ، والآخر يريد المزيد.

قال أليكس لانكستر ، عالِم الأحياء التطورية في معهد رونين في نيوجيرسي ، والذي لم يشارك في الدراسة الجديدة ، إنه منذ حوالي 20 عامًا ، توقع علماء الأحياء أن تنتج العوامل الوراثية والبيئية تباينًا جوهريًا ، مما يمنح الانتقاء الطبيعي الكثير من الخيارات. لكنه قال إن الملاحظات الحديثة شهدت تشابهًا غير متوقع بين السكان.

خلال العشاء مع المؤلف المشارك ريتشارد كارثيو قبل بضع سنوات ، بدأ ماني في التفكير في تحديد مقدار وطرق اختلاف الأفراد جسديًا. بمعنى آخر ، ما هي الخيارات الموجودة ضمن قيود التطور الجنيني وما بعد الولادة؟ بالنسبة للكائن الحي ، “ماذا يوجد في القائمة؟” تساءل ماني. “يحب الناس أن يقولوا إن العلم هو نوع من الأساليب ، لكنه بدأ فقط بهذا السؤال الصبياني المتشدد.”

اعتمدت الدراسات السابقة على بعض نقاط المقارنة على كائن حي ، لكن ماني وكارثيو ومؤلفوهم المشاركون فاسيل ألبا وجيمس كارثيو (ابن ريتشارد كارثيو وعضو في مختبره) أرادوا معلومات أكثر دقة. كانوا يعلمون أنه عند تسلسل الجينوم ، تصطف الخوارزميات أقسامًا من الشفرة الجينية للمقارنة. بنفس الطريقة ، قرر العلماء محاذاة أجنحة ذبابة الفاكهة الشائعة من ذبابة الفاكهة.

تشبه الآلاف من صور الأجنحة رسومات خطية مع عروق داكنة تبرز من خلفيات فاتحة. قام برنامج حاسوبي بتوحيد هذه الصور ، ووضع كل منها في دائرة مع الحفاظ على ميزات مثل زوايا الأوردة ، وتكديس آلاف الصور رقميًا فوق بعضها البعض. أعطى هذا للباحثين حوالي 30 ألف نقطة مقارنة – كل بكسل في تلك الصورة المكدسة – بدلاً من بضع عشرات من المعالم الأولية. قالت لانكستر: “إنها أكثر شمولية”. “إنه يمسك بالميزات التي لا يتم اكتشافها في العادة.”

ظهرت بساطة غير متوقعة من هذه البيانات الثرية. رأى العلماء نطاقًا ضيقًا من المظاهر المحتملة للأجنحة ، والتي تباعدت في الغالب في مجموعة صغيرة من الخصائص. تم تركيز التباين بالقرب من مفصل الجناح وظهر في عدد قليل من النقاط المعينة ، مثل شكل الوريد الأمامي.

علاوة على ذلك ، تم ربط هذه السمات المتغيرة: عندما تكون إحدى السمات الموجودة على الجناح بعيدة عن المتوسط ​​، تكون السمات الأخرى أيضًا كذلك. كان هذا صحيحًا بغض النظر عن التعديلات الجينية أو البيئية التي حدثت ، مما يعني أن هذه العوامل الفردية لها تأثير محدود للغاية.

توقع ريتشارد كارثيو أن يتم التقاط المزيد من التعقيدات التطورية للذباب في أشكالها الجسدية. قال إن التباين تم تحويله بالكامل إلى قائمة مختصرة من خيارات القائمة “أمر رائع للغاية”. مع نمو الذباب ليصبح بالغًا ، فإن لديهم “هذه القدرة السحرية على تصحيح الاختلافات وإنشاء شكل نهائي قوي للغاية.”

لم تقدم صور أجنحة الطيران أي أدلة على الآليات التي تحد من الأشكال المحتملة التي يمكن أن تتطور. وبدلاً من ذلك ، أثبتت النتائج القوة الواسعة لهذه الدرابزين. يجب أن يعمل الانتقاء الطبيعي في الغالب على التنوع الكبير المعروض في العدد الصغير من الصفات المتغيرة المرتبطة ، بينما تقيد المتانة الباقي بشدة.

بالنسبة لبعض العلماء ، البساطة ليست مفاجئة. توقعت Luisa Pallares ، عالمة البيئة وعالمة الأحياء التطورية في جامعة برينستون ، قيودًا على التباين ، بناءً على النظرية البيولوجية حول المتانة. بمعنى ، لكي يبدو أعضاء النوع متشابهين كما هم ، يجب تقييد تنوعهم بشدة. لكنها قالت إن هذه الدراسة تقدم تقديرًا كميًا “جميلًا”. الآن يمكن للعلماء أخيرًا رؤية النظرية قيد التنفيذ بشكل أكثر وضوحًا.

ألبا عالم أحياء في جامعة نورث وسترن ، لكنه تدرب في الفيزياء وانجذب إلى المبادئ التوجيهية التي تتنبأ بالكثير من العالم المادي. قال “في علم الأحياء ، ليس لدينا منهم”. “كنت دائمًا أشعر بالفضول لمعرفة ما إذا كان من الممكن بناء مجموعة من المبادئ للبيولوجيا التي ستشرح كل أو العديد من الظواهر في علم الأحياء ، أو على الأقل يمكن أن تبسط فهمنا.”

لمعرفة ما إذا كان التباين المقيد الذي لاحظه ألبا وزملاؤه يسري بشكل عام عبر الحيوانات ، يجب تحليل المزيد من الأنواع من خلال نهجها الكمي. يأمل كارثيو أن يجربه علماء الأحافير على أسنان أو عظام متحجرة ، وبالاريس فضولي لمعرفة كيف يعمل على الهياكل ثلاثية الأبعاد. قال ميكاليس باركولاس من جامعة إمبريال كوليدج في لندن إن فهم العلاقة بين الجينات والشكل المادي في المستقبل يمكن أن يساعد في كشف آلية عمل الأمراض.

في الوقت الحالي ، يعمل فريق Northwestern على دراسة أخرى ، والتي تفحص حتى الآن آلاف أجنحة ذبابة الفاكهة. بعد استخدام نهجهم الكمي لتحديد التباين في مورفولوجيا جناح ذبابة الفاكهة السوداء ، كانوا يفكرون في كيفية تأثير الانتقاء الطبيعي على تنوع مظاهرهم لتشكيل أنواع جديدة ذات صلة وثيقة. تساءلوا عما إذا كان نهجهم يمكن أن يتنبأ بظهور هذه الأنواع التالية لتتطور من ذبابة الفاكهة. قال ماني: “أمر محير ، يبدو أننا على وشك أن نقول نعم”. “قد نكون قادرين على التنبؤ بالأنواع المجاورة.”

المصدر كوانتا