أنباء وآراء

جينوم: طيور تفقِد قدرتها على الطيران خلال مراحل تطوُّرها

فقدت مجموعات كثيرة من الطيور القدرة على الطيران. وتوضح المقارنةٌ بين هياكل أجنحة الأنواع القادرة على الطيران والعاجزة عنه من البط الباخر، فضلًا عن المقارنة بين جينومات تلك الأنواع، آليّةً محتملة للكيفية التي فُقدت بها تلك القدرة.

جوليا إيه. كلارك

  • Published online:

نستطيع أن نُكَوِّن فهمًا عن التطور بدراسة التسلسل الذي تكتسب به الكائنات سماتٍ جديدة، لكنَّ دراسة فقدان السمات لها فوائدها أيضًا... فإذا فَقدَت مجموعاتٌ محددة من الكائنات الحية سمةً معينة عدة مرات، يمكن باستخدام مقارباتٍ إحصائية فعالة تحديد الأسس الجينومية التي وراء فقدان تلك السمة. وفي دراسةٍ حديثة نُشِرَت في دورية «إيفولوشن» Evolution1، سلَّط الباحث ليوناردو كامبانيا وزملاؤه الضوء على التغيُّرات الجينية المرتبطة بفقدان القدرة على الطيران في الطيور. وقارن الباحثون الجينومات الكاملة لـ59 بطةً من البط الباخر (من الجنس المعروف باسم Tachyeres)؛ لدراسة فقدان القدرة على الطيران خلال عملية التطور.

يستوطن البط الباخر الموائل الساحلية والبحيرات في جنوب تشيلي، وجنوب الأرجنتين، وجُزُر فوكلاند2. ويُظهِر ذلك النوع سلوكًا مميزًا في الهروب، يسمَّى بـ«حركة البواخر»، يُجدّف فيه بأجنحته وأقدامه تجديفًا سريعًا ومتزامنًا في الماء، ليُحاكي بذلك حركة القوارب البخارية التي سُمِّيَ النوع باسمها (انظر الشكل 1). ومن بين الأنواع الأربعة المعروفة من ذلك البط، تتصف ثلاثة بعدم قدرتها على الطيران2 (وهي: T. brachypterus، وT. Pteneres، وT. leucocephalus). يعجز عن الطيران كذلك بعض ذكور البط الأثقل وزنًا، المنتمية إلى النوع الرابع القادر عادةً على الطيران، وهو نوع T. patachonicus، لأَّنَّ حمولة جناحها (وهي نسبة وزن الجسم إلى مساحة سطح الجناح) أعلى من حمولة أجنحة نظرائها الأخفّ وزنًا.

شكل 1 | حركة البواخر في البط الباخر. في الأنواع القادرة على الطيران والعاجزة عنه من البط الباخر (من جنس Tachyeres) يظهر سلوك مميز في الهروب، يسمَّى بحركة البواخر، يجدِّف فيه البط بأقدامه وأجنحته القصيرة بسرعة في الماء. وقد وضع كامبانيا وزملاؤه1 تسلسلات جينومات عددٍ من البط الباخر من جميع أنواع جنس Tachyeres (ومن بينها نوع Tachyeres brachypterus العاجز عن الطيران، الظاهر في الصورة)، وحللوا هذه التسلسلات، وقياسات أجنحة الطيور، لاقتراح عددٍ من التغيُّرات في التعبير الجيني، التي ربما تكون أساس الآلية التطورية لفقدان القدرة على الطيران.

شكل 1 | حركة البواخر في البط الباخر. في الأنواع القادرة على الطيران والعاجزة عنه من البط الباخر (من جنس Tachyeres) يظهر سلوك مميز في الهروب، يسمَّى بحركة البواخر، يجدِّف فيه البط بأقدامه وأجنحته القصيرة بسرعة في الماء. وقد وضع كامبانيا وزملاؤه1 تسلسلات جينومات عددٍ من البط الباخر من جميع أنواع جنس Tachyeres (ومن بينها نوع Tachyeres brachypterus العاجز عن الطيران، الظاهر في الصورة)، وحللوا هذه التسلسلات، وقياسات أجنحة الطيور، لاقتراح عددٍ من التغيُّرات في التعبير الجيني، التي ربما تكون أساس الآلية التطورية لفقدان القدرة على الطيران. 

 Bill Coster/FLPA

إنّ جميع البط الباخر يمشي بكفاءةٍ على الأرض، ويغطس للحصول على الغذاء، وللهرب من المُفْتَرِسات. وعلى عكس طيور البفن والبطريق، التي تَستخدِم حركات أجنحتها للبحث عن الغذاء وتناوله، فإنَّ البط الباخر لا يلجأ إلى حركة البواخر للحصول على الطعام، لكنَّه يستخدم أجنحته في أثناء الغطس تحت الماء، بالإضافة إلى أنَّ عضلات الطيران في الأنواع العاجزة عن الطيران لا يقل حجمها عن كتلة جسمها إلا بدرجة بسيطة، مقارنةً بهذه النسبة نفسها بين أنواع البط الباخر القادرة على الطيران2.

وهناك خلافٌ بشأن ما إذا كان كل نوعٍ من الأنواع العاجزة عن الطيران من البط الباخر قد فَقَدَ القدرة على الطيران وحده، أم أنَّ كل هذه الأنواع انحدرت من فرعٍ واحد من البط، عاجز عن الطيران2. وحَلُّ هذا الخلاف سيوفر معلوماتٍ جديدة عن بعضٍ العوامل البيئية أو الإيكولوجية التي قد تحفز عملية فقدان القدرة على الطيران.

ويُعَد البط الباخر مجموعةً حديثة تطوريًّا، إذ يُقَدَّر عمْر هذه المجموعة بحوالي مليوني عام فقط. وقد كشف كامبانيا وزملاؤه - من خلال مقارنة جينومات هذه المجموعة من البط - أنَّ فقدان القدرة على الطيران في أثناء عملية التطور في النوعين القاريين T. pteneres، وT. leucocephalus قد حدث في وقتٍ مبكر من تاريخ الفرع الحيوي لتلك الأنواع، وخلال إطارٍ زمني قصير نسبيًّا. وعلى العكس، فإنَّ نوع T. patachonicus، والنوع الساحلي T. brachypterus أكثر قرابةً من بعضهما (تفرَّع النوعان في وقتٍ قريب)، وما زال من الممكن بالفعل أن تمتزج سلالاتهما. وبوجه عام، تشير المقارنة التي عقدها الباحثون بين الجينومات إلى أنَّ فقدان القدرة على الطيران ربما يكون قد حدث خلال التطور بصورةٍ مستقلة في كل نوع، أي في ثلاث مناسبات مختلفة، لكنْ هناك تفسيرات أخرى له.

حدَّد كامبانيا وزملاؤه أيضًا أجزاء الجينومات التي تتضمن أكبر عددٍ من الاختلافات في تسلسل الحمض النووي بين الأنواع القادرة على الطيران، والعاجزة عنه، عن طريق التنقيب في الجينومات عن صور تعدد أشكال النيوكليوتيدات المفردة (SNPs)، أي بدائل النيوكليوتيدات المفردة عند نقاطٍ محددة في تسلسل الحمض النووي. وربط الباحثون بين قياسات عِظام الأجنحة، ونِسَب العظام في الطيور التي جرى تعيين تسلسلات جينوماتها، وبين بيانات الجينومات، حتى يتمكنوا من تمييز الاختلافات الجينية المرتبطة بأشكال الأجنحة عن الاختلافات الجينية غير المرتبطة بها، أو تلك التي حدثت صدفةً في الأفراد. وجديرٌ بالذكر أنَّ بعض البط من نوعي T. patachonicus، وT. brachypterus تَبيَّن أنَّ لديه مزيجًا من التسلسلات الجينية المرتبطة بطول الأجنحة، سواء الخاصة بالقدرة على الطيران، أم تلك الخاصة بالعجز عنه. وبهذا.. يبدو أنَّ الباحثين قد اكتشفوا الآلية التطورية لفقدان القدرة على الطيران في البط الباخر.

وأغلب صور تعدد أشكال النيوكليوتيدات المفردة، التي اكتشف كامبانيا وزملاؤه ارتباطها بالاختلافات في قياسات الأطراف، قد حدث في جينٍ يُسمَّى DYRK1A، أو في موضع قريب منه. ولهذا.. يشير الباحثون إلى أنَّ التغيُّرات في التعبير عن جين DYRK1A ووظيفته قد تسهم في إنقاص أطوال الأطراف بالنسبة إلى وزن الجسم، وهو نقْص لُوحِظ في البط العاجز عن الطيران. ويشير الباحثون كذلك إلى أنَّ الفئران التي تحمل عددًا أكبر من المعتاد من نُسَخ جين DYRK1A تظهر فيها اختلافات في الأطراف، والهيكل العظمي3. وإضافةً إلى ذلك.. تَبيَّن أنَّ لزيادة عدد نُسَخ جين DYRK1A دورًا في ظهور أعراضٍ معينة من متلازمة داون في الإنسان، منها الاختلافات في حجم الجسم، وطول العظام الطويلة، وبالأخص عظام الأطراف الأمامية4. ورغم أنَّ كامبانيا وزملاءه لم يتمكنوا من فحص عدد نُسَخ جين DYRK1A في البط الباخر، قد تتمكن الأبحاث المستقبلية من دراسة آثار الاختلافات الجينيّة المُلاحَظة في نمو الطيور عن طريق التجارب.

إنّ الأنواع العاجزة عن الطيران شديدة التنوع، وفقدت القدرة على الطيران في أثناء تطورها في سياقاتٍ شديدة الاختلاف، إذ حدث فقدان هذه القدرة بعد اكتساب أسلوبٍ جديد للحركة في الماء، أو تعقُّد هذه الحركة. والمثال على ذلك.. حركة الغوص، أو حركة البواخر. كما حدث ذلك أيضًا في سياقاتٍ تغلب عليها اليابسة، ويُوجَد فيها القليل من المفترِسات. ومن الأمثلة على هذا السيناريو الأخير: طيور دجاج الماء، التي هي من أقارب طيور الكركي، حيث فَقَدَ دجاج الماء القدرة على الطيران في كل جزيرةٍ محيطيّة حطَّ عليها تقريبًا (وأحيانًا على الجزيرة نفسها بصورةٍ متكررة5).

وبغضّ النظر عن السياقات المختلفة التي قد تحفّز فقدان القدرة على الطيران، ففي جميع كل تلك الحالات يتسبب نقْص طول الأجنحة بالنسبة إلى باقي الجسم في زيادة حمولة الأجنحة، إلى درجةٍ تجعل النوع عاجزًا عن الطيران، لكنّ التغيُّرات الأخرى في البِنْية العضلية للأجنحة، وفي الجلد، والريش، وكذلك في الأنظمة الحسية، وبقية الهيكل العظمي، تتباين بدرجةٍ كبيرة ما بين الأنواع المختلفة العاجزة عن الطيران، ولا يتضح دائمًا ما إذا كانت هذه التغيُّرات مرتبطة بفقدان القدرة على الطيران، أم بعوامل أخرى. وجديرٌ بالذكر – على سبيل المثال - أنه يُفترَض أنَّ التغيرات الجينية والتغيرات في شكل الأجنحة، المرتبطة بفقدان القدرة على الطيران في البط الباخر، قد حدثت في الوقت نفسه الذي طورت به هذه الطيور حركة البواخر. والأجنحة عادةً ما تكون قصيرةً نسبيًّا في الطيور التي تستخدمها للحركة في الماء. وبالتالي، من الصعب تحديد ما إذا كانت التغيرات الجينية المؤثرة على شكل الأجنحة ترتبط بتطوير الطيور لحركة البواخر، أو فقدانها القدرة على الطيران، أم لا.

شهدت السنوات القليلة الماضية تطوراتٌ كبيرة أخرى في الدراسات المعنية بالجوانب الجينية لفقدان القدرة على الطيران،. وحدَّدت إحدى الدراسات6 الاختلافات بين جينومات ثلاثة أنواع قادرة على الطيران من طيور الغاق، وجينوم قريبها العاجز عن الطيران؛ غاق جُزُر جالاباجوس، المعروف باسمه العلمي Phalacrocorax harrisi. وظهر العديد من هذه الاختلافات في جيناتٍ مرتبطة بعمل النتوءات الخلوية، المسمَّاة بالأهداب، أو حولها. وتتوسط هذه الأهداب إرسال الإشارات الخلوية الضرورية لنمو الهيكل العظمي، إلا أنَّ عضلات الطيران، والأجزاء المرتبطة به في عظام القص في نوع غاق جُزُر جالاباجوس أصغر بكثير من تلك الموجودة في أقاربه من الأنواع القادرة على الطيران (وهي اختلافات لم تُلاحظ بين الأنواع القادرة على الطيران والعاجزة عنه في البط الباخر2).

تناولت دراسةٌ أخرى7 أساسًا مختلفًا لفقدان القدرة على الطيران في الطيور من جنس مسطَّحات الصدر، وهي مجموعة من الطيور تشمل طيور الشبنم، والنعام، والكيوي، فقدت قدرتها على الطيران عدة مرات في الماضي البعيد. وقد اكْتُشِفَت اختلافاتٌ بين الأنواع القادرة على الطيران، والعاجزة عنه، في مناطق من الحمض النووي تُنَظِّم التعبير عن الجينات التي تسهم في تأسيس بِنْية الأطراف الأمامية (لكنَّها مختلفة عن التغيرات الملاحَظة في البط الباخر). وتتسبب التغيُّرات في التعبير عن عديدٍ من هذه الجينات أثناء التطور في قِصَر طول الأطراف الأمامية7.

إنّ الآليّات المختلفة لفقدان القدرة على الطيران - التي اكتشفَتْها هذه الدراسات الجينومية - ليست بالضرورة متعارضةً مع بعضها البعض، بل إنَّ ثمة منظور جديد يذهب إلى أنَّ الآليات الجينية التي تؤدي إلى التغيرات في شكل الجناح وطوله ربما تكون متنوعةً، مثل السياقات الإيكولوجية التي فقدت فيها الطيور قدرتها على الطيران. وربما لا يُعَد ذلك مفاجأةً، إذ كشفت الدراسات المعنية بتناقص عدد الأصابع لدى الثدييات أيضًا وجود آلياتٍ متنوعة لهذا التناقص8،9، وتتسبب آلياتٌ جينية مختلفة كذلك في تكيُّف أنواع طائر الطنان10 القريبة من بعضها مع المرتفعات العالية. وما زلنا في حاجة إلى مزيدٍ من العمل على مقتنيات المتاحف11، وإلى مزيد من البحث في مجالَي الأحياء النمائية، والتشريح، حتى يزداد فهْمنا للتغيُّرات الجينية التي تشكل أساس سماتٍ معينة، مثل العجز عن الطيران.

References

  1. Campagna, L., McCracken, K. G. & Lovette, I. J. Evolution https://doi.org/10.1111/evo.13758(2019). | article
  2. Livezey, B. C. & Humphrey, P. S. Evolution 40, 540–558 (1986).  
  3. Blazek, J. D., Abeysekera, I., Li, J. & Roper, R. J. Hum. Mol. Genet. 24, 5687–5696 (2015). | article
  4. Bernstein, S. N., Saller, D. N., Catov, J. M. &Canavan, T. P. Int. J. Gynecol. Obstet. 133, 287–290(2016). | article
  5. Hume, J. P. & Martill, D. Zool. J. Linn. Soc. 186, 666–672 (2019). | article
  6. Burga, A. et al. Science 356, eaal3345 (2017). | article
  7. Sackton, T. B. et al. Science 364, 74–78 (2019). | article
  8. Cooper, K. L. et al. Nature 511, 41–45 (2014). | article
  9. Lopez-Rios, J. et al. Nature 511, 46–51 (2014). | article
  10. Lim, M. C. W., Witt, C. C., Graham, C. H. &Dávalos, L. M. Genome Biol. Evol. 11, 1573–1585(2019). | article
  11. Lamichhaney, S. et al. Phil. Trans. R. Soc. B 374, 20180248 (2019). | article

جوليا إيه. كلارك تعمل في كلية جاكسون لعلوم الأرض، وجامعة تكساس في أوستن بمدينة أوستن في ولاية تكساس، 78712، الولايات المتحدة الأمريكية.

البريد الإلكتروني: julia_clarke@jsg.utexas.edu