חושפים את שחר החיים המורכבים: כיצד יצור פשוט הציב את הבמה לאבולוציה האנושית

אירועי שכפול גנים לפני מאות מיליוני שנים תרמו לחידושים אבולוציוניים כמו מעוף חרקים, הסוואה של תמנון והכרה אנושית.

לפני 700 מיליון שנה, יצור מדהים הופיע לראשונה. למרות שאולי לא היה הרבה מה להסתכל עליו בסטנדרטים של היום, לבעל החיים היו חזית וחלק אחורי, חלק עליון ותחתון. זה היה עיבוד פורץ דרך בזמנו, וכזה שקבע את תוכנית הגוף הבסיסית שרוב בעלי החיים המורכבים, כולל בני אדם, ירשו בסופו של דבר.

החיה הלא בולטת התגוררה בים העתיקים של כדור הארץ, ככל הנראה זוחלת לאורך קרקעית הים. זה היה האב הקדמון המשותף האחרון של הבילטרים, קבוצת על עצומה של בעלי חיים כולל בעלי חוליות (דגים, דו-חיים, זוחלים, ציפורים ויונקים), ו חסרי חוליות (חרקים, פרוקי רגליים, רכיכות, תולעים, עגולים ועוד רבים).

עד היום, ניתן לייחס יותר מ-7,000 קבוצות של גנים לאב הקדמון המשותף האחרון של הבילטרים, על פי מחקר שנערך על 20 בילטאריים שונים. מִין כולל בני אדם, כרישים, זבובים, מרבה רגליים ותמנונים. הממצאים נעשו על ידי חוקרים במרכז לרגולציה גנומית (CRG) בברצלונה ופורסמו לאחרונה בכתב העת טבע אקולוגיה ואבולוציה.

אבולוציה גנטית והתמחות

למרבה הפלא, המחקר מצא שכמחצית מהגנים הקדמונים הללו נוצלו מאז על ידי בעלי חיים לשימוש בחלקים ספציפיים בגוף, במיוחד במוח וברקמות הרבייה. הממצאים מפתיעים מכיוון שלגנים עתיקים, משומרים, יש בדרך כלל תפקידים בסיסיים וחשובים הדרושים בחלקים רבים של הגוף.

כאשר החוקרים בחנו מקרוב, הם גילו שאשמה הייתה שורה של שגיאות 'העתק-הדבק' סתמיות במהלך האבולוציה הבילטרית. לדוגמה, היה רגע משמעותי מוקדם בהיסטוריה של בעלי החוליות. חבורה של גנים ספציפיים לרקמות הופיעו לראשונה במקביל לשני אירועי שכפול גנום שלם. בעלי חיים יכלו לשמור עותק אחד עבור פונקציות בסיסיות, בעוד שהעותק השני יכול לשמש כחומר גלם לחדשנות אבולוציונית. אירועים כמו אלה, בדרגות קנה מידה שונות, התרחשו ללא הרף ברחבי העץ האבולוציוני הבילטריאני.

"הגנים שלנו הם כמו ספרייה עצומה של מתכונים שניתן לבשל אחרת כדי ליצור או לשנות רקמות ואיברים. תארו לעצמכם שבסופו של דבר מקבלים שני עותקים של מתכון לפאייה במקרה. אתה יכול לשמור וליהנות מהמתכון המקורי בזמן שהאבולוציה מסדרת את העותק הנוסף כך שהוא מכין ריזוטו במקום. עכשיו דמיינו את כל ספר המתכונים מועתק – פעמיים – ואת האפשרויות שהוא פותח לאבולוציה. המורשת של אירועים אלו, שהתרחשו לפני מאות מיליוני שנים, ממשיכה לחיות במרבית בעלי החיים המורכבים כיום", מסבירה פדריקה מנטיקה, מחברת המאמר וחוקרת במרכז לרגולציה גנומית (CRG) בברצלונה.

פונקציות גנים מיוחדות על פני מינים

מחברי המחקר מצאו דוגמאות רבות לתפקודים חדשים, ספציפיים לרקמות, שהתאפשרו בזכות ההתמחות של גנים אבותיים אלה. לדוגמה, ה TESMIN ו קֶבֶר גנים, שמקורם באותו אב קדמון, בסופו של דבר מילאו באופן עצמאי תפקיד מיוחד באשך הן בחולייתנים והן בחרקים. חשיבותם מודגשת על ידי העובדה שבעיות בגנים אלה עלולות לשבש את ייצור הזרע, ולהשפיע על הפוריות הן בעכברים והן בזבובי הפירות.

ההתמחות של גנים אבותיים הניחה גם כמה יסודות לפיתוח מערכות עצבים מורכבות. לדוגמה, בבעלי חוליות, החוקרים מצאו גנים קריטיים ליצירת מעטפות מיאלין סביב תאי עצב, החיוניים להעברת אותות עצביים מהירה. בבני אדם הם גם זיהו FGF17אשר נחשב למלא תפקיד חשוב בשמירה על תפקודים קוגניטיביים עד גיל מבוגר.

בחרקים, גנים ספציפיים התמחו בשרירים ובאפידרמיס ליצירת ציפורן, ותורמים ליכולתם לעוף. בעורם של תמנונים, גנים אחרים התמחו לקליטת גירויי אור, ותורמים ליכולתם לשנות צבע, להסוות ולתקשר עם תמנונים אחרים.

על ידי לימוד האבולוציה של מינים ברמת הרקמה, המחקר מדגים ששינויים באופן השימוש בגנים בחלקים שונים של הגוף מילאו תפקיד גדול ביצירת תכונות חדשות וייחודיות בבעלי חיים. במילים אחרות, כאשר גנים מתחילים לפעול ברקמות ספציפיות, זה יכול להוביל להתפתחות של תכונות או יכולות פיזיות חדשות, מה שבסופו של דבר תורם לאבולוציה של בעלי חיים.

"העבודה שלנו גורמת לנו לחשוב מחדש על התפקידים והתפקודים שגנים ממלאים. זה מראה לנו שגנים שהם חיוניים להישרדות ונשמרו במשך מיליוני שנים יכולים גם לרכוש בקלות רבה פונקציות חדשות באבולוציה. זה משקף את פעולת האיזון של האבולוציה בין שימור תפקידים חיוניים וחקירת נתיבים חדשים", מסכם פרופסור המחקר של ICREA מנואל אירמיה, מחבר המאמר וחוקר במרכז לרגולציה גנומית.