الجينات الزائفة تشهد على التاريخ التطوري للحيوانات

لقد كتبت عن الجينات الزائفة من قبل في هذه المدونة، لكنني ركزت على تطبيقها في تحديد أزمنة تباعد الأنواع وآثارها على السلف المشترك بين تلك الأنواع. أما هذه المرة فسأركز على قدرتها على إطلاعنا على الأنماط الظاهرية للأسلاف التطورية للحيوانات.

المبدأ بسيط، وسأقوم بتوضيحه باستخدام مثال معروف للجين الزائف: GULOP. في معظم الثدييات، يعمل هذا الجين في التكوين الحيوي للفيتامين C، ولكن في البشر (والرئيسيات الأخرى ذات الأنف الجاف) هذا الجين هو جين زائف فقد هذه الوظيفة، وبالتالي نحن بحاجة إلى تناول الأطعمة التي تحتوي على فيتامين C مثل الحمضيات من أجل الوقاية من أمراض مثل الأسقربوط الذي ينتج بسبب عوز في الفيتامين C. لذا، إذا ما وضعنا جانبًا للحظة أي آثار مترتبة على الإنحدار من أسلاف مشتركة، فإن الحقيقة البسيطة المتمثلة في أننا نحن البشر لدينا جين متضرر وغير وظيفي لتخليق فيتامين C في جينومنا تشير إلى أنه في مرحلة ما في الماضي، كان البشر (أو أسلاف البشر) قادرين على إنتاج فيتامين C الخاص بهم.

يبدو أن هذه الحقيقة وحدها لا تشكل مشكلة كبيرة لمناصري الخلق المباشر. يمكنهم فقط أن يقولوا ”بالتأكيد، كان بإمكان البشر الأصليين إنتاج فيتامين C الخاص بهم، والآن لا يمكننا ذلك بسبب ’التطور‘ الذي حصل منذ هبوط أدم من السماء“، أو شيء من هذا القبيل. لأغراض هذه التدوينة سأقبل هذه الإجابة، ولن أخوض في التفاصيل حول كيف أن الجينات الزائفة المشتركة بين الجينات الزائفة في جين GULO توفر توقيعًا واضحًا على الإنحدار من سلف مشترك مع الرئيسيات الأخرى ذات الأنف الجاف Haplorhini ولكن إذا كنت مهتمًا يمكنك القراءة عن ذلك هنا.

في هذه التدوينة سأقوم بتوثيق بعض الأمثلة على الجينات الزائفة التي لن يرغب الخلقيون في قبولها بنفس السهولة، لأنها تشهد على تاريخ تطوري من التغيرات التطورية الكبرى التي ينكرها الخلقيون.

المستقبلات الشمية في الحيتان

الشم هو آلية حسية مهمة للبقاء على قيد الحياة. فهو يسمح للحيوانات بشم الفرائس، على سبيل المثال. يعمل الشم من خلال امتلاك الحيوان كما هائلا من المستقبلات الشمية في أنفه (أو الأعضاء المماثلة) – يمكن لكل مستقبل أن يكتشف مجموعة محددة من الجزيئات ويرسل إشارة عبر الخلايا العصبية الشمية ليفسرها الدماغ على أنها روائح. يؤدي ارتفاع عدد المستقبلات المميزة إلى القدرة على التمييز بين عدد أكبر من الروائح. تمتلك الثدييات بشكل خاص مجموعات واسعة من جينات المستقبلات الشمية في جينوماتها، وغالبًا ما يصل عددها إلى مئات أو حتى أكثر من 1000 جين. في الواقع، تشكل المستقبلات الشمية أكبر عائلة من الجينات في جينوم الثدييات. وتشمل هذه الأرقام المستقبلات الشمية الزائفة. على سبيل المثال، ما يقرب من 20% من جينات المستقبلات الشمية البالغ عددها 1300 مستقبل شمي في الفئران هي جينات زائفة، لم تعد تنتج بروتيناتها.

وسرعان ما تم الافتراض بأن نسبة الجينات الزائفة الشمية في جينوم الثدييات ترتبط بالقدرة الشمية الكلية والتعقيد التشريحي للجهاز الشمي لدى النوع، وقد وُجد أن هذا الافتراض حقيقي، وربما هذا غير مفاجئ. إذن، ربما كانت مجموعة من الثدييات قادرة على الشم بشكل أفضل في الماضي، فما المشكلة في ذلك؟

حسنًا، الحيتان هي من الثدييات، ومن الواضح من السجل الأحفوري وعلم الأنساب الجزيئي أن الحيتان (والحيتانيات الأخرى) تطورت من الثدييات الأرضية. من ناحية أخرى، يعتقد الخلقيون بالإجماع تقريبًا أن الحيتان هي ”نوع مخلوق“ بمفرده وبمعزل عن الأنواع الأخرى، وبالتالي لم يكن لها أي أسلاف أرضية.

الشكل 1 | العلاقات الفيلوجينية للحيتانيات الحية والمنقرضة. . مأخوذة من McGowen et all (2014).

والأهم من ذلك، تعمل مستقبلات حاسة الشم هذه في المقام الأول على اكتشاف الروائح المنقولة جواً، وهي قدرة ليست مفيدة بشكل خاص لمعظم الحيتان – ليس أثناء وجودها تحت الماء على أي حال. ولهذا السبب، ليس من المستغرب أن يكون لدى الحيتان البالينية جهاز شمي مختزل، بينما تفتقر الحيتان المسننة (الحيتان ذات الأسنان) إلى هذا الجهاز تمامًا.

وبناءً على هذه المعلومات يمكننا وضع تنبؤات لما يمكن توقعه في جينومات الحيتان عندما يتعلق الأمر بالمستقبلات الشمية لكل من النموذج التطوري ونموذج الخلق. فبما أن الخلق المباشر ينص على أن الحيتان خُلقت في الأصل في بيئاتها البحرية دون الحاجة إلى اكتشاف الروائح المنقولة جواً، فإن نموذج الخلق سيتنبأ بالتأكيد بأن الحيتان لم تُخلق بعدد كبير من جينات المستقبلات الشمية، وأن معظم تلك المستقبلات التي خُلقت بها لا تزال تعمل بطريقة ما.

وفي المقابل، يفترض النموذج التطوري أن أسلاف الحيتان كانت من الثدييات الأرضية التي كانت بحاجة إلى اكتشاف الروائح المنقولة جواً، وأن هذه القدرة فُقدت في الحيتان بمجرد تطورها لتتكيف مع نمط الحياة البحرية. لذلك يمكننا التنبؤ بوجود نسبة أعلى من المستقبلات الشمية الزائفة في الحيتان مقارنةً بالثدييات الأرضية التي لا تزال بحاجة إلى حاسة الشم. إن توليد تنبؤات كهذه أمر ضروري للنظرية العلمية، وتشكل التنبؤات الناجحة دليلاً قوياً لدعم النظرية.

واتساقًا مع التنبؤ التطوري، وجدت العديد من الدراسات التي فحصت جينات المستقبلات الشمية في الحيتان أن نسب الجينات الزائفة أعلى بكثير، من 74% إلى 100% في الحيثان المسننة odontocetes، ومن 29% إلى 54% في الحيثان البالينية mysticetes انظر (McGowen et al., 2014). قد لا يبدو الرقم الأخير مرتفعًا إلى هذا الحد، لكن تذكر أن الحيثان البالينية هي الحيتان التي يبدو أنها احتفظت ببعض الهياكل الشمية وبالتالي من المحتمل أن تحتفظ بقدر من حاسة الشم (وهو ما تؤكده الملاحظات السلوكية لها). ومن ناحية أخرى، فقدت حيتان المسننة أجهزتها الشمية تمامًا.

وتؤكد هذه البيانات العلاقة بين القدرة الشمية ونسبة الجينات الزائفة الخاصة بالمستقبلات الشمية التي تنبأ بها النموذج التطوري. وينطبق هذا النوع من الاتجاه أيضًا على فئات أخرى من الجينات المشاركة في حاسة الشم. فخلال الانتقال من اليابسة إلى الماء، فقدت الحيتان  المسننة odontocetes تدريجيًا القدرة غير الضرورية على اكتشاف الروائح المنقولة بالهواء، وذلك إلى حد كبير من خلال ألية ولادة الجنات الزائفة pseudogenization.

ولتبسيط الأمر قدر الإمكان: من الواضح أن أسلاف الحيتان القديمة كانت تمتلك أعداداً كبيرة من الجينات الوظيفية المرتبطة باكتشاف الروائح المحمولة جواً، مما يشير إلى أن هذه الأسلاف كانت من الثدييات البرية.

إضافة الى ذلك، فإن الطفرات الموجودة في هذه الجينات الزائفة للحيتان تتراكم بشكل محايد (بما أن التسلسل غير وظيفي)، وبالتالي فهي تمتلك إشارة واضحة جدًا على صلة القرابة بين هذه الحيتان التي يمكن لعلماء التطور استخدامها لإعادة بناء/تأكيد العلاقات الفيلوجينية للحيتان بشكل قوي (McGowen et al. 2008).

وترتبط هذه القصة بنا نحن البشر أيضًا، حيث أن ما يقرب من نصف جينات المستقبلات الشمية البشرية هي جينات زائفة أيضًا، ويُعتقد أن هذا نتيجة لاعتمادنا على الرؤية ثلاثية الألوان trichromatic vision أكثر في البحث عن الطعام وما إلى ذلك … أكثر من اعتمادنا على حاسة الشم. ويدعم ذلك حقيقة أن الرئيسيات ذات الرؤية ثلاثية الألوان تميل إلى امتلاك عدد أكبر من الجينات الزائفة الشمية مقارنةً بالرئيسيات الأخرى ذات الرؤية ثنائية اللون (ثنائية اللون) (Gilad et al., 2004).

جينات الأسنان في الطيور والسلاحف والثدييات عديمة الأسنان

المينا توجد بشكل أساسي في أسنان مجموعة متنوعة من أنواع الحيوانات الفقارية. بدلاً من الخوض في تفاصيل التاريخ المبكر للمينا ووظائفها في الأسماك، سأنتقل مباشرة إلى الكائنات رباعية الأطراف. لا حاجة للقول أن الأدلة الساحقة تشير إلى أن المينا كانت موجودة في أسنان السلف المشترك الأخير للثدييات، والطيور+الزواحف، والبرمائيات. هذا هو النموذج التطوري الراسخ الذي يمكن اختباره.

بالطبع، ليس كل رباعيات الأطراف الحالية لديها مينا على أسنانها – فبعضها لا يمتلك أسنانًا على الإطلاق! يؤدي هذا إلى استنتاج أنه خلال التاريخ التطوري، لا بد أن الأسنان المغطاة بالمينا قد فُقدت في بعض الأنواع. وبالتالي، كما هو الحال مع جينات الجهاز الشمي، يمكننا وضع توقعات بشأن العثور على جينات زائفة كانت تعمل سابقًا في إنتاج الأسنان المغطاة بالمينا في هذه الأنواع.

فيما يتعلق بالثدييات المشيمية مثلا، يشير Meredith et al. (2009) إلى ما يلي:

“معظم الثدييات المشيمية لديها أسنان مغطاة بالمينا، ولكن هناك أيضًا ثدييات عديمة الأسنان (مثل آكل النمل الحرشفي، وحيتان البالين، وآكلات النمل)، وثدييات بأسنان خالية من المينا (مثل الكسلان، والأرماديللو، وحيتان العنبر القزمة، وآكل النمل الأفريقي). بين الثدييات عديمة الأسنان، توجد أدلة على تطور براعم أسنان غير مكتملة في الحيتان البلينية، وآكل النمل الحرشفي، وآكلات النمل. تكون الأسنان البدائية أكثر تطورًا في الحيتان البلينية، ولكن المينا لا يتم ترسيبها، وتتحلل براعم الأسنان وتُمتص قبل الولادة (راجع المصدر [15]).”

لذا، حتى قبل البحث عن الجينات الكاذبة المتعلقة بالأسنان، لدينا أدلة من علم الأحياء النمائي تشير إلى أن هذه الأنواع تبدأ في تطوير الأسنان كأجنة، لكن هذه العملية تتوقف لاحقًا، مما يوفر دليلًا إضافيًا ممتازًا على أن هذه الثدييات عديمة الأسنان تنحدر من أسلاف كانت تمتلك أسنانًا. يمكنني كتابة مقال كامل عن هذه الأنواع من العودة التطورية (atavisms) في التطور (وربما سأفعل في المستقبل، على الرغم من أن مصادر أخرى غطت هذا الموضوع جيدًا بالفعل)، ولكن الآن دعونا نعود إلى الجينات الزائفة.

أمثلة أخرى خارج نطاق الثدييات تشمل الطيور والسلاحف، التي فقدت أسنانها التي كانت موجودة لدى أسلافها الزواحف، لصالح المنقار والهياكل الشبيهة بالمنقار . بينما قد لا يتفاجئ الخلقيون بفكرة امتلاك أسلاف أكلات النمل لأسنان وفقدانها مع مرور الوقت، أعتقد أنهم سيشعرون بشيء من التردد تجاه فكرة أن الطيور كانت تمتلك أسنانًا في الأصل. إذ إن هذا قد يعزز فكرة أن الطيور تنحدر من الديناصورات، وهو ما لا يمكن للخلقيين قبوله.

دعونا نسمح Meredith et al. (2009) بشرح نتائجهم بأنفسهم:

“نظرًا لهذا السجل التطوري، توقعنا أن الأنواع من الثدييات التي لا تمتلك أسنانًا أو التي تمتلك أسنانًا بدون مينا ستحتوي على نسخ من الجين الذي يرمز لبروتين المينالين (enamelin)، لكن على جين المينا في هذه الأنواع  أن يحتوي على طفرات تجعله جينًا زائفًا غير وظيفي. لاختبار هذه الفرضية، قمنا بتسلسل معظم منطقة ترميز الجين لبروتين المينالين (ENAM) في جميع مجموعات الثدييات المشيمية التي تفتقر إلى الأسنان أو التي تمتلك أسنانًا خالية من المينا. في كل حالة، اكتشفنا طفرات في جين المينالين تعطل إطار القراءة الصحيح الذي يرمز لبروتين المينالين. تربط نتائجنا التغيرات التطورية على المستوى الجزيئي بالتغيرات المورفولوجية في السجل الأحفوري، كما تقدم دليلًا على القوة التنبؤية الهائلة لنظرية تشارلز داروين حول الانحدار مع التعديل.”

بعد بضع سنوات من نشرهم لهذه الورقة التي ركزت على الثدييات المشيمية، قام الدكتور روبرت ميريديث وزملاؤه بالبحث عن نفس جين المينالين (ENAM)، بالإضافة إلى جينين آخرين مرتبطين بتطوير الأسنان المغطاة بالمينا، هما أميلاوبلاستين (AMBN) وأميلاوجينين (AMEL)، في جينومات الطيور والسلاحف (ومرة أخرى في الثدييات المشيمية): Meredith et al. (2013).

كما كان متوقعًا، وجدوا نسخًا زائفة لواحد أو جميع هذه الجينات في جينومات الأنواع التي درسوها من الطيور والسلاحف. كانوا قادرين أيضا على تحديد الطفرات المسببة للتعطيل بدقة ورسمها على شجرة تطورية لإظهار الترتيب المحتمل لهذه الطفرات المسببة للتعطيل (الشكل 2).

الشكل 2 | تطور النشوء والتطور مع الطفرات المعطلة المستنتجة لجينات بروتين مصفوفة المينا. مأخوذة من Meredith et al. (2013).

اقتباس من استنتاجهم:

لقد تطور فقدان الأسنان (Edentulism) بشكل مستقل في عدة سلالات من السلويات الحية، بما في ذلك السلاحف والطيور وآكلات النمل الشوكية وحيتان البالين وآكلات النمل وآكلات النمل الحرشفية. هناك أيضًا ثدييات بأسنان خالية من المينا، مثل حوت العنبر القزم، وحوت النروال، والكسلان، والأرماديللو، وآكل النمل الأفريقي. في كل حالة، تنحدر هذه الكائنات عديمة الأسنان أو التي تمتلك أسنانًا خالية من المينا من أسلاف كانت تمتلك أسنانًا مغطاة بالمينا. بالتالي، يوفر تنوع الزواحف البرية “مختبرًا طبيعيًا” لاختبار الفرضيات المتعلقة بوظائف الجينات الخاصة بالأسنان. علاوة على ذلك، يشمل هذا المختبر تجارب مكررة متعددة. يُعتقد أن الجينات AMBN وAMEL وENAM لها وظائف خاصة بالأسنان أو حتى خاصة بالمينا، على الرغم من أن الوظائف المتعددة (pleiotropic) قد اقترحت لبعض هذه الجينات، مثل AMBN وAMEL. يشير الانتشار الواسع للجينات الزائفة للبروتينات الخاصة بالمينا (EMP) في السلاحف والطيور والعديد من سلالات الثدييات إلى دليل قوي على أن الوظيفة الفريدة وغير القابلة للاستبدال لهذه الجينات في السلويات هي تكوين المينا. لم تُحتفظ النسخ الوظيفية من هذه الجينات عن طريق الانتقاء الطبيعي عندما توقفت عملية إنتاج المينا بشكل مستقل في سلالات بعيدة الصلة. في المقابل، تحتفظ الكائنات ذات الأسنان المغطاة بالمينا بتسلسلات ترميز سليمة لجينات AMBN وAMEL وENAM.

يوفر تطور فقدان الأسنان في سلالات متعددة من الزواحف البرية نظامًا نموذجيًا لدمج السجل الأحفوري مع علم تطور السلالات (phylogenetics) وعلم الجينوم. يتيح هذا النظام اختبار الفرضيات بشكل متبادل، كما يقدم رؤية شاملة ومتكاملة حول الانتقالات التطورية الكبرى في السلاحف والطيور والثدييات عديمة الأسنان أو ذات الأسنان الخالية من المينا. يتنبأ السجل الأحفوري و علم تطور السلالات بوجود “حفريات جزيئية” لجينات مرتبطة بالأسنان في جينومات السلويات عديمة الأسنان أو ذات الأسنان الخالية من المينا، وقد تم اكتشاف هذه “الحفريات الجزيئية” في جميع السلالات التي تم التحقيق فيها.”

تعليق:
هذا يمثل دليلًا واضحًا على أن الطيور والسلاحف والثدييات عديمة الأسنان تطورت من أسلاف كانت تمتلك أسنانًا مغطاة بالمينا، وهو ما يتطابق مع التوقعات المستندة إلى السجل الأحفوري والعلم الوراثي.

التحديثات:

التحديث الأول: بعد يوم من نشر هذه المقالة، تم نشر تجميعات الجينوم الخاص بآكل النمل الحرشفي الصيني والملايي (عديم الأسنان) في مجلة Genome Research من قبل (Choo et al., 2018)، وتم تحديد نسخ زائفة من الجينات ENAM وAMEL وAMBN، بينما كان الجين ENAM فقط معروفًا بأنه زائف في هذه الكائنات سابقًا (Meredith et al.، 2009).

التحديث الثاني: كتب جويل داف منشورًا على مدونته يناقش النتائج التي توصلت إليها ورقة نشرت في 2014 بواسطة (Meredith et al., 2014). حول انتشار الجينات الزائفة المرتبطة بالأسنان في الطيور. منشور المدونة والورقة العلمية يستحقان القراءة.

التحديث الثالث: نشر بحث رائع في هذا الموضوع بواسطة Springer et al. (2019) درس فيه الباحثون 165 نوعًا من الثدييات المشيمية، بما في ذلك 19 نوعًا تفتقر إلى الأسنان المغطاة بالمينا أو تفتقر الى الأسنان تمامًا، ووجدوا أن جميعها تحتوي على نسخ كاذبة من الجين ODAM، المعروف بدوره في تطوير الأسنان. المقدمة غنية بالمراجع التي تغطي المزيد من الأبحاث المماثلة.

التعليقات والاستفسارات مرحب بها!

هذا المقال منقول ومترجم من مدونة EvoGrad.