Somatic differentiation evolves rapidly and repeatedly through the modification of developmental plasticity

غالبًا ما تبدأ الحياة كخلية واحدة ذاتية الاكتفاء، لكن تاريخ الحياة على الأرض هو أيضًا قصة كيف تعلمت تلك الخلايا المفردة كيف تتحد وتتخصص. في الكائنات الأكثر تعقيدًا متعددة الخلايا، مثل البشر أو الأشجار، تتولى الخلايا وظائف محددة؛ فبعضها يصبح عضلات لتحريك الجسم، وأخرى تصبح خلايا عصبية لإرسال الإشارات، وبعضها يصبح جلدًا لحماية الداخل. هذا التقسيم للعمل هو خطوة رئيسية في التطور، حيث يحول مجموعة من الخلايا إلى فرد واحد متكامل. لفترة طويلة، تساءل العلماء كيف يحدث هذا الانتقال. هل يتطلب تراكمًا بطيئًا وعشوائيًا لتغيرات طفيفة على مدى ملايين السنين؟ أم يمكن أن يحدث بشكل أسرع إذا دفعت البيئة الكائن الحي نحو اتجاه جديد؟ تشير فكرة رئيسية في علم الأحياء إلى أنه إذا كان بإمكان سمة ما أن تتغير استجابةً للبيئة — وهي صفة تسمى "اللدونة" (plasticity) — فإن هذه المرونة قد تكون هي الشيء نفسه الذي يسمح لسمة جديدة ودائمة بالتطور.

لاختبار هذه الفكرة، وجه الباحثون اهتمامهم إلى طحلب أخضر صغير يسمى Eudorina. تعيش هذه الكائنات في المياه العذبة وتكون عادةً مستعمرات كروية مكونة من خلايا متطابقة، جميعها قادرة على التكاثر. ومع ذلك، فإن لـ Eudorina سرًا: عندما تبرد الحرارة، تتغير بعض خلاياها؛ حيث تصبح أصغر حجمًا، وتتوقف عن التكاثر، وتنمو لها ذيول صغيرة تسمى "الأصوات" (flagella) لتساعد المستعمرة على السباحة. هذه هي الخلايا الجسدية (somatic cells)، وفي البرية، يكون هذا التغيير مؤقتًا؛ فبمججرد انتهاء موجة البرد، تعود الخلايا إلى حالتها الطبيعية. هذه القدرة على التحول ذهابًا وإيابًا هي اللدونة التي أراد العلماء دراستها. وقد طرحوا سؤالًا بسيطًا ولكنه عميق: إذا استمروا في تعريض هذه الطحالب لإجهاد البرد مرارًا وتكرارًا، فهل سيصبح التغيير المؤقت دائمًا؟ هل ستتطور طحالب Eudorina لتمتلك دائمًا خلايا متخصصة وغير متكاثرة، حتى عندما يكون الماء دافئًا؟

جاءت الإجابة من تجربة واسعة النطاق شملت باحثين محترفين ومئات من طلاب المرحلة الجامعية. بدأ الفريق بمستعمرة واحدة من Eudorina وقسمها إلى خطوط عديدة منفصلة. أخضعوا هذه الخطوط لصدمات برد متكررة، محاكيين بذلك شتاءً قاسيًا لا ينتهي تمامًا. في المختبر، أجروا التجربة مع خطين، بينما أدار الطلاب في مساق جامعي ستة وأربعين خطًا آخرًا، كل منها يتبع جداول زمنية مختلفة قليلاً للتعرض للبرد. بعد عدة أشهر من هذا الإجهاد، كانت النتائج مذهلة؛ ففي ما يقرب من نصف الخطوط، بدأت الطحالب في إنتاج مستعمرات ذات خلايا متخصصة حتى عندما لم تكن باردة. لقد تحولت الاستجابة اللدنة المؤقتة إلى سمة دائمة للكائن الحي.

لقودت خط واحد على وجه التحديد، تابعه الباحثون عن كثب، إلى أبعد من ذلك. في هذا السلالة، أنتجت كل مستعمرة خلايا متخصصة، بغض النظر عن درجة الحرارة. لقد تطورت الطحالب من حالة مرنة غير متمايزة إلى حالة "إلزامية" (obligate state)، مما يعني أن التخصص أصبح الآن قاعدة ثابتة في بيولوجيتها. هذه هي المرة الأولى التي ينجح فيها العلماء في إنشاء كائن حي ذي تمايز جسدي إلزامي في المختبر. وجد الباحثون أن نسبة هذه الخلايا المتخصصة في الخطوط الجديدة تطابق ما يُرى في الطبيعة في جنس مرتبط من الطحالب يسمى Pleodorina، والذي تطور طبيعيًا لامتلاك هذه السمة عدة مرات. أظهرت التجربة أن المسار نحو نوع جديد من الأفراد يمكن تمهيده عن طريق تعديل استجابة موجودة للبيئة.

لفهم كيف حدث ذلك، قام الفريق بتسلسل الحمض النووي (DNA) للطحالب المتطورة ومقارنتها بالنسخة الأصلية غير المتطورة. ووجدوا أن التغيرات لم تكن عشوائية؛ إذ حدثت الطفرات في الجينات التي تتحكم في كيفية استجابة الكائن الحي للبرد وكيفية اتخاذ القرار بشأن أي الخلايا يجب أن تتخصص. في الطحالب الأصلية، تكون هاتان العمليتان منفصلتين: البرد يحفز تغييرًا مؤقتًا، والتطور يحدث بشكل طبيعي. أما في الطحالب المتطورة، فقد اندمجت المفاتيح الجينية لهاتين العمليتين؛ فالجينات التي كانت تعمل عادةً فقط أثناء صدمة البرد أصبحت الآن نشطة بشكل دائم، مما يجبر الخلايا على التخصص طوال الوقت. يشير هذا إلى أن التطور لم يخترع آلية جديدة من الصفر، بل أخذ أداة موجودة بالفعل — وهي الاستجابة للبرد — وأعاد صياغة عملها لخدمة غرض جديد.

كشفت الدراسة أيضًا أن هذا الانتقال حدث بسرعة مدهشة. ففي غضون بضعة أشهر وبضع عشرات من الأجيال فقط، تجاوزت الطحالب عتبة التحول من مستعمرة بسيطة من الخلايا المتطابقة إلى فرد أكثر تعقيدًا ذا تقسيم للعمل. يدعم هذا التغيير السريع فكرة أنه عندما يكون الكائن الحي قادرًا بالفعل على تغيير شكله استجابةً للإجهاد، فمن الأسهل أن يصبح هذا التغيير دائمًا. لاحظ الباحثون أنه كلما تعرضت الطحالب للإجهاد بشكل أكبر، زاد احتمال تطورها لهذا التخصص الدائم. يبدو أن البيئة عملت كدليل، حيث اختارت التغيرات الجينية التي تثبت استراتيجية بقاء مفيدة.

يوفر هذا العمل نافذة واضحة على واحدة من أهم الخطوات في تاريخ الحياة: الانتقال من الوجود البسيط وحيد الخلية إلى الفردية متعددة الخلايا المعقدة. إنه يوضح أن القفزة إلى نوع جديد من الكائنات لا تتطلب دائمًا مسيرة طويلة وبطيئة من الطفرات العشوائية. فأحيانًا، يمكن أن يحدث ذلك عندما يتم دفع الكائن الحي إلى أقصى حدوده، وعندما يتم إعادة توظيف الآليات الجينية التي تساعده على البقاء تحت هذا الضغط لبناء شيء جديد. ومن خلال مراقبة هذه المستعمرات الخضراء الصغيرة وهي تتطور في الوقت الفعلي، أثبت العلماء أن مرونة الحياة ليست مجرد وسيلة للنجاة من يوم سيء، بل يمكن أن تكون الأساس لطريقة حياة جديدة تمامًا.