لتطوير الأنماط البيولوجية، حتى أبسطها، لا يلزم سوى القليل من الضوضاء

تعاون الفيزيائيون وعلماء الأحياء لإظهار كيفية تطور أصابع الجنين، وكيف تتكون خطوط الحمار الوحشي؟ أحد النماذج التي حاولوا من خلالها تفسير تطور الأنماط البيولوجية المعقدة، من لبنات بناء بسيطة

كيف تتطور أصابع الجنين وكيف تتكون خطوط الحمار الوحشي؟ ومن النماذج التي حاولوا من خلالها تفسير تطور الأنماط البيولوجية المعقدة، من لبنات بناء بسيطة، كان نموذج عالم الرياضيات البريطاني آلان تورينج. في نموذج تورينج، كل خلية في الجنين النامي "تعرف" ما يجب فعله عن طريق استشعار الخلايا الأخرى في بيئتها. دراسة نشرت مؤخرا من قبل علماء من معهد وايزمان للعلوم وشركائهم في البحث Mجامعة فلورنسا، يوضح أن تحويل نموذج تورينج الأنيق إلى "صاخب" قد يفسر الحالات التي لا يتنبأ فيها النموذج الكلاسيكي بتكوين أنماط النمو. تضيف نتائج البحث إلى مجموعة متزايدة من الأدلة على أن الضوضاء لا تتداخل مع تطور النظم البيولوجية فحسب، بل إنها عنصر أساسي في هذه الأنظمة.

البروفيسور جويل ستيفنز من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في المعهد، كان يبحث عن نظام نموذجي تجريبي يسمح له بفحص الأسئلة الأساسية في إنشاء الأنماط التنموية. "في النظام النموذجي المثالي، من الممكن دراسة كل خلية في كل مرحلة نمو باستخدام عدد محدود من المعلمات ومستوى عالٍ من التحكم. ولذلك، فإن الأجنة البشرية ليست مناسبة لهذا الغرض، حيث يتم إنشاء قوالبها من مئات أنواع الخلايا المختلفة. ذباب الفاكهة، وهو نظام نموذجي آخر شائع الاستخدام في الأبحاث التنموية، لديه حوالي 60 نوعًا مختلفًا من الخلايا. ولأغراض بحثنا كنا بحاجة إلى نموذج بيولوجي على نطاق أصغر بكثير. ولحسن الحظ، وجدنا النظام الذي كنا نبحث عنه في بعض البكتيريا الزرقاء متعددة الخلايا."

البكتيريا الزرقاء هي مجموعة من المخلوقات التي تنتمي إلى مملكة البكتيريا في الطبيعة. قبل فترة طويلة من تطور الغطاء النباتي على الأرض، قامت هذه المخلوقات بإثراء كمية الأكسجين في الغلاف الجوي وتثبيت النيتروجين الضروري لوجود النباتات والحيوانات. ووفقا للبروفيسور ستيفنز، فإن أهم ما يميز هذه المخلوقات هو بساطتها: فهي مكونة من نوعين أساسيين من الخلايا مرتبة في سلسلة. تعتبر الأناباينا الزرقاء (Anabaena) التي درسها البروفيسور ستيفنز وزملاؤه بالتعاون مع البروفيسور دوتشو بانيلي ومجموعته البحثية، واحدة من أقدم الأمثلة على تعدد الخلايا على الأرض.

 

في هذه التحصينات تقوم الخلايا بعملية التمثيل الضوئي، أي أنها تستخدم ضوء الشمس لإنتاج الأكسجين وتخزين الطاقة على شكل كربوهيدرات. تستهلك هذه الخلايا النيتروجين لبناء البروتينات، ولهذا فإنها تميل إلى استخدام النيتروجين بشكله المتاح. وفي غياب مصادر النيتروجين المتاحة، يقومون بتثبيت النيتروجين من الغلاف الجوي بمساعدة إنزيم فريد من نوعه. ومع ذلك، فإن الأكسجين الذي يتم إطلاقه في عملية التمثيل الضوئي يضر بوظيفة هذا الإنزيم. للتعامل مع التناقض الداخلي بين العمليتين، يتم إنشاء تقسيم العمل بين الخلايا: تصبح أقلية منها خلايا غير متجانسة، متخصصة في تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي، بينما تستمر الخلايا الأخرى في إنتاج الكربوهيدرات وإطلاق الأكسجين في عملية التمثيل الضوئي. هذه هي الطريقة التي يتطور بها أحد أبسط الأنماط في الطبيعة، والذي يحتوي على تسلسل من حوالي 10 خلايا التمثيل الضوئي بين كل اثنين من الكيسات غير المتجانسة.

لمتابعة تشكيل أنماط النمو في هذه الكائنات الحية، قام الباحثون بوضع علامات على الجينات المشاركة في عملية التمايز عن طريق ربطها بجينات بروتينية تتوهج مع الفلورسنت. ثم قم بتعريض البكتيريا الزرقاء لظروف انخفاض النيتروجين واتبع عملية التمايز إلى نوعين من الخلايا. في هذه العملية، تشكلت أنماط النمو المألوفة مع مرور الوقت، وأشرقت الخلايا التي تمايزت إلى أكياس غير متجانسة تحت المجهر.

إلى أي مدى تطابقت العمليات النمائية المرصودة مع النموذج الكلاسيكي؟ نموذج تورينج حتمي. وفقًا لهذا النموذج، تتطور الأنماط في نطاق ضيق جدًا من قيم المعلمات. ويترتب على ذلك أن الضبط الدقيق مطلوب للسماح بتكوين النمط. على الرغم من ذلك، فإن أنماط النمو في هذه البكتيريا الزرقاء تتشكل في مجموعة واسعة من الظروف، والتعبير الجيني الملحوظ في الخلايا بعيد عن الحتمية. في الواقع، إنه "صاخب" للغاية: حتى الخلايا المجاورة تظهر اختلافات كبيرة. يقول البروفيسور ستيفنز: "لهذا السبب أضفنا تقلبات عشوائية (تقلبات صغيرة وغير دورية) إلى نموذج تورينج، أي الضوضاء". "إن الإصدار الجديد من النموذج هو وصف أوسع من النموذج الأصلي. علاوة على ذلك، لا يلزم ضبط المعلمات." المجموعة البحثية نشرت مؤخرا عملها على "نموذج تورينج العشوائي" في المجلة العلمية بلوس بيولوجي.

إلى جانب الأعمال الحديثة الأخرى، تشير هذه الدراسة إلى أن هذه التقلبات العشوائية هي في قلب تطور النمط، على الرغم من أننا نميل إلى التفكير فيها على أنها محددة مسبقًا. وبعبارة أخرى، فإن الضوضاء جزء لا يتجزأ من النظام. "من الناحية الفيزيائية،" يشرح البروفيسور ستيفنز، "الأنظمة البيولوجية لا تصل إلى التوازن - يجب عليها استثمار الطاقة في تكرار المعلومات بدقة من جيل إلى جيل. ونحن نرى أنه في هذه الأنظمة، بالإضافة إلى المخطط الخلوي الرئيسي، يعد الضجيج شرطًا ضروريًا لها لتكون قادرة على النمو والتطور وإنتاج أشكال وترتيبات وأنماط داخلية دقيقة."