تحقیقات علمی: راز هوش سرشار اختاپوس‌ها در ساختار ژنتیکی آن‌ها نهفته است

دانشمندان مکانیسم ژنتیکی شگفت‌انگیزی را کشف کرده‌اند که ممکن است به توضیح چگونگی تکامل هوش و سیستم‌های عصبی پیچیده اختاپوس‌ها، اسکوئیدها و کلاه ماهی‌ها کمک کند. منبع: Shutterstock

محققان در دانشگاه وین دریافتند که یک سازماندهی گسترده از DNA صدها میلیون سال پیش، مناطق ژنتیکی که قبلاً از هم جدا بودند را به یکدیگر نزدیک کرد. این اتصالات جدید که ایجاد شدند، نحوه تعامل و کنترل ژن‌ها را تغییر دادند و به طور بالقوه به تکامل سیستم‌های عصبی به طور غیرمعمول پیچیده در این حیوانات، که به طور جمعی به عنوان سرپایان کلوئیدی شناخته می‌شوند، کمک کردند.

یافته‌ها، که در Nature Communications منتشر شده است، نشان می‌دهد که ساختار فیزیکی DNA ممکن است نقش فعال‌تری در تکامل نسبت به آنچه دانشمندان تصور می‌کردند داشته باشد.

نحوه تأثیر ساختار سه‌بعدی DNA بر تکامل

برای بررسی این احتمال، تیم تحقیقاتی سازماندهی سه‌بعدی ژنوم را در اختاپوس‌ها، اسکوئیدها و کلاه ماهی‌ها بازسازی کرد. آن‌ها سپس چیدمان DNA را با الگوهای فعالیت ژن مقایسه کردند تا درک کنند که چگونه تغییرات در ساختار ژنوم ممکن است بر پیچیدگی بیولوژیکی تأثیر بگذارد.

دکتر تئا راجرز، نویسنده اصلی این پژوهش، گفت: «ژنوم فقط یک توالی از ژن‌ها نیست. این به یک ساختار سه‌بعدی پیچیده تا شده است. درک چگونگی تکامل این ساختار به طور فزاینده‌ای برای درک چگونگی ظهور اشکال جدیدی از پیچیدگی بیولوژیکی مهم است.

اگرچه DNA اغلب به عنوان یک نردبان بلند و پیچ خورده به تصویر کشیده می‌شود، اما به سادگی در داخل سلول کشیده نمی‌شود. در عوض، به یک چیدمان سه‌بعدی پیچیده تا می‌شود و به بخش‌هایی که در امتداد توالی DNA از هم دور هستند اجازه می‌دهد تا از نظر فیزیکی به یکدیگر نزدیک شوند.

این اتصالات مهم هستند زیرا می‌توانند بر اینکه کدام ژن‌ها فعال می‌شوند، چه زمانی استفاده می‌شوند و با چه قدرتی عمل می‌کنند تأثیر بگذارند. تغییرات در نحوه تا شدن DNA می‌تواند بنابراین فعالیت ژن را بدون تغییر ضروری در دستورالعمل‌های ژنتیکی اساسی تغییر دهد.

یک تغییر ژنتیکی باستانی اتصالات ژنتیکی جدیدی ایجاد کرد

محققان شواهدی را یافتند که ژنوم‌های سرپایان یک دوره گسترده از سازماندهی مجدد صدها میلیون سال پیش را تجربه کرده‌اند. در طول این آشفتگی تکاملی، بخش‌های بزرگی از مواد ژنتیکی دوباره مرتب شدند و مناطقی از کروموزوم‌ها که قبلاً از هم جدا بودند را به مجاورت نزدیک آوردند.

این تغییر ترتیب فرصت‌هایی را برای تعامل مناطق DNA به روش‌هایی که قبلاً امکان‌پذیر نبود ایجاد کرد. هنگامی که این اتصالات شکل گرفتند، می‌توانستند فعالیت یکدیگر را تحت تأثیر قرار دهند و به تدریج شبکه‌های پیچیده‌تری از تنظیم ژن ایجاد کنند.

در طول زمان تکاملی، این تعاملات می‌توانند به طور فزاینده‌ای به هم پیوند بخورند و جدا کردن آن‌ها دشوار شود و فرآیندی را ایجاد کنند که دانشمندان آن را «درهم‌تنیدگی نظارتی» می‌نامند.

این مکانیسم می‌تواند توضیحی برای چگونگی تولید ویژگی‌های بیولوژیکی جدید توسط تکامل بدون مختل کردن عملکردهای ضروری که ارگانیسم‌ها برای زنده ماندن به آن نیاز دارند، ارائه دهد. با ایجاد اتصالات جدید بین عناصر ژنتیکی موجود، ژنوم ممکن است الگوهای مختلفی از فعالیت ژن ایجاد کند در حالی که سیستم‌های بیولوژیکی حیاتی را دست نخورده نگه می‌دارد.

ساختارهای پایدار DNA و حلقه‌های ژنتیکی انعطاف‌پذیر

یکی از مهم‌ترین یافته‌های این مطالعه این بود که قسمت‌های مختلف ژنوم به طور متفاوتی به سازماندهی مجدد تکاملی پاسخ می‌دهند.

محققان دریافتند که مناطق ساختاری بزرگ به نام دامن‌های کروماتین برای دوره‌های طولانی از تاریخ تکامل به طور قابل توجهی پایدار مانده‌اند. این دامن‌ها به سازماندهی DNA به بخش‌های گسترده‌ای در داخل سلول کمک می‌کنند و پایدگی آن‌ها نشان می‌دهد که برخی از ویژگی‌های معماری ژنوم به شدت حفظ می‌شوند.

ساختارهای کوچک‌تری که به نام حلقه‌های کروماتین شناخته می‌شوند، با این حال، داستان متفاوتی را بازگو کردند.

این حلقه‌ها زمانی شکل می‌گیرند که بخش‌های دور از هم DNA در فضای سه‌بعدی به یکدیگر نزدیک شوند. بر خلاف دامن‌های کروماتین نسبتاً پایدار، حلقه‌ها تفاوت‌های قابل توجهی بین گونه‌های سرپایان، بین بافت‌ها و در طول مراحل رشد نشان دادند.

موقعیت آن‌ها به ویژه جالب بود. بسیاری از این اتصالات انعطاف‌پذیر DNA در نزدیکی ژن‌های مرتبط با ویژگی‌های مهم سرپایان، از جمله توسعه و عملکرد سیستم عصبی ظاهر شدند.

این الگو نشان می‌دهد که ساختارهای کوچک‌تر و سازگارتر در ژنوم ممکن است به تغییرات ژنتیکی عمده پاسخگوتر باشند. با تغییر اینکه کدام مناطق DNA می‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، این اتصالات انعطاف‌پذیر می‌توانند به ایجاد الگوهای جدیدی از فعالیت ژن و کمک به تکامل ویژگی‌های پیچیده کمک کنند.

سرنخ جدیدی برای تکامل هوش اختاپوس‌ها

این یافته چالش‌هایی را برای دیدگاه سنتی معماری ژنوم به عنوان چیزی که عمدتاً در پاسخ به تکامل تغییر می‌کند، ایجاد می‌کند. در عوض، یافته‌ها نشان می‌دهد که سازماندهی فیزیکی DNA می‌تواند خود بر چگونگی شکل‌گیری تغییرات تکاملی تأثیر بگذارد.

در اختاپوس‌ها، اسکوئیدها و کلاه ماهی‌ها، تغییرات باستانی در ژنوم ممکن است به ایجاد شبکه‌های نظارتی جدیدی کمک کرده باشد که به توسعه سیستم‌های عصبی آن‌ها به طور استثنایی پیچیده کمک کرده است.

نتایج نشان نمی‌دهد که این تغییرات DNA مستقیماً باعث تکامل هوش سرپایان شده است. با این حال، آن‌ها یک مکانیسم بالقوه را نشان می‌دهند که از طریق آن تغییرات ژنتیکی بزرگ می‌توانند امکانات بیولوژیکی جدیدی ایجاد کنند در حالی که عملکردهای ضروری را حفظ می‌کنند.

به طور گسترده‌تر، این تحقیق به ابعادی نادیده گرفته شده از تکامل اشاره دارد. ظهور ویژگی‌های خارق‌العاده ممکن است نه تنها به ژن‌هایی که یک ارگانیسم به ارث می‌برد، بلکه به نحوه چیدمان و اتصال فیزیکی آن ژن‌ها در داخل سلول نیز بستگی داشته باشد.