Okyanus tabanında “bacaklar” üzerinde süzülen, ümit vaat etmeyen bir balık olan deniz ardıç kuşuna odaklanan gelecek vaat eden yeni araştırmalar, insanlar da dahil olmak üzere özellik gelişiminde yeni anlayışlara yol açabilir.
Profesör Nicholas Bellono'nun Moleküler ve Hücresel Biyoloji Bölümü'ndeki laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan ve 2019'da tesadüfi bir karşılaşma sırasında araştırma konularıyla karşılaşan Corey Allard, “Deniz kızılgerdanları çok sıra dışı, çok yeni özelliklere sahip bir türün örneğidir” dedi. Cape Cod'un Deniz Biyolojisi Laboratuvarı'nda. “'Yeni bir organı nasıl yaparsınız?” diye sormak için onları model olarak kullanmak istedik.”
Allard'ın bunu takip eden derin dalışı, balığın gelişimsel genetiğini inceleyen Stanford araştırmacılarıyla bir işbirliğine yol açtı ve Stanford Üniversitesi'nden Bellono, Amy Herbert ve David Kingsley ve diğerleri tarafından ortak yazılan Current Biology dergisinde arka arkaya makalelerle sonuçlandı. Araştırmaları, deniz kızılgerdanlarının bacaklarını nasıl kullandığı, bu bacakların ortaya çıkmasını hangi genlerin kontrol ettiği ve bu hayvanların diğer evrimsel adaptasyonlar hakkında bilgi edinmek için kavramsal bir çerçeve olarak nasıl kullanılabileceği konusunda bugüne kadarki en kapsamlı anlayışı sağlıyor.
Deniz ardıç kuşlarının “bacaklarının” aslında göğüs yüzgeçlerinin uzantıları olduğu ve her iki yanında da üçer tane olduğu ortaya çıktı. Allard ilk olarak bacakların, bilim adamlarının şüphelendiği ancak hiçbir zaman doğrulamadığı gerçek duyu organları olup olmadığını belirlemeye çalıştı.
Tutsak deniz kızılgerdanlarının avlarını avladığını gözlemleyen deneyler yaptı; bu deneylerde, kısa süreli yüzme ve “yürüme” arasında geçiş yaptılar. Ayrıca midye ve diğer kabuklu deniz ürünleri gibi gömülü avları görsel ipuçları olmadan bulmak için ara sıra kum yüzeyini kaşırlar.
Corey Allard (solda) ve Nicholas Bellono.
Fotoğraf: Dylan Goodman
Araştırmacılar bacakların hem mekanik hem de kimyasal uyaranlara duyarlı olduğunu fark etti. Sadece tek kimyasal içeren kapsülleri bile gömdüler ve balıklar bunları kolaylıkla bulabildi.
Serendipity başka bir şans keşfine yol açtı. Çalışmanın ortasında orijinallerine benzeyen yeni bir balık sevkiyatı aldılar, ancak Allard, yeni balıkların orijinalleri gibi kazmadığını ve gömülü avı veya kapsülleri bulamadığını söyledi. Laboratuvarı ahtapotlar, denizanaları ve deniz sümüklü böcekleri de dahil olmak üzere pek çok deniz hayvanının duyusal biyolojisi ve hücresel fizyolojisini araştıran Bellono, “Onların sadece birer aptal olduğunu ya da belki de düzeneğin işe yaramadığını düşündüm” diye şaka yaptı.
Araştırmacıların farklı bir deniz ardıç kuşu türü elde ettikleri ortaya çıktı. Çalışmalarında, her ikisini de karakterize etmeyi başardılar: Gömülü avı bulmak için kazı yapan ve dokunma ve kimyasal sinyallere karşı son derece duyarlı olan Prionotus carolinus ve bu duyusal yeteneklerden yoksun olan ve bacaklarını hareket ve araştırma için kullanan ancak kazmak için.
İki balık arasındaki bacak farklılıklarını incelediğinde, kazıcı türdekilerin kürek şeklinde olduğunu ve tat alma duyumuza benzer şekilde papilla adı verilen çıkıntılarla kaplı olduğunu buldular. Kazmayan balığın bacakları çubuk şeklindeydi ve papillalardan yoksundu. Bu farklılıklara dayanarak araştırmacılar papillaların evrimsel alt uzmanlıklar olduğu sonucuna vardı.
İllüstrasyon: Lily Soucy
Allard'ın deniz kızılgerdanlarının yeni duyu organlarının evrimini anlatan makalesi, türler ve zamanlara göre bacak biçimini ve yapısını incelemek için Karşılaştırmalı Zooloji Müzesi'nden alınan örneklerin analizini içeriyordu. Kazıcı türlerin yalnızca birkaç konumla sınırlı olduğunu buldu ve bu da bu özelliğin nispeten yeni bir evrimine işaret ediyor.
Deniz ardıçlarının bacaklarını incelemek sadece alışılmadık türlerle takılmakla ilgili değildi hayvanlar (gerçi bu da eğlenceliydi). Yürüyen balıklar, uzmanlaşmış özellikleri karşılaştırmak ve bize evrimin çok özel ortamlara uyum sağlamaya nasıl izin verdiğini öğretmek için potansiyel olarak güçlü bir model organizmadır.
Yaklaşık 6 milyon yıl önce insanlar, primat atalarından ayrılarak dik yürüme yeteneğini geliştirdiler. İki ayaklılık türümüzün tanımlayıcı bir özelliğidir ve bu değişimin nasıl, ne zaman ve neden meydana geldiği hakkında ancak bu kadarını biliyoruz.
Deniz ardıç kuşları ve okyanus tabanında yaşamaya uyum sağlamaları ipuçları verebilir. Örneğin deniz kızılgerdanlarının bacaklarının gelişimini kontrol eden ve insanlar da dahil olmak üzere diğer hayvanların uzuvlarında da bulunan genetik transkripsiyon faktörleri vardır.
Prionotus carolinus.
Fotoğraflar: Anik Grearson
Prionotus carolinus'un karnının altında.
Prionotus scitulus.
Allard'ın çalışmasının ortak yazarları arasında İtalyan fizikçi Agnese Seminara ve Almanya'daki Max Planck Enstitüsü'nden biyolog Maude Baldwin de vardı.
Genetiğe odaklanan ikinci çalışma, Stanford'daki Kingsley laboratuvarını içeriyordu ve yürüyen balıkların olağandışı özelliklerinin genetik temellerini kapsamlı bir şekilde inceledi.
Araştırmacılar, deniz kızılgerdanlarında bacak oluşumunda ve işlevinde hangi gen transkripsiyon faktörlerinin kullanıldığını belirlemek için transkriptomik ve genomik düzenleme gibi teknikleri kullandı. Ayrıca bu farklılıkların genetik temelini araştırmak için farklı bacak şekillerine sahip iki deniz ardıç kuşu türü arasında melezler de ürettiler.
Bellono, “Amy ve Corey bu hayvanı tanımlamak için çok şey yaptılar ve bence davranışın tanımından moleküllerin tanımına ve evrimsel bir hipotezin tanımına gitmek oldukça nadirdir” dedi. “Bunun, bilimsel bir sorunun nasıl sorulduğunu ve meraklı ve açık bir zihinle onu titizlikle takip ettiğini gösteren güzel bir plan olduğunu düşünüyorum.”
Araştırma kısmen Bilim Beyin Girişimi, Ulusal Bilim Vakfı, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Dairesi ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklendi.
Profesör Nicholas Bellono'nun Moleküler ve Hücresel Biyoloji Bölümü'ndeki laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan ve 2019'da tesadüfi bir karşılaşma sırasında araştırma konularıyla karşılaşan Corey Allard, “Deniz kızılgerdanları çok sıra dışı, çok yeni özelliklere sahip bir türün örneğidir” dedi. Cape Cod'un Deniz Biyolojisi Laboratuvarı'nda. “'Yeni bir organı nasıl yaparsınız?” diye sormak için onları model olarak kullanmak istedik.”
Allard'ın bunu takip eden derin dalışı, balığın gelişimsel genetiğini inceleyen Stanford araştırmacılarıyla bir işbirliğine yol açtı ve Stanford Üniversitesi'nden Bellono, Amy Herbert ve David Kingsley ve diğerleri tarafından ortak yazılan Current Biology dergisinde arka arkaya makalelerle sonuçlandı. Araştırmaları, deniz kızılgerdanlarının bacaklarını nasıl kullandığı, bu bacakların ortaya çıkmasını hangi genlerin kontrol ettiği ve bu hayvanların diğer evrimsel adaptasyonlar hakkında bilgi edinmek için kavramsal bir çerçeve olarak nasıl kullanılabileceği konusunda bugüne kadarki en kapsamlı anlayışı sağlıyor.
Deniz ardıç kuşlarının “bacaklarının” aslında göğüs yüzgeçlerinin uzantıları olduğu ve her iki yanında da üçer tane olduğu ortaya çıktı. Allard ilk olarak bacakların, bilim adamlarının şüphelendiği ancak hiçbir zaman doğrulamadığı gerçek duyu organları olup olmadığını belirlemeye çalıştı.
Tutsak deniz kızılgerdanlarının avlarını avladığını gözlemleyen deneyler yaptı; bu deneylerde, kısa süreli yüzme ve “yürüme” arasında geçiş yaptılar. Ayrıca midye ve diğer kabuklu deniz ürünleri gibi gömülü avları görsel ipuçları olmadan bulmak için ara sıra kum yüzeyini kaşırlar.
Corey Allard (solda) ve Nicholas Bellono.
Fotoğraf: Dylan Goodman
Araştırmacılar bacakların hem mekanik hem de kimyasal uyaranlara duyarlı olduğunu fark etti. Sadece tek kimyasal içeren kapsülleri bile gömdüler ve balıklar bunları kolaylıkla bulabildi.
Serendipity başka bir şans keşfine yol açtı. Çalışmanın ortasında orijinallerine benzeyen yeni bir balık sevkiyatı aldılar, ancak Allard, yeni balıkların orijinalleri gibi kazmadığını ve gömülü avı veya kapsülleri bulamadığını söyledi. Laboratuvarı ahtapotlar, denizanaları ve deniz sümüklü böcekleri de dahil olmak üzere pek çok deniz hayvanının duyusal biyolojisi ve hücresel fizyolojisini araştıran Bellono, “Onların sadece birer aptal olduğunu ya da belki de düzeneğin işe yaramadığını düşündüm” diye şaka yaptı.
Araştırmacıların farklı bir deniz ardıç kuşu türü elde ettikleri ortaya çıktı. Çalışmalarında, her ikisini de karakterize etmeyi başardılar: Gömülü avı bulmak için kazı yapan ve dokunma ve kimyasal sinyallere karşı son derece duyarlı olan Prionotus carolinus ve bu duyusal yeteneklerden yoksun olan ve bacaklarını hareket ve araştırma için kullanan ancak kazmak için.
İki balık arasındaki bacak farklılıklarını incelediğinde, kazıcı türdekilerin kürek şeklinde olduğunu ve tat alma duyumuza benzer şekilde papilla adı verilen çıkıntılarla kaplı olduğunu buldular. Kazmayan balığın bacakları çubuk şeklindeydi ve papillalardan yoksundu. Bu farklılıklara dayanarak araştırmacılar papillaların evrimsel alt uzmanlıklar olduğu sonucuna vardı.
İllüstrasyon: Lily Soucy
Allard'ın deniz kızılgerdanlarının yeni duyu organlarının evrimini anlatan makalesi, türler ve zamanlara göre bacak biçimini ve yapısını incelemek için Karşılaştırmalı Zooloji Müzesi'nden alınan örneklerin analizini içeriyordu. Kazıcı türlerin yalnızca birkaç konumla sınırlı olduğunu buldu ve bu da bu özelliğin nispeten yeni bir evrimine işaret ediyor.
Deniz ardıçlarının bacaklarını incelemek sadece alışılmadık türlerle takılmakla ilgili değildi hayvanlar (gerçi bu da eğlenceliydi). Yürüyen balıklar, uzmanlaşmış özellikleri karşılaştırmak ve bize evrimin çok özel ortamlara uyum sağlamaya nasıl izin verdiğini öğretmek için potansiyel olarak güçlü bir model organizmadır.
Yaklaşık 6 milyon yıl önce insanlar, primat atalarından ayrılarak dik yürüme yeteneğini geliştirdiler. İki ayaklılık türümüzün tanımlayıcı bir özelliğidir ve bu değişimin nasıl, ne zaman ve neden meydana geldiği hakkında ancak bu kadarını biliyoruz.
Deniz ardıç kuşları ve okyanus tabanında yaşamaya uyum sağlamaları ipuçları verebilir. Örneğin deniz kızılgerdanlarının bacaklarının gelişimini kontrol eden ve insanlar da dahil olmak üzere diğer hayvanların uzuvlarında da bulunan genetik transkripsiyon faktörleri vardır.
Prionotus carolinus.
Fotoğraflar: Anik Grearson
Prionotus carolinus'un karnının altında.
Prionotus scitulus.
Allard'ın çalışmasının ortak yazarları arasında İtalyan fizikçi Agnese Seminara ve Almanya'daki Max Planck Enstitüsü'nden biyolog Maude Baldwin de vardı.
Genetiğe odaklanan ikinci çalışma, Stanford'daki Kingsley laboratuvarını içeriyordu ve yürüyen balıkların olağandışı özelliklerinin genetik temellerini kapsamlı bir şekilde inceledi.
Araştırmacılar, deniz kızılgerdanlarında bacak oluşumunda ve işlevinde hangi gen transkripsiyon faktörlerinin kullanıldığını belirlemek için transkriptomik ve genomik düzenleme gibi teknikleri kullandı. Ayrıca bu farklılıkların genetik temelini araştırmak için farklı bacak şekillerine sahip iki deniz ardıç kuşu türü arasında melezler de ürettiler.
Bellono, “Amy ve Corey bu hayvanı tanımlamak için çok şey yaptılar ve bence davranışın tanımından moleküllerin tanımına ve evrimsel bir hipotezin tanımına gitmek oldukça nadirdir” dedi. “Bunun, bilimsel bir sorunun nasıl sorulduğunu ve meraklı ve açık bir zihinle onu titizlikle takip ettiğini gösteren güzel bir plan olduğunu düşünüyorum.”
Araştırma kısmen Bilim Beyin Girişimi, Ulusal Bilim Vakfı, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Dairesi ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklendi.