نظرة إلى عين السمكة

تتمتع قزحية الزرد ببنية بلورية فريدة لها وظيفة مزدوجة: التمويه ومنع دخول الضوء غير المرغوب فيه. إن فهم الطريقة التي تتحكم بها الأسماك في تطور القزحية قد يساعد في علاج أمراض مثل النقرس أو حصوات الكلى

اعترف والد نظرية التطور، تشارلز داروين، بكل تواضع أن تطور عضو معجزة مثل العين كان بمثابة لغز في عينيه. نحن نعلم اليوم أن هذه معجزة من بين العديد من المعجزات: لقد "أنشأ" التطور العديد من أنظمة الرؤية المتنوعة، والتي يتحدى الكثير منها درجة تعقيد أعيننا. تركز دراسة جديدة أجراها علماء معهد وايزمان للعلوم، ونشرت مؤخرًا في المجلة العلمية Advanced Science، على أحد أنظمة الرؤية المتطورة تلك، وتوضح الدقة والتعقيد الكبيرين اللذين تطورا في قزحية سمك الزرد.

قام الدكتور دفير جور بدراسة النظام البصري لسمكة الزرد كجزء من دراسة ما بعد الدكتوراه التي جمعت اثنين من علماء المعهد - البروفيسور جيل ليبكوفيتش من قسم البيولوجيا الجزيئية للخلية، والبروفيسور دان أورون من القسم فيزياء الأنظمة المعقدة: يدرس البروفيسور ليبكوفيتش تطور الجهاز العصبي لسمك الزرد، ويتخصص البروفيسور أورون في المواد التي تمتص الضوء وتشتته، وقد نجح الباحثون من خلال الجمع بين القوى لمعرفة كيفية بناء الطبقة الخارجية الفضية لعيون السمكة، وكيفية عملها "تحجب القزحية، سواء عندنا أو عند سمكة الزرد، الضوء الذي يصل إلى العين، باستثناء الأشعة التي تمر عبر حدقة العين إلى العدسة. والشبكية،" يقول الدكتور جور. "تحتوي قزحية عيننا على صبغة الميلانين، التي تمتص الضوء، ويحدد تركيزها في القزحية أيضًا لون العين. ومن ناحية أخرى، في سمك الزرد، تعكس القزحية ضوءًا مشابهًا للمرآة، وفي هذه العملية كما أنها تخفي عيون السمكة، التي تبرز من جانبي رأسها، وأردنا أن نفهم كيف تؤدي القزحية الدورين - كلاهما حجب الضوء غير المرغوب فيه والتمويه.

ولتحقيق هذه الغاية، استخدم الباحثون لأول مرة نظام التصوير المقطعي المحوسب (microCT) في المعهد، وقد ساعدهم في هذا الأمر عالم الكلية الدكتور والد برومفيلد. وهكذا سعوا للحصول على صورة شاملة لبنية وفي وقت لاحق، ركز الباحثون على أجزاء من القزحية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (cryo -SEM). وتوقع الباحثون العثور على طبقة من بلورات الجوانين، وهي المادة التي تستخدم أيضًا كأحد اللبنات الأساسية للحمض النووي عند الجوانين. موجود في شكله البلوري يكون شفافًا، لكن صفائح الجوانين البلورية الرقيقة، مرتبة في طبقات، تعكس الضوء، وعادةً ما تخلق مظهرًا فضيًا أو مضيئًا. في الأسماك، في جلدها وقشورها، توجد بلورات الجوانين، وهي موجودة يتم إنتاجها بواسطة خلايا خاصة تسمى iridophores.

وهكذا، ووفقًا لتوقعاتهم، وجد الباحثون أن الطبقة الخارجية للقزحية مرصوفة بالفعل ببلورات الجوانين الرقيقة. ومع ذلك، فوجئوا باكتشاف طبقتين إضافيتين: طبقة وسطى تتكون من بلورات غير منتظمة، وطبقة داخلية رقيقة جدًا تحتوي على الميلانين، وهو نفس الصبغة الممتصة للضوء الموجودة في قزحية العين البشرية. يمكن لكل طبقة من هذه الطبقات بمفردها أن تمنع تسليط الضوء غير المركز على شبكية العين. وإذا كان الأمر كذلك، فما هو المنطق التطوري في وجود الثلاثة معًا؟ ساعدت عمليات المحاكاة الحاسوبية والقياسات البصرية، التي تم إجراؤها بالتعاون مع عمري بار إيلي من مجموعة أبحاث البروفيسور أورون، العلماء على اكتشاف الإجابة. تعكس الطبقة الخارجية المنظمة الضوء بشكل رئيسي بأطوال موجية زرقاء وخضراء. هذه بالطبع هي الأطوال الموجية الرئيسية للضوء تحت سطح الماء، وهي الأكثر ملاءمة لتمويه عين السمكة. تعمل الطبقة الثانية على تشتيت الضوء، وتعمل الطبقة الثالثة، الموجودة في الجزء الداخلي من القزحية، بمثابة "شاشة سوداء" تمتص أشعة الضوء التي تمكنت من التسلل عبر الطبقتين الأخريين.

أضافت الملاحظات حول تطور القزحية طوال حياة السمكة طبقة أخرى لفهم كيفية عمل العيون. واكتشف الباحثون أنه بعد أيام قليلة فقط من فقس الزريعة من البيضة، تظهر الطبقة البلورية المنتظمة للقزحية، بينما تتطور الطبقة المضطربة في وقت لاحق فقط. أشارت عمليات المحاكاة الحسابية التي أجراها الباحثون إلى أن طبقة رقيقة من البلورات يمكنها حجب الضوء أكثر بثلاث مرات من طبقة الميلانين ذات السماكة المماثلة. ولذلك، فإن هذه الطبقة مفيدة بشكل خاص للعيون الصغيرة لأسماك المنوة حديثة الولادة، والتي يجب أن تميز بسرعة بين الحيوانات المفترسة والفريسة، حيث تستمر عيونها في التطور بوتيرة سريعة.

ومن أجل تعميق التعرف على عين السمكة وفحص بنية قزحية العين، سافر الباحثون إلى سويسرا لفحصها في مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF). يوضح البروفيسور أورون: "إن التركيز على مقياس النانومتر والمسح السريع للغاية باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية في السنكروترون سمح لنا بالحصول على صورة للقزحية بأكملها، وليس فقط أجزاء منها، بدقة مذهلة." وبالتعاون مع الدكتور جان ديفيد نيكولا، من جامعة غوتنغن في ألمانيا، قام الفريق البحثي بتحليل كمية هائلة من بيانات المسح، واكتشفوا مفاجأة أخرى: "البلاطات" البلورية في الطبقة الخارجية - وهي عبارة عن أشكال سداسية رفيعة وطويلة - كما لو تم وضعها بواسطة جهاز تسلسل رئيسي على طول كامل، حيث تقع جميعها في نفس المكان بدقة، وتتغير زاويتها مع انحناء العين، فتبدو القزحية بأكملها فضية، وفي نفس الوقت يحمي زوايا العين والمناطق الأقرب للعدسة من أشعة الشمس القادمة من الأعلى.

ويقول الدكتور جور، الذي يجري حاليًا أبحاثًا إضافية لما بعد الدكتوراه في حرم جينيليا التابع لمعهد هوارد هيوز الطبي والمعاهد الوطنية للصحة (NIH) في الولايات المتحدة، إن هذه النتائج لها آثار على البشر أيضًا في هذه الأيام يتم اختبار ما إذا كان الفهم الذي تتحكم فيه الأسماك في تطور البلورات في عيونها وجلدها قد يساعد في علاج أمراض مثل النقرس أو حصوات الكلى، حيث تتكون بلورات من مادة مشابهة (حمض البوليك) يقول الدكتور جور: "في بعض الأحيان، قد تمهد الحلول التطورية القديمة الطريق لحلول جديدة".

ويختتم البروفيسور ليبكوفيتش قائلاً: "لقد تطلب الأمر وجود عالم كيمياء هيكلية، وعالم أحياء، وعالم فيزياء، ومجموعة من الأساليب المختلفة والمتنوعة للوصول إلى نتائج هذا البحث". "بدون كل واحد منهم، لن نكون قادرين على فهم تطور هذا النظام المعقد."

ويبلغ طول فقس سمكة الزرد من البيضة بعد 72 ساعة من الإخصاب 3.5 ملم.