تکامل بینایی در پروانه‌ها

طی فصل های بهار و تابستان، بسیاری از مردم از خیره شدن به گل هایی با رنگ های درخشان و پروانه هایی که به دور آنها می گردند لذت می برند، اما تنها عده کمی از ما به این سئوال می اندیشیم که پروانه ها واقعاً چه چیزی را می بینند؟ عده ای از زیست شناسان تکاملی به تعمق در این سئوال پرداخته اند و طی تحقیقات شان احتمال- احتمالی که اگر واقعی باشد بسیار مایه شگفتی است- ارتباط بین تکامل دیدن رنگ در پروانه ها و انسان ها را پیدا کرده اند.

پروانه

یکی از این محققان خانمی به نام «آدریانا بریسکو» استادیار دانشکده اکولوژی و زیست شناسی تکاملی دانشگاه کالیفرنیا است. آزمایشگاه بریسکو یکی از چندین آزمایشگاه در سراسر دنیا است که در حال مطالعه تکامل بینایی رنگ قرمز- سبز در پروانه ها و وابستگان نزدیک شان یعنی بیدها و Skippers است.

تحقیقات نشان می دهد که مضاعف شدگی در ژنی مشابه با آنچه باعث دیدن رنگ در نخستی ها- شامل انسان ها، شمپانزه ها و گوریل ها- می شود احتمالاً در پروانه ها هم رخ می دهد. تغییرات فنوتیپی در سیستم بینایی پروانه ها تنها یکی از چندین مواردی است که دانشمندان ممکن است در تکامل مولکولی و فیزیولوژی تکاملی مورد بررسی قرار دهند. «بریسکو» معتقد است که زیست شناسی تکاملی یک نظم مهم و در حال رشد است که تا پیشنهاد دامنه وسیعی از فرصت های حرفه ای ادامه خواهد داشت. او می گوید: «این زمینه علمی، به علت سودمندی تئوری تکامل در تمام زمینه های زیست شناسی در حال گسترش است.» علوم زیست پزشکی به طور فزاینده ای متکی به گروهی از مردم بادانشی خواهد شد که قدرت آنالیز توالی ژنی را داشته باشند و برای مثال قادر به انجام پیش بینی هایی درباره تکامل بیماری هایی نظیر آنفلوآنزای مرغی باشند.

هنگامی که «بریسکو» در آزمایشگاه دکتر «لوونتین» در دانشگاه هاروارد مشغول گذراندن دوره دکترای خود در زمینه تکامل داروینی بود، شیفته بینایی رنگ در پروانه ها شد. بعد از مطالعه کارهایی که «جرمی ناتانز» و همکارانش بر روی نخستی ها در دهه ۸۰ انجام داده بودند، «بریسکو» با کمک «لوونتین» و مشاورت «پیرس نائومی»، کار بر روی پایان نامه خود را شروع کرد.

«بریسکو» توضیح می دهد که بینایی رنگ به حضور حداقل دو گیرنده رنگ با دو حساسیت متفاوت نسبت به نور نیازمند است. پروتئین هایی که توسط این گیرنده ها تولید می شوند اپسین های مختلفی هستند که هر کدام به کروموفورهای رتینایی مشابهی ملحق می شوند و سپس رنگدانه های بینایی موجود در چشم های موجودات را می سازند.

«ناتانز» و همکارانش ثابت کردند که انسان ها، شمپانزه ها و گوریل ها بینایی رنگ قرمز- سبز خود را از طریق یک مضاعف شدگی ژن اپسین تکامل بخشیده اند.

«بریسکو» به دنبال آن بود تا بداند که آیا پروانه ها هم بینایی رنگ قرمز- سبز خود را از طریق مکانیسم ژنتیکی مشابهی تکامل بخشیده اند یا خیر؟ «بریسکو» اولین کسی بود که ۶ ژن اپسین از پروانه ای به نام ببرشرقی دم چلچله ای (Papilio glaucus) را طی تحقیقات دوره دکترای خود همانندسازی کرد.

بعدها به عنوان پایان نامه فوق دکترای خود در دانشگاه آریزونا، وی کار خود را با بررسی طرح بیان mRNA اپسین در چشم های دم چلچله ای و با استفاده از تکنیک های زیست شناسی مولکولی ادامه داد. تحقیقات «بریسکو» تائید کردند که اپسین حساس به قرمز در این پروانه ها طی یک مضاعف شدگی از یک نیای اپسین حساس به سبز تکامل یافته و این رویداد مضاعف شدگی ژنی بعد از انشعاب خطوط مربوط به خانواده های پروانه های nymphalid و papilionid رخ داده است.

«بریسکو» می گوید: «این نتایج به من نشان داد که پروانه های فاقد این ژن اپسین مضاعف شده شاید نسبت به قرمز- سبز کوررنگ باشند. این نظریه توسط یکی از افراد آزمایشگاه بریسکو بررسی شد و بدین ترتیب فرضیه بریسکو درست از آب درآمد. این کار هنوز منتشر شده است.»

بریسکو در حال حاضر مشغول بررسی مواردی از قبیل اینکه چندبار مضاعف شدگی ژن اپسین در پروانه ها اتفاق افتاده و این مضاعف شدگی چه زمانی اتفاق افتاده و آیا تکامل اپسین ها منجر به زیر تیپ های گیرنده های نوری جدیدی شده است یا خیر، است.

برای مثال در مقاله اخیر آزمایشگاه او و آزمایشگاه «استیون ریپرت» از دانشگاه ماساچوست، نشان داد که پروانه مونارک طرح جدیدی از بیان اپسین ماوراءبنفش در مناطق لبه پشتی حساس به قطبش در چشم را دارا است.

کار آینده «بریسکو» روشن کننده این مطلب خواهد بود که آیا بیان اپسین در پروانه هایی که در آنها ژن های اپسین اضافی تکامل پیدا کرده اند به همین صورت خواهد بود یا خیر! مطالعات دیگری در آزمایشگاه «بریسکو» نشان داد که ارتباطی میان بینایی پروانه و رنگ بال وجود دارد.

«بریسکو» می گوید: «ژن هایی که مسئول تولید رنگدانه های رنگ بال هستند خیلی شبیه ژن هایی هستند که رنگدانه های فیلترکننده و بسیار متنوع چشم ها که به طور مستقیم در طیف رنگی قابل درک پروانه ها موثرند را تولید می کنند.» به زبان دیگر دو گونه بسیار نزدیک از پروانه ها ممکن است رنگ های بال متفاوتی را نشان دهند و رنگ ها را متفاوت نیز ببینند.

یک گروه ممکن است رنگ را در طیف سبز- قرمز ببیند در حالی که گروه دیگر ممکن است رنگ را در طیف آبی- ماوراءبنفش تمییز دهد. این تفاوت ها می تواند با ظرافت خاصی این حشرات را تنها متمایل به برداشتن شهد از گل هایی که قادر به دیدنشان هستد، کند و باعث کاهش رقابت یک نوع گیاه خاص شود.

این نظریه نیز توسط یکی از دانشجویان آزمایشگاه در حال بررسی است. مطالعه چارلز داروین و همکارانش در مورد طرح رنگ بال در پروانه ها به آنان در درک تکامل کمک کرد. «بریسکو» این سنت را با استفاده از تکنیک هایی دنبال می کند که داروین تنها می توانست تصور آن را داشته باشد. با مطالعه تکامل سیستم حسی در پروانه ها «بریسکو» نشان داده که چگونه مضاعف شدن ژن ها حساسیت های رنگی را به وجود می آورد و این موضوع تاثیری بر توانایی حیوان در واکنش او نسبت به محیط پیرامونش می گذارد. در نتیجه این تحقیق ما دیگر نمی توانیم تصور کنیم که آنچه را که یک پروانه در یک باغ می بیند دقیقاً همان چیزی است که توسط پروانه دیگر دیده می شود.