يكشف عضو البلع لدودة شفافة عن الإمكانات الكامنة في الأدوات الرياضية لدراسة النظم البيولوجية
قد يبدو حلق الدودة الشعرية بمثابة نقطة انطلاق غريبة لدراسة مدى تعقيد عمليات الحياة، ولكن هناك أسباب وجيهة للبدء من هناك. لقد أدت مجموعة من الميزات الفريدة إلى تحويل الدودة في العقود الأخيرة جيم ايليجانس يحظى الحيوان النموذجي بشعبية خاصة، وهو في الواقع أحد أكثر المخلوقات التي تمت دراستها في مملكة الحيوان. هذه المجموعة المثيرة للإعجاب من المعرفة هي السبب الرئيسي الذي دفع عالمين من معهد وايزمان للعلوم إلى الحديث مباشرة عن الدودة، في محاولتهما إثبات الإمكانات الكبيرة للنماذج الرياضية والخوارزمية في فهم تفاصيل النظم البيولوجية.
وكجزء من بحثهم، قامت الدكتورة دانا شيرمان والبروفيسور. ديفيد هاريل من قسم علوم الحاسوب والرياضيات التطبيقية نموذج رياضي لسلوك العضو المغذي للدودة، بطريقة تمكن من تحليل عملية البلع بدقة من جوانبها المتعددة. وبعيدًا عن فهم الديناميكيات المعقدة للابتلاع، أظهر العلماء في الدراسة كيف يمكن للمحاكاة الحاسوبية أن تحاكي، في غضون دقائق، التجارب البيولوجية التي كانت ستستمر لسنوات في المختبر، إذا كانت ممكنة على الإطلاق.
مجد الدودة
جيم ايليجانس أصبحت موهبة مطلوبة في مجتمع البحث بسبب جسدها الشفاف، وبنيتها البسيطة والأنيقة - حوالي 1,000 خلية فقط - والتشابه الكبير بين المسارات البيولوجية في جسدها وتلك الموجودة في جسمنا. كل هذا جعله موضوعًا بحثيًا مثاليًا لفهم العمليات البيولوجية - بدءًا من تمايز الخلايا وحتى دراسة الجهاز العصبي وعمليات الشيخوخة. وهكذا وجدت الدودة نفسها محور العديد من الدراسات، مما أدى إلى اكتشافات رائدة وحتى منح العديد من جوائز نوبل. من بين أمور أخرى، كانت أول المخلوقات متعددة الخلايا التي تم تصدع جينومها بالكامل. بالإضافة إلى ذلك، تم رسم خريطة لشبكته العصبية الكاملة بالإضافة إلى سلالات كل خلية من خلاياه.
على الرغم من المعرفة المتعمقة لبيولوجيا الدودة، عندما اقترب الدكتور شيرمان والبروفيسور هاريل من العمل، لم يكن هناك تفسير مرضٍ لعمل فمها - وهو عضو يتكون من عشرات الخلايا، والذي يقوم بحركات الشفط التي السماح للدودة بتغذية نفسها، وفي نهاية ست سنوات من البحث، نجح العلماء في تطوير نموذج يصف بشكل شامل جميع الآليات التي تنتج الحركة في مناطق البلعوم المختلفة للدودة، ويكون قادرًا على إجراء التحليلات. الحساب الحسابي للبلعوم ككل والأجزاء المختلفة التي يتكون منها.
بين علم الأحياء والرياضيات
ولبناء نموذج لعضو حي، لجأ الدكتور شيرمان والبروفيسور هاريل إلى الرياضيات الكلاسيكية، بدءًا بوصف المكونات الأساسية للبلعوم ثم بناء النظام الكامل للمكونات المختلفة طبقة تلو الأخرى وشملت المتغيرات التي تم إدخالها في النموذج، من بين أمور أخرى، بيانات عن الأنواع المختلفة لخلايا العضلات البلعومية، والخلايا العصبية التي تنقل الإشارات إلى هذه العضلات، وطريقة مرور الإشارات وتركيز الأيونات المختلفة في الخلايا العضلية بالإضافة إلى ذلك، النموذج أيضا وصف تدفق السوائل وجزيئات الطعام في حلق الدودة.
ولكن لماذا نبني نموذجًا لشيء قامت الطبيعة ببنائه بالفعل وبنجاح؟
يقول البروفيسور هاريل: "لقد اعتاد علماء الكمبيوتر على بناء نماذج استعدادًا لبناء الشيء نفسه - من الطائرات إلى أجهزة تنظيم ضربات القلب". "من ناحية أخرى، تم تصميم نموذجنا لشرح سلوك النظام البيولوجي المعقد الموجود. إذا تمكنا من بناء نموذج يتطابق سلوكه تمامًا مع كل ما نعرفه عن النظام الذي يعتمد عليه - فيمكننا ذلك تشغيل النموذج في ظل ظروف مختلفة، وبالتالي من المحتمل أن نشهد ظواهر غير معروفة، تمهد هذه النتائج الطريق لإجراء تجارب في المختبر، والتي يمكن أن تؤكد أو تنفي التنبؤات التي قدمها النموذج.
بين الانقباض والاسترخاء
وبعد الانتهاء من تجميعه، أخذ العلماء النموذج لاختبار القيادة للتحقق من دقته والأفكار التي يمكن أن تنبثق منه. وهكذا تمكن العلماء، من بين أمور أخرى، من شرح آلية التنظيم بين انقباض البلعوم واسترخائه. من ناحية، يحدث عمل الانكماش في أوقات مختلفة في مناطق مختلفة من البلعوم وينتشر بسرعات مختلفة. ومن ناحية أخرى، فإن الإشارات العصبية التي تحافظ على استمرار هذا الإجراء تنتشر بسرعة كبيرة، في وقت واحد تقريبًا، في جميع أنحاء البلعوم. إذا كانت انقباضات الخلايا العضلية تتبع عن كثب الإشارات العصبية التي تنشطها، فيجب أن تحدث بطريقة منسقة تقريبًا. وبمساعدة النموذج، اقترح الباحثون آلية تشرح هذه الديناميكية المتناقضة ظاهريًا وتقدم حلاً محتملاً للغز.
كما تبين من النموذج أن الخلايا الممتدة على طول البلعوم تلعب دورا في عملية البلع، وليس مجرد دور بنيوي كما هو مفترض حتى الآن. بالإضافة إلى ذلك، توقع النموذج أنه في التحصينات الصغيرة مثل الدودة الشعرية، يتطلب إنتاج إشارات كهربائية طويلة المدى -مثل تلك المنتجة في عضلاتها البلعومية- مشاركة أيونات إضافية إلى جانب أيونات الكالسيوم والبوتاسيوم. أخيرًا، استخدم العلماء النموذج لإجراء عمليات محاكاة حاسوبية تحاكي تجارب افتراضية مختلفة. على سبيل المثال، قاموا باختبار مدى تأثير التغيرات في حجم الحلق أو شكله الهندسي على مرور الطعام. تم تلقي نتائج "التجربة" على الفور تقريبًا، وأظهرت ميزة أخرى للنماذج الرياضية: فهي تجعل من الممكن إجراء عمليات معالجة عشوائية على الكائن قيد الدراسة، حتى تلك غير الممكنة في المختبر.
وقد تشير تنبؤات النموذج إلى اتجاهات بحثية واعدة - تتجاوز بكثير الديدان الشعرية - بطريقة تجعل من الممكن تحسين فهم مدى تعقيد آليات الحياة وطرق عمل الأعضاء بأكملها. ويأمل الدكتور شيرمان والبروفيسور هاريل أن يسمح النموذج الذي طوروه أيضًا للأشخاص من المجالات الأخرى باستخدام النماذج الرياضية لدراسة عمل النظم البيولوجية والكشف عن أسرار الحياة بطريقة أخرى.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
