من حظيرة سفينة إلى سفينة نوح في الصحراء

إن إعادة الأنواع المهددة بالانقراض إلى الحياة، واستنساخ الحيوانات، والقهوة سريعة التحضير، ومحصول البطاطس في الإنكا القديمة، كلها أمور مرتبطة في البحث الرائع الذي أجراه البروفيسور أمير عرب

نصف أنواع الثدييات المعروفة في العالم والبالغ عددها 5,416 نوعًا معرضة لخطر الانقراض. وفي القرن الماضي، زاد معدل انقراض مختلف أنواع الحيوانات، بما في ذلك الثدييات، 100 مرة ليصل إلى 1,000 مرة ضعف المعدل الطبيعي. إذن ما الذي يمكن فعله للحفاظ على التنوع البيولوجي على الأرض؟ هذا هو بالضبط السؤال الذي يحاول الإجابة عليه البروفيسور أمير عرب، من مدير البحوث الزراعية في رحوفوت.

وفي حديثي مع الأستاذ عرب ظهرت عدة طرق: الحفاظ على الموائل الطبيعية للحيوانات المهددة بالانقراض حتى تتمكن من التكاثر فيها، والهجرة الاصطناعية أي نقل الحيوانات المعرضة للخطر من منطقة جغرافية إلى أخرى أو تلقيح الإناث صناعيا في الأنواع التي يبلغ عدد سكانها ليست كبيرة بما يكفي للتكاثر الطبيعي. الاتجاه الآخر هو الحفاظ على خلايا الحيوانات المنوية والبويضات المخصبة للحيوانات في "بنك الخلايا" لإعادتها إلى عالمنا في حالة انقراضها.

التجميد هو وسيلة شائعة للقيام بذلك. فعلى سبيل المثال، تخزن «حديقة الحيوان المجمدة» في سان دييغو بولاية كاليفورنيا في منشأة خاصة المادة الوراثية لـ350 نوعا من الثدييات والطيور والزواحف. يعتبر التجميد عند درجة حرارة النيتروجين السائل فعالا جدا في حالات مثل الحفاظ على قطع من الجلد المعدة للزرع، وخلايا الحيوانات المنوية وحتى الأجنة الصغيرة، والتي هي في الواقع مجموعات من 8 خلايا تتكون من انقسام البويضات بعد الإخصاب. إن الحفظ بهذه الطريقة مع مرور الوقت يعد مكلفًا للغاية، لأنه يتطلب صيانة مستمرة، وينطوي على مخاطر انقطاع التيار الكهربائي وارتفاع درجات الحرارة بشكل غير متوقع وعدم كفاية الإشراف. وبصرف النظر عن ذلك، فإن هذه الطريقة ليست مناسبة لحفظ البويضات غير المخصبة، والتي تعتبر ضرورية للتخصيب الاصطناعي للحيوانات.

وهنا تظهر الصورة طريقة أخرى مبتكرة للحفظ تجيب على هذه المشاكل، ويتناولها الأستاذ عرب: التجفيف بالتجميد. ويأتي الإلهام لهذه الطريقة، من بين أمور أخرى، من البطاطس التي تم تجفيفها بالكامل بعد تجميدها في الجليد والهواء الجاف البارد للجبال فوق ماتشو بيتشو، عاصمة الإنكا في بيرو، وبقيت حيوية بعد مئات السنين. كما أن بذور التمر الجاف التي يبلغ عمرها ألفي عام، والتي تم العثور عليها خلال الحفريات في مسعدة، نبتت بنجاح عند تعرضها للماء. لذلك يعد الجفاف شرطًا مهمًا للغاية للحفاظ على الخلايا، وإذا قمت بتجفيفها في درجة حرارة منخفضة، يمكنك إغلاقها في قارورة زجاجية، وإعادتها إلى درجة حرارة الغرفة ووضع القارورة على الرف. تستخدم صناعة المواد الغذائية التجفيف بالتجميد لفترة طويلة، من بين أشياء أخرى في إنتاج حبوب القهوة سريعة التحضير.

فكرة حفظ البويضات، المخصبة أو غير المخصبة، بالتجفيف بالتجميد، خطرت في ذهن أمير عرب حتى قبل أن ينخرط في بحث الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي. عندما كان شابًا شقيًا في طبريا، كان العرب يعتقدون أن الدراسة مضيعة للوقت. والأفضل قضاء الوقت في العمل في الحظيرة وفي حقول جارة التي كان جدها من مؤسسيها ومحل ميلاد والده. وعندما تحول مع ذلك إلى الدراسات الأكاديمية، بعد فوزه بجائزة أطروحته في المدرسة الثانوية في مجال علم الأحياء وبعد إكمال الخدمة العسكرية في المظليين، بالطبع، كما يليق بأحد أفراد عائلة زراعية، التفت إلى كلية الزراعة. زراعة. وكان الاستمرار الطبيعي هو الدراسات البيطرية في إيطاليا، والتي تعرض خلالها لموضوع تجميد الأجنة. وحتى لو لم تكن درجة الدكتوراه في الهندسة الطبية في بيركلي بكاليفورنيا بالضرورة استمرارًا مقبولاً للدراسات البيطرية، فقد أدرك أمير عرب أنه إذا أراد الانخراط في حفظ البويضات والأجنة من خلال التجفيف بالتجميد، فيجب عليه التخصص في الفيزياء، وبشكل أدق. في الديناميكا الحرارية، وفهم عميق للعمليات التي تنطوي عليها تجميد وتجفيف الأنسجة الحية.

إن انخفاض درجة حرارة الخلايا الحية يسبب ضررين: أحدهما ناجم عن شذوذ الماء المعروف. يزداد حجم الماء المتجمد، وبالتالي قد تتضرر الخلايا بسبب الضغط الميكانيكي. أما الضرر الآخر، الذي لا يقل خطورة، فهو ناتج عن بلورات ثلجية صغيرة تتشكل داخل الخلية، فتدمر أغشيتها وتسبب موتها.

وفي الطبيعة، تكون خلايا جسم الأسماك التي تعيش في المياه الباردة تحت الجليد في منطقة القطب الجنوبي، على سبيل المثال، غنية بالبروتينات التي تسمى "البروتينات المضادة للتجمد". وكان يُعتقد قديماً أن الوظيفة الأساسية لهذه البروتينات هي منع تجمد الماء الموجود في الخلية، على غرار إضافة مادة جلايكول الإثيلين إلى مياه تبريد السيارات في البلدان الباردة. تمكن أمير عرب من حفظ البيض في درجة حرارة منخفضة بعد نقعه في البروتينات المضادة للتجمد. واكتشف أن النجاح في الواقع لم يكن بسبب منع التجمد ولكن بسبب حقيقة أن البروتينات المضادة للتجمد حافظت على بنية الأغشية. لقد واجه العالم العلمي صعوبة في قبول الفكرة، ولكن تبين أن الأغشية تتضرر بالتبريد حتى لو لم تصل إلى درجة التجمد، لذا فإن دور هذه البروتينات أساسي حتى فوق درجة الصفر المئوي. هناك سبب مماثل يسهل أيضًا الحفاظ على خلايا الحيوانات المنوية في حالة التجميد: خلايا الحيوانات المنوية غنية بالكوليسترول الذي يحافظ على بنية الأغشية بطريقة مشابهة للبروتينات المضادة للتجمد.

إن نجاح أمير عرب في الحفاظ على البنية الغشائية للخلايا البويضية، كجزء من عمله بعد الدكتوراه في مختبر البروفيسور جون كرو في جامعة كاليفورنيا، ديفيس، فتح الطريق أمام الحفظ من خلال التجفيف بالتجميد. وهذه هي الطريقة التي تعمل بها الطريقة: أولاً، تتم حماية أغشية الخلايا بالبروتينات المناسبة، ويتم تبريد الخلايا على الفور وبسرعة مع تقليل الضغط بشكل كبير في غرفة التجميد. يسمح انخفاض الضغط للمياه المجمدة بالانتقال مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية وينخفض ​​محتوى الماء من 90% إلى 40% وحتى أقل من ذلك. وإذا تمت العملية في ظل الظروف المناسبة تحافظ الخلايا على حيويتها.

عند عودته إلى إسرائيل قبل 15 عامًا، أسس البروفيسور عرب شركة IMT التي تصنع جهازًا يسمى Vitmaster، والذي يتيح التزجيج السريع (تحويل السائل إلى مادة صلبة بدون تكوين). ويقوم الجهاز بتبريد العينة من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة 208 درجة مئوية تحت الصفر في عُشر ثانية فقط - بمعدل تبريد يبلغ 50,000 ألف درجة مئوية في الدقيقة، وهو أسرع تبريد معروف اليوم.

إن إنقاذ البويضة غير المخصبة بشكل فعال وآمن قد يكون له عواقب بعيدة المدى في علاجات الخصوبة البشرية والحيوانية. على سبيل المثال، سيسمح هذا للنساء بحفظ البويضات قبل العلاج الكيميائي أو حتى قبل استئصال الثدي، وسيمهد الطريق لبنك البيض. ولكن هل هناك وصفة هنا للحفاظ على المجموعات المنقرضة مثل مجموعة النمور في عين جدي؟

تم تصميم مشروع "سفينة نوح المجففة" (سفينة نوح المجففة - DNA) في مزرعة الظباء بالقرب من موشاف تسوبر في العربة لهذا الغرض بالضبط. يركز البروفيسور عرب وفريقه على عينات الخلايا الصندوقية التي تم تجفيفها بالتجميد، وإغلاقها في قوارير وتخزينها في درجة الحرارة المحيطة. هدف المشروع هو الحفاظ على التراث الجيني للأنواع الإسرائيلية المهددة بالانقراض، مثل الهرود، والديشان وحتى النمر. في الصندوق، لا يتم الحفاظ على خلايا الحيوانات المنوية أو البويضات فحسب، بل يتم أيضًا الحفاظ على الخلايا الطبيعية من جسم الحيوان النادر. إن استنساخ الخلايا، بالتقنيات التي تم تطويرها بعد استنساخ النعجة دوللي، وإدخال الجنين المستنسخ في رحم أم بديلة من نوع قريب، يجعل من الممكن إنجاب الأطفال حتى بعد انقراض هذا النوع. . كل ما يجب القيام به قبل الاستنساخ هو إضافة الماء. بل إنه من الممكن استخدام خلايا مأخوذة من جثث الحيوانات بعد وقت قصير من وفاتها.

ولكن حتى إمكانية استنساخ النمور ووحيد القرن والحيتان باستخدام خلاياها المجففة لن تكون مفيدة إذا كان عدد الأفراد من أي نوع محدودا للغاية. لن يتمكن نمر واحد في صحراء يهودا، أو حتى زوج واحد من النمور، من التكاثر وإنشاء مجموعة صحية وراثياً. ولذلك قام الدكتور يهودا عرب، ابن شقيق أمير عرب، بتطوير نموذج رياضي يجعل من الممكن حساب العدد اللازم من الأفراد والنسبة بين عدد الإناث وعدد الذكور مما يزيل خطر الانقراض من نسبة معينة صِنف.
وباعتباري أحد المحاورين، بقي لدي سؤال واحد دون إجابة: "كيف يتم جمع خلايا الحيوانات المنوية والبويضات من الحيتان؟

الدكتورة ديبورا جاكوبي هي عضو في الهيئة التعليمية في حمادة، مركز التعليم العلمي في تل أبيب، ومحررة علمية في ساينتفيك أمريكان إسرائيل.