نظرة إلى عين السمكة

تتمتع قزحية الزرد ببنية بلورية فريدة لها وظيفة مزدوجة: التمويه ومنع دخول الضوء غير المرغوب فيه. إن فهم الطريقة التي تتحكم بها الأسماك في تطور القزحية قد يساعد في علاج أمراض مثل النقرس أو حصوات الكلى

اعترف والد نظرية التطور، تشارلز داروين، بكل تواضع أن تطور عضو معجزة مثل العين كان بمثابة لغز في عينيه. نحن نعلم اليوم أن هذه معجزة من بين العديد من المعجزات: لقد "خلق" التطور العديد من أنظمة الرؤية المتنوعة، والتي يتحدى الكثير منها تعقيد أعيننا. تركز دراسة جديدة أجراها علماء معهد وايزمان للعلوم، ونشرت مؤخرًا في المجلة العلمية Advanced Science، على أحد أنظمة الرؤية المتطورة، وتوضح الدقة والتعقيد الكبيرين اللذين تطورا في قزحية سمك الزرد.

قام الدكتور دفير جور بدراسة النظام البصري لسمكة الزرد كجزء من دراسة ما بعد الدكتوراه التي جمعت اثنين من علماء المعهد - البروفيسور جيل ليبكوفيتش من قسم البيولوجيا الجزيئية للخلية، والبروفيسور دان أورون من القسم فيزياء الأنظمة المعقدة: يدرس البروفيسور ليبكوفيتش تطور الجهاز العصبي لسمك الزرد، ويتخصص البروفيسور أورون في المواد التي تمتص الضوء وتشتته. ومن خلال مجموعة من القوى، تمكن الباحثون من اكتشاف كيفية بناء الطبقة الخارجية الفضية لعين السمكة، وكيف تعمل. يقول الدكتور جور: "إن القزحية، سواء عندنا أو عند الزرد، تحجب الضوء الذي يصل إلى العين، باستثناء الأشعة التي تمر عبر بؤبؤ العين إلى العدسة والشبكية". "تحتوي قزحية أعيننا على صبغة الميلانين التي تمتص الضوء، كما أن تركيزها في القزحية يحدد لون العين. من ناحية أخرى، في سمكة الزرد، تعكس القزحية ضوءًا مشابهًا للمرآة، وفي هذه العملية تخفي أيضًا عيون السمكة التي تبرز من جانبي رأسها. أردنا أن نفهم كيف تؤدي القزحية كلتا الوظيفتين، أي حجب الضوء غير المرغوب فيه والتمويه.

ولتحقيق هذه الغاية، استخدم الباحثون لأول مرة نظام التصوير المقطعي المحوسب (microCT) في المعهد، وساعدهم في هذا الأمر عالم الكلية الدكتور والد برومفيلد. هذه هي الطريقة التي أرادوا بها الحصول على صورة شاملة لبنية العين. وفي وقت لاحق، ركز الباحثون على أجزاء من القزحية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (cryo-SEM). وتوقع الباحثون العثور على طبقة من بلورات الجوانين، وهي المادة التي تستخدم أيضًا كأحد اللبنات الأساسية للحمض النووي. عندما يكون الجوانين في شكله البلوري، فإنه يكون شفافًا، لكن صفائح الجوانين البلورية الرقيقة، مرتبة في طبقات، تعكس الضوء، وعادةً ما تخلق مظهرًا فضيًا أو مضيئًا. توجد في الأسماك، في جلدها وقشورها، بلورات الجوانين، ويتم إنتاجها بواسطة خلايا خاصة تسمى حامل القزحية.

وهكذا، ووفقًا لتوقعاتهم، وجد الباحثون أن الطبقة الخارجية للقزحية مرصوفة بالفعل ببلورات الجوانين الرقيقة. ومع ذلك، فوجئوا باكتشاف طبقتين إضافيتين: طبقة وسطى تتكون من بلورات غير منتظمة، وطبقة داخلية رقيقة جدًا تحتوي على الميلانين، وهو نفس الصبغة الممتصة للضوء الموجودة في قزحية العين البشرية. يمكن لكل طبقة من هذه الطبقات بمفردها أن تمنع تسليط الضوء غير المركز على شبكية العين. وإذا كان الأمر كذلك، فما هو المنطق التطوري في وجود الثلاثة معًا؟ ساعدت عمليات المحاكاة الحاسوبية والقياسات البصرية، التي تم إجراؤها بالتعاون مع عمري بار إيلي من مجموعة أبحاث البروفيسور أورون، العلماء على اكتشاف الإجابة. تعكس الطبقة الخارجية والمنظمة الضوء بشكل رئيسي بأطوال موجية زرقاء وخضراء. هذه بالطبع هي الأطوال الموجية الرئيسية للضوء تحت سطح الماء، وهي الأكثر ملاءمة لتمويه عين السمكة. تعمل الطبقة الثانية على تشتيت الضوء، أما الطبقة الثالثة، الموجودة في الجزء الداخلي من القزحية، فتعمل كنوع من "الشاشة السوداء" التي تمتص أشعة الضوء التي تمكنت من التسلل عبر الطبقتين الأخريين.

أضافت الملاحظات حول تطور القزحية طوال حياة السمكة طبقة أخرى لفهم كيفية عمل العيون. واكتشف الباحثون أنه بعد أيام قليلة فقط من فقس الزريعة من البيضة، تظهر الطبقة البلورية المنتظمة للقزحية، بينما تتطور الطبقة المضطربة في وقت لاحق فقط. أشارت عمليات المحاكاة الحسابية التي أجراها الباحثون إلى أن طبقة رقيقة من البلورات يمكنها حجب الضوء أكثر بثلاث مرات من طبقة الميلانين ذات السماكة المماثلة. ولذلك، فإن هذه الطبقة مفيدة بشكل خاص للعيون الصغيرة لأسماك المنوة حديثة الولادة، والتي يجب أن تميز بسرعة بين الحيوانات المفترسة والفريسة، حيث تستمر عيونها في التطور بوتيرة سريعة.

ومن أجل تعميق التعرف على عين السمكة وفحص بنية قزحيتها، سافر الباحثون إلى سويسرا لفحصها في مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF). يشرح البروفيسور أورون: "إن التركيز على مقياس النانومتر والمسح السريع للغاية باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية السنكروترونية سمح لنا بالحصول على صورة للقزحية بأكملها، وليس فقط أجزاء منها، بدقة مذهلة." وبالتعاون مع الدكتور جان ديفيد نيكولا، من جامعة غوتنغن في ألمانيا، قام الفريق البحثي بتحليل كمية هائلة من بيانات المسح، واكتشفوا مفاجأة أخرى: "البلاطات" البلورية في الطبقة الخارجية - وهي رفيعة وطويلة سداسية الشكل. - كما لو أنها موضوعة بواسطة يدي مُسلسِل رئيسي على كامل الطول، عندما تكون جميعها في مكان واحد بدقة، وتتغير زاويتها مع انحناء العين. وبهذه الطريقة تبدو القزحية بأكملها باللون الفضي، وفي الوقت نفسه تحمي أيضًا حواف العين والمناطق الأقرب للعدسة من أشعة الشمس القادمة من الأعلى.

يقول الدكتور جور، الذي يجري حاليًا أبحاثًا إضافية لمرحلة ما بعد الدكتوراه في حرم جينيليا التابع لمعهد هوارد هيوز الطبي والمعاهد الوطنية للصحة (NIH) في الولايات المتحدة، إن هذه النتائج لها أهمية بالنسبة للبشر أيضًا. وهو يختبر هذه الأيام ما إذا كان فهم الطريقة التي تتحكم بها الأسماك في تطور البلورات في عيونها وجلدها قد يساعد في علاج أمراض مثل النقرس أو حصوات الكلى، حيث تتشكل بلورات من مادة مماثلة (حمض البوليك) في الأماكن التي تتواجد فيها. غير مرغوب فيه. يقول الدكتور جور: "في بعض الأحيان، قد تمهد الحلول التطورية القديمة الطريق لحلول جديدة".

ويختتم البروفيسور ليبكوفيتش قائلاً: "لقد تطلب الأمر وجود عالم كيمياء هيكلية، وعالم أحياء، وعالم فيزياء، ومجموعة من الأساليب المختلفة والمتنوعة للوصول إلى نتائج هذا البحث". "لولا كل واحد منهم، لم نكن لنتمكن من فهم تطور هذا النظام المعقد."

ويبلغ طول سمكة الزرد التي تفقس من البيضة بعد 72 ساعة من التلقيح 3.5 ملم.