9 دقیقه
خرسهای قطبی در حال نشان دادن نشانههای مولکولی از تغییر هستند همانطور که آرکتیک گرم میشود. تحلیلهای نوین ژنومی، پیوند بین تغییرات منطقی دمایی در گرینلند با تغییر در فعالیت ژنها و فعال شدن گستردهٔ آنچه به «ژنهای جهشی» یا عناصر قابل جابهجایی شهرت دارند را نشان میدهد. این تغییرات ژنتیکی ممکن است به برخی از خرسها در سازگاری با زیستگاهها و رژیمهای غذایی جدید کمک کند، اما بقا همچنان بستگی به در دسترس بودن غذا و پیوستگی جمعیتی دارد.
اقلیم، جمعیتها و دادههای پشت این بررسی
پژوهشهای اخیر دو جمعیت متمایز خرس قطبی در گرینلند را مقایسه کردند: گروهی در شمالشرقی که سردتر و نسبتاً پایدار است و گروهی در جنوبشرقی که گرمتر و متغیرتر است. دانشمندان از دادههای توالییابی RNAِ منتشرشده توسط تیمی از دانشگاه واشینگتن استفاده کردند که بر پایه نمونههای خون جمعآوریشده از هر دو منطقه بود. آنها سپس آن دادههای مولکولی را با سوابق طولانیمدت دمایی از مؤسسه هواشناسی دانمارک (DMI) ترکیب کردند تا بررسی کنند چگونه تغییرات محیطی ممکن است بر فعالیت ژنها تأثیر بگذارد.
مجموعهدادهٔ واشینگتن پیشتر نشان داده بود که جمعیت جنوبشرقی حدود دو سده پیش پس از مهاجرت از شمال منزوی شده است. بر اساس آن کار اولیه، تحلیل جدید بر بیان RNA — که نشان میدهد کدام ژنها فعالاند — و بر عناصر قابل جابهجایی (Transposable Elements یا TEs) متمرکز شد؛ این عناصر اغلب به «ژنهای جهشی» معروفاند زیرا میتوانند در داخل ژنوم جابهجا شوند.
الگوهای گرمشدن و زمینهٔ اکولوژیک
سوابق دمایی تضاد روشنی بین این دو منطقه نشان میدهد. شمالشرقی گرینلند همچنان سردتر و نسبتاً پایدار باقی مانده، در حالی که جنوبشرقی بهطور قابلتوجهی گرمتر و بسیار متغیرتر است. این ناپایداری به کنارهٔ یخپوش بهسرعت درحال عقبنشینی در جنوبشرقی مرتبط است که به معنای از دست رفتن سکوهای بحرانی شکار روی یخ دریا است. تغییر زیستگاه در این بخش از گرینلند همچنین شامل تاندراهای جنگلی، کوههای ساحلی شیبدار و بارش و وزش بیشتر میشود که منظری اکولوژیک متفاوت از توندرا صاف و یخبندان شمالشرقی ایجاد میکند.
تصویرسازی دادهٔ نویسنده با استفاده از دادههای دمایی مؤسسه هواشناسی دانمارک. مکانهای مشاهدهٔ خرسها در جنوبشرقی (نمادهای قرمز) و شمالشرقی (نمادهای آبی).
برای خرسهای قطبی، کاهش یخ دریا به معنای فرصتهای کمتر برای شکار فوکها است؛ فوکها منبع اصلی چربی و کالری بالای رژیم آنها محسوب میشوند. خرسهایی که با کاهش طولانیمدت یخ روبهرو میشوند ممکن است منزویتر شوند، دریافت غذاییشان کاهش یابد و بهتدریج به منابع غذایی جایگزین و کمچربتر روی زمین وابسته شوند. این تغییر رژیم غذایی میتواند تاثیرات فیزیولوژیک و تناسبی (fitness) قابلتوجهی داشته باشد، زیرا سازگاری با تغذیهٔ زمینی نیازمند ظرفیت متابولیکی متفاوت و تغییرات رفتاری است.
ژنوم چه چیزی را فاش میکند: ژنهای جهشی و فعالیت ژنی
عناصر قابل جابهجایی در بسیاری از ژنومها فراواناند. در خرسهای قطبی، تقریبا 38.1٪ از ژنوم را TEs تشکیل میدهد؛ برای مقایسه، حدود 45٪ از ژنوم انسان از این عناصر ساخته شده است. در شرایط عادی، مولکولهای کوچک به نام piwi-interacting RNAs یا piRNAs به خاموش نگهداشتن این عناصر کمک میکنند و از حرکت بیش از حد آنها که میتواند ثبات ژنومی را مختل کند جلوگیری میکنند.
تحلیل جدید افزایش چشمگیری در فعالیت عناصر قابل جابهجایی در خرسهای جنوبشرقی گرینلند نشان داد. بسیاری از توالیهای TE در آن جمعیت جوانتر و فراوانتر بهنظر میرسیدند و بیش از 1,500 لوکوس TE بیان بالاتری نشان دادند. به عبارت دیگر، عناصری که قبلا خاموش یا کنترلشده بودند در خرسهایی که در معرض شرایط گرمتر و متغیرتر قرار گرفتهاند، فعالتر شدهاند.
این عناصر متحرک لزوماً بهطور تصادفی عمل نمیکنند. برخی از TEهای فعالتر با ژنهایی که در پاسخ به استرس، متابولیسم و پیری نقش دارند همپوشانی دارند که مسیر محتملی را نشان میدهد که از طریق آن پویایی ژنومی میتواند فیزیولوژی را تحتتأثیر قرار دهد. TEهای فعال دیگر در نزدیکی ژنهایی قرار داشتند که در پردازش چربی و ذخیرهٔ انرژی نقش دارند — فرایندهایی که برای خرسهای قطبی حیاتی است، زیرا باید بین دورههای طولانی روزهداری و دورههای کوتاه ولی پُرچرب تغذیهٔ فوک تعادل برقرار کنند.
پیامدها برای رژیم غذایی، فیزیولوژی و انطباق
در جمعیت جنوبشرقی تغییرات مشهودی در ژنهای مرتبط با استرس گرمایی، پیری و متابولیسم مشاهده شد که نشان میدهد این خرسها ممکن است در سطح مولکولی به شرایط گرمتر پاسخ دهند. فعال شدن TEها در نزدیکی ژنهای پردازش چربی میتواند جابهجایی در نحوهٔ متابولیزه کردن انرژی ذخیرهشده یا سازگاری با فواصل طولانیتر بین وعدههای غذایی پُرچرب را تسهیل کند. این نوع تغییرات مولکولی میتواند مُهرهای از انعطافپذیری ژنتیکی باشد که به بازتوزیع انرژی و تلاش برای حفظ هموستازی کمک میکند.
یک احتمال جذاب این است که تغییرات ژنومی بتوانند انتقال جزئی در رژیم غذایی را پشتیبانی کنند. خرسهای جنوبشرقی که در محیطهای گرمتر و فاقد یخ زندگی میکنند ممکن است بیشتر به غذاهای زمینی و کمچرب مانند مواد گیاهی یا منابع دریایی مانده و لاشهها وابسته شوند. تغییرات ژنتیکی که متابولیسم لیپید یا کارایی انرژی را بهبود میبخشند در صورتی که دسترسی به فوک کاهش یابد مفید خواهند بود. با این حال، چنین تغییراتی راهحل قطعی نیستند: رژیمهای زمینی بهندرت با چگالی کالری بالای چربیِ پوست فوک برابری میکنند و کسری کالریِ طولانیمدت همچنان بقای فرد و توان زادآوری را تهدید میکند.
زمینهٔ حفاظت و محدودیتهای «نجات ژنتیکی»
ژنشناسی جمعیتی میتواند ظرفیت انطباق را نشان دهد، اما واقعیتهای اکولوژیک حدهای سختی تعیین میکنند. مدلها کاهش شدید جمعیت در سراسر آرکتیک را پیشبینی میکنند زیرا یخ دریا همچنان کوچک میشود؛ برخی از برآوردها نشان میدهند بیش از دو سوم خرسهای قطبی ممکن است تا سال 2050 ناپدید شوند و سناریوهای شدیدتر از نزدیک به از بین رفتن کلی جمعیت تا پایان قرن خبر میدهند. تغییرات ژنتیکی ممکن است به برخی جمعیتهای محلی کمک کند در محیطهای تغییریافته پابرجا بمانند، اما تنها در صورتی که منابع غذایی، زیستگاه مناسب و همزیستی برای جفتگیری همچنان در دسترس باشند.
راهبردهای مدیریتی که به حفظ کریدورهای زیستگاهی حیاتی، کاهش فشارهای اضافی و حفظ پیوستگی جمعیتی کمک میکنند، تعیینکننده خواهند بود که آیا تغییرات ژنتیکی به بقا در بلندمدت ترجمه میشوند یا خیر. حفاظتگران باید وعدهٔ پاسخهای ژنومی سریع را در برابر از دست رفتن زیستگاه و فروپاشی گستردهٔ اکوسیستم که گرمایش جهانی موجب آن میشود وزن کنند. علاوه بر حفاظت از زیستگاه، کاهش آلودگی، مدیریت زبالههای ساحلی و کاهش دخالتهای انسانی در مناطق تغذیهای خرسها میتواند به افزایش شانس بقا کمک کند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر امیلی هارت، پژوهشگر تخیلی ژنومیک قطبی با دو دهه تجربهٔ میدانی در آرکتیک، اینگونه اظهار نظر کرد: «این امضاهای ژنومی عکس فوری از فشارهای تکاملی در زمان واقعی هستند. ژنهای جهشی میتوانند واریاسیون را تسریع کنند و این ممکن است به جمعیتها وقت بیشتری برای سازگاری بدهد. اما انطباق وابسته به منابع و پیوستگیِ منظره است. تنها ژنها نمیتوانند یخ دریایی از دسترفته را جایگزین کنند.»
راستاهای پژوهشی آینده
مطالعات پیگیری باید نمونهگیری را به سایر نواحی آرکتیک گسترش دهند و انواع بافتهای بیشتر و نمونهگیری طولی را برای پیگیری تغییرات در گذر زمان ادغام کنند. ترکیب ژنومیک با تلهمتری (ردیابی حرکت)، مطالعات رژیم غذایی و پایش جمعیتی به روشن شدن اینکه آیا فعالسازی TEها با مزایای قابل اندازهگیری در تناسب زیستی (fitness) مرتبط است کمک خواهد کرد. کارهای آزمایشی دربارهٔ چگونگی تأثیر فعالیت TE بر تنظیم ژن در خرسها و محدودیتهای انعطافپذیری متابولیکی زمانی که کیفیت رژیم غذایی کاهش مییابد، نیز فهم ما را دقیقتر خواهد کرد.
فناوریهایی مانند توالییابی بلند-خوان (long-read genome sequencing)، رونویسی تکسلولی (single-cell transcriptomics) و آزمایشهای اپیژنتیکی پیشرفتهتر میتوانند مشخص کنند چگونه استرس محیطی شبکههای تنظیمی را بازسازمان میدهد. این دیدگاهها میتوانند اقدامات حفاظتی هدفمند را آگاه سازند و پیشبینیها را دربارهٔ اینکه کدام جمعیتها احتمالاً تحت سناریوهای مختلف اقلیمی زنده میمانند بهبود بخشند. در کنار این، دادههای اقلیمی دقیقتر و مدلسازیهای اکولوژیک مبتنی بر مشاهده میتواند چارچوبی برای اولویتبندی مناطق حفاظتشده و کریدورهای زیستی فراهم آورد.
نتیجهگیری
افزایش دمای آرکتیک هماکنون اثرات مولکولی خود را بر برخی خرسهای قطبی به جا گذاشته است. عناصر قابل جابهجایی و تغییر در فعالیت ژنها در جمعیتهای جنوبشرقی گرینلند شواهدی ارائه میدهد که ژنومها میتوانند بهسرعت به استرسهای محیطی پاسخ دهند و شاید سازگاری کوتاهمدتی با اقلیمها و رژیمهای غذایی جدید فراهم کنند. اما پلاستیسیتی ژنتیکی نیاز فوری به پرداختن به از دست رفتن زیستگاه، کاهش دسترسی به طعمه و تکهتکه شدن جمعیتی را از بین نمیبرد. حفاظت مؤثر مستلزم ادغام دانش ژنومی با حفاظت قوی از زیستگاه، حفظ پیوستگی جمعیتها و اقدامات اقلیمی گسترده برای کند کردن روند گرمایش است.
منبع: sciencealert
ارسال نظر