مونارک؛ پروانه‌ای که برای خوردن سم تکامل یافته است

کرم پروانه‌ی مونارک، تنها از گیاه علف‌شیر (Milkweed) تغذیه می‌کند. علف‌شیر گیاهی سمی است که به‌نظر می‌رسد باید کرم را بکشد؛ اما این کرم‌ها با تغذیه از همین گیاه رشد می‌کنند. آن‌‌ها حتی سم را برای محافظت از خود در برابر پرندگان در بدنشان ذخیره می‌کنند. دانشمندان تا دهه‌ها از این سازگاری در شگفت بودند. تیمی از پژوهشگران چندی پیش اعلام کردند که راه دقیق رسیدن به پاسخ این سؤال را به‌صورت دقیق مشخص کرده‌اند.

طبق مقاله‌ای که پژوهشگران در مجله‌ی Nature منتشر کردند، برای تبدیل این پروانه‌ها از موجوداتی آسیب‌پذیر به موجوداتی مقاوم، تنها سه جهش ژنتیکی لازم است. پژوهشگران، این سه جهش ژنتیکی را روی مگس‌ها‌ی میوه آزمایش کردند و در نهایت، آن‌ها نیز می‌توانستند از این سم بخورند. زیست‌شناسان از این کار به‌عنوان دوره‌ای استفاده کردند که در آن فناوری تصحیح ژن را در اختیار خود گرفتند و از آن برای رمز‌نگاری یک سری از جهش‌ها‌ی در حال تکامل در بعضی از موجودات استفاده کردند و سپس همین جهش‌ها را در دیگر موجودات نیز آزمایش کردند. 

جوزف تورنتون، زیست‌شناس دانشگاه شیکاگو گفت:

استاندارد‌ها‌ی طلایی، برای آزمایش مستقیم در ارگانیسم‌ها‌ی زنده در‌نظر گرفته شده‌اند. پژوهش جدید در نهایت استاندارد‌ها‌ی ما را مورد بررسی و اندازه‌گیری قرار می‌دهد. 

حشرات تغذیه از گیاهان را بیش از ۴۰۰ میلیون سال پیش آغاز کردند و همین امر باعث تحول سیستم‌ها‌ی دفاعی در برابر گیاهانی از جمله گیاهان دارای مواد شیمیایی مضر شد. گیاهانی از جمله گیاه علف‌شیر، سمی به‌نام کاردیاک گلیکوزید تولید می‌کنند.

دوز مشخصی از این سم می‌تواند یک قلب تپنده را از کار بیندازد یا سیستم عصبی را دچار اختلال کند. شکارچی‌ها‌ی آفریقا‌یی تا هزاران سال نوک نیزه‌ها‌ی خود را به این سم آغشته می‌کردند. آگاتا کریستی، رمانی درباره‌ی یک قتل رمز‌آلود دارد که براساس گل فاکسگلاو (گل انگشتانه‌ی حاوی سم کاردیاک گلیکوزید) نوشته شده است. 

این سم، کارکرد ماده‌ای را دچار مشکل می‌کند که در اصطلاح به آن پمپ سدیم گفته می‌شود. این ماده یکی از اجزا‌ی مهم تشکیل‌دهنده‌ی همه‌ی سلول‌ها‌ی جانوری است. سوزان دابلر، زیست‌شناس مولکولی دانشگاه هامبورگ آلمان گفت:

این گیاهان، نقطه‌ی بسیار حساسی را مورد هدف قرار می‌دهند. 

این پمپ‌ها، اجزایی هستند که اتم‌ها‌ی سدیم مثبت را از سلول‌ها بیرون می‌کنند و درنتیجه سلول دارای بار منفی می‌شود. سلول‌ها‌ی قلب برای تأمین بار الکتریکی مورد نیاز برای تپش، به پمپ‌ها‌ی سدیم نیاز دارند. سیستم عصبی از این پمپ‌ها برای تولید سیگنال مغزی استفاده می‌کنند. اگر این پمپ‌ها از کار بیفتند، کارکرد سیستم عصبی نیز متوقف می‌شود. 

با وجود همه‌ی این خطرات، کرم پروانه‌ی مونارک به‌طور کامل از همین علف‌شیر سمی تغذیه می‌کند. پروانه‌ها‌ی ماده، روی همین گیاهان تخم‌گذاری می‌کنند و کرم‌ها قبل از تشکیل پیله، تا جایی که می‌توانند از این گیاه تغذیه می‌کنند.

یک کرم مونارک در حال خوردن گیاه علف‌شیر. کرم در نهایت به پروانه تبدیل می‌شود و سمی که از آن تغذیه کرده است، در بال‌ها‌ی پروانه ذخیره می‌شود.

همین که کرم‌ها بالغ می‌شوند، شفیره‌ها، سم علف‌شیر ذخیره شده در معده را به سمت بال‌ها‌ی جدیدشان سرازیر می‌کنند. زمانی‌که کرم‌ها درون پیله به پروانه تبدیل می‌شوند و از آن بیرون می‌آیند، از این به‌بعد، مونارک به سم در‌حال پرواز تبدیل می‌شود. پرندگانی که سعی در خوردن آن‌ها داشته باشند، دوباره آن‌ها را از معده‌ی خود بیرون می‌اندازند. 

دکتر دوبلر و همکارانش برای فهم چگونگی تکامل سازگاری پروانه‌ی مونارک با این گیاه سمی، از این واقعیت استفاده کردند که برخی از دیگر انواع حشرات نیز در مقابل سم کاردیاک گلیکوزید مقاوم شده‌اند. حتی تعدادی از آن‌ها از این گیاه سمی تغذیه می‌کنند. 

دانشمندان ژن‌ها‌یی را که مسئول کار پمپ سدیم هستند در موجودات مختلف مقاوم در مقابل سم، مانند گونه‌هایی از سوسک و دیگر حشرات با یکدیگر مقایسه کردند. به‌نظر می‌رسد که در همه‌ی این موجودات، سه جهش ژنتیکی مشابه اتفاق افتاده؛ اما همه‌ی این جهش‌ها یک‌جا اتفاق نیفتاده است. در عوض، یکی یکی و به‌نوبت اتفاق افتاده‌اند. 

پروانه‌ی مونارک، یکی از جهش‌ها‌ی ژنتیکی خود را با نوعی پروانه‌ی دیگر که از گیاه علف‌شیر تغذیه نمی‌کند، به اشتراک گذاشته است. همین پروانه‌ی مونارک، یکی دیگر از این سه جهش ژنتیکی را با نوع دیگری از پروانه‌‌ها به اشتراک گذاشته است که این نوع پروانه نیز از علف‌شیر تغذیه می‌کند اما کاردیاک گلیکوزید را در بال‌ها‌ی خود ذخیره نمی‌کند. جهش سوم در نوع جدید‌تری از پروانه‌ها رشد یافته است. 

دکتر دابلر به این موضوع مشکوک است که شاید به‌وجودآمدن این جهش‌ها‌ی ژنتیکی به‌تدریج پمپ‌ها‌ی سدیم را در سلول‌ها‌ی پروانه‌ی مونارک تغییر داده باشد؛ بنابراین کاردیاک گلیکوزید نتوانسته آن را دچار تغییر کند. این پروانه‌ها با مقاوم‌تر شدن نسبت به سم از منابع غذایی دست‌نخورده که سایر حشرات از آن‌ها تغذیه نمی‌کنند، لذت می‌برند. 

نوح وایتمن، زیست‌شناس دانشگاه برکلی کالیفرنیا، برای آزمایش فرضیه‌ی خود پژوهشی را به راه انداخته است. او گفت:

احتمال دارد همین سه جهش ژنتیکی، در را به‌سوری راه‌حل این معما‌ی پروانه‌ها باز کنند. 

وایتمن و همکارانش نحوه‌ی استفاده از کریسپر (نوعی تکنولوژی تصحیح ژن) را فرا گرفتند و جهش‌ها‌ی ژنتیکی را روی مگس میوه آزمایش کردند. این مگس‌ها از میوه‌ی پوسیده تغذیه می‌کنند و حتی دوز بسیار کمی از سم کاردیاک گلیکوزید می‌تواند برای آن‌ها مرگ‌بار باشد. 

پژوهشگران کار خود را با پروراندن اولین جهش پروانه‌ها‌ی مونارک در مگس‌ها‌ی میوه آغاز کردند. لاروی که این جهش ژنتیکی را با خود حمل می‌کند، می‌تواند با تغذیه از یک مخمر که به دوز کمی از کاردیاک گلیکوزید آغشته است، زنده بماند.            

جهش سوم، تأثیر چشمگیر و جالب دیگری نیز داشت. زمانی‌که مگس‌ها بالغ شدند، میزانی از سم کاردیاک گلیکوزید در بدن آن‌ها ذخیره شده بود که همین از آن‌ها در برابر شکار شدن محافظت می‌کرد.

مگس میوه با تصحیح ژن می‌تواند از سم گیاه علف‌شیر که در بال پروانه ذخیره شده است، تغذیه کند. جهش‌ها‌ی ژنتیکی یافت شده در پروانه‌ی مونارک به مگس میوه منتقل شده است

دکتر وایتمن و همکارانش به الگو‌ی جالب‌توجهی دست پیدا کردند. یکی از این سه جهش به‌نام ۱۲۲، بیشترین میزان مقاومت را ایجاد می‌کرد. اما این جهش در همه‌ی حشراتی که نسبت به کاردیاک گلوکوزید مقاوم هستند، همیشه بعد از دو جهش دیگر اتفاق می‌افتد. به‌نظر می‌رسد که جهش ۱۲۲ به‌تنهایی، تأثیر مخربی دارد. 

پژوهشگران، مگس‌ها‌ی جهش‌یافته را در یک سانتریفیوژ قرار دادند و آن‌ها را ۱۰ ثانیه چرخاندند. پس از آن، مگس‌ها تا چندین دقیقه حالت گیجی داشتند و به‌دور خود می‌گشتند. در عوض، همین کار روی مگس‌ها‌ی معمولی تأثیری نداشت و آن‌ها پس از چرخیدن در سانتریفیوژ، سریع به راه خود ادامه دادند و از آزمایشگاه بیرون رفتند. همچنین، مگس‌ها‌یی که تنها دو جهش اول در آن‌ها انجام شده بود نیز از آسیب این فرایند در امان بودند. 

از نظر دکتر وایتمن و همکارانش، جهش ژنتیکی ۱۲۲، تنها در صورتی کارکرد خوبی برای حشرات دارد که پس از جهش دیگری اتفاق بیفتد. اگر جهش ۱۲۲ به‌تنهایی اتفاق بیفتد، می‌تواند پمپ‌ها‌ی سدیمی را بدشکل کند و باعث تشنج حشرات شود. ممکن است دیگر جهش‌ها این اثر را جبران کنند.

دیگر پژوهش‌ها نشان دادند که ترتیب جهش‌ها‌ی ژنتیکی می‌تواند تفاوت زیادی در تکامل موجودات داشته باشد. برای مثال، باکتری‌ها می‌توانند در مقابل جهش‌ها‌ی ژنتیکی خاصی مقاومت آنتی‌بیوتیکی به‌دست آورند. اما بعضی از این جهش‌ها‌ی ژنتیکی، تنها در صورتی مفید هستند که به‌ترتیب انجام شوند.