הנוצות של כולנו

חלק גדול מהגנים האחראים על בניית נוצות הציפורים קיימים כמעט בכל בעלי החוליות. כן, הם מסתתרים אפילו בתוכנו

יונת אשחר ונעם לויתן | גליליאו

אוח מצוי ואדם

אוח מצוי (מימין). צילום: John Haslam, CC-BY. תמונה משמאל: © אוהד חורי.

במהלך השנים האחרונות עברו הדינוזאורים שינוי מהותי. כלומר, הדינוזאורים כמובן לא השתנו – אבל אנו רואים אותם בצורה אחרת. אם פעם חשבנו עליהם כעל לטאות מפלצתיות בעלות "דם קר" (טמפרטורת גוף התלויה בסביבה) ועור קשקשי, היום אנו יודעים שלרבים מהם היו נוצות, וגם ש"הדם הקר" כבר אינו בקונצזוס. מעטֶה רך (ואולי אף צבעוני?) של נוצות חמימות בהחלט משנה את הדימוי הקר והמפחיד של הדינוזאורים, ולא כולם מרוצים מכך (הבמאי של הסרט החדש בסדרת "פארק היורה", למשל, כבר הודיע בטוויטר שבסרט שלו לא יהיו נוצות).

אך העובדה נותרת בעינה – נוצות התגלו ביצורים שחיו עשרות מיליוני שנים לפני הופעת הציפורים, ולפחות חלקם בבירור לא יכלו לעוף (תארו לעצמכם את הטי-רקס מנסה להתרומם מהקרקע בעזרת גפיו הקדמיות הקצרצרות). עובדה זו מעלה את השאלות – עד כמה קדומות הנוצות? ועד כמה קדום המנגנון שאחראי על יצירתן?

התשובה לשתי השאלות הללו איננה בהכרח זהה. במקרים רבים במהלך האבולוציה, איברים מתפתחים על גבי מבנים קדומים יותר – למשל, שלפוחית הציפה הנמצאת אצל רוב הדגים המודרניים התפתחה מריאה פרימיטיבית. נוצות מודרניות הן מבנים מורכבים ביותר: הן בנויות מציר מרכזי שממנו יוצאים סעיפים, ומהם סעיפי משנה. נוצות של ציפורים מודרניות מגיעות במגוון צורות, מנוצות הגוף הפלומתיות המשמשות לבידוד ועד לנוצות האברה החזקות המשמשות לתעופה. הן בנויות מקֶרָטין, החלבון המשמש גם לבניית ציפורניים, שיער, וקשקשים על עורם של זוחלים ועל רגלי ציפורים.

במהלך ההתפתחות העובּרית, נוצות נוצרות מצבירי תאים בעור של עובּר הציפור, הנקראים לוחיות (פְּלָאקוֹדים, Placodes). הגנים המבוטאים בלוחיות – כלומר, אלו שנבחרים "להיקרא" ועל פיהם מיוצרים חלבונים – הם הקובעים אם יתפתחו מהם נוצות ואלו נוצות הן יהיו. לכן, השחקנים החשובים בהתפתחות הנוצות אינם רק הגנים האחראים על יצירת הנוצות עצמן, אלא גם רצפי ה-DNA האחראים על הבקרה, אלו הקובעים איפה ומתי יופעלו הגנים השונים של הנוצות.

צוות חוקרים מאוניברסיטאות שונות בארצות הברית ובקנדה, בראשותו של קרייג לאו (Lowe) מאוניברסיטת סטנפורד, יצאו לבדוק את ההתפתחות האבולוציונית של שתי הקבוצות: הגנים האחראים על יצירת הנוצות, ורצפי הבקרה האחראים על הפעלתם של גנים אלו. כדי לעשות זאת, הם בחרו 193 גנים של נוצות – מתוכם 67 גנים לקרטין, ו-126 האחראים על יצירת הצורות השונות של הנוצה. הם השתמשו בשיטות שונות כדי למצוא את רצפי הבקרה של הגנים הללו וזיהו לא פחות מ-13,307 רצפים. במאמר שפורסם במגזין Molecular Biology and Evolution, השוו החוקרים בין הגנים ורצפי הבקרה בגנום של תרנגולת לאלו הנמצאים בגנומים של מגוון חולייתנים אחרים – יונקים, תנינים, לטאות, צפרדעים ודגים. דרך השוואה כזו אפשר ללמוד מתי גנים מסויימים הופיעו לראשונה ועד כמה הם השתנו במהלך האבולוציה בכל אחת מהקבוצות.

מכל בעלי החיים כיום עופות הם היחידים בעלי הנוצות. בעלי החיים הקרובים אליהם ביותר – התנינים והאליגטורים – לא מפגינים אפילו נוצונת קטנה לרפואה. לכן היינו מצפים שהגנים ליצירת הנוצות, או לפחות חלקם הגדול, יופיעו רק אצל הציפורים. אך לאו ועמיתיו גילו ממצאים אחרים. חלק מהגנים, אלו שאחראים על הצורה הכללית של הלוחיות שמהן מתפתחות הנוצות, נמצאו כבר אצל הדגים. מכך משתמע שגנים אלו הופיעו אצל האב הקדמון של הציפורים והדגים (שהוא גם האב הקדמון של הציפורים, הדגים והיונקים – כולל בני אדם), שחי לפני כ-500 מיליון שנה. ואפילו מפתיע עוד יותר – כל הגנים האחראים על צורת הנוצות (גנים לנוצות שאינם אחראים לייצור קרטין) קיימים אצל הזוחלים והיונקים. כלומר, גנים אלו הופיעו אצל האב הקדמון של הזוחלים, היונקים והעופות, שחי לפני 300 מיליון שנה – והם עדיין קיימים גם אצלכם.

מדוע אנחנו כיונקים או השממית כזוחלת צריכים גנים ליצירת נוצות? לא אנחנו ולא השממית צפויים לגדל פתאום זנב של טווס או ציצית של קקדו (עד כמה שהדבר עשוי להיראות מושך). היות שהם לא משמשים ליצירת נוצות, ההנחה היא שהם משמשים למטרה אחרת – שעדיין אינה ידועה.

נוצות תוכי ירוקות

נוצות תוכי ירוקות. צילום: © נעם לויתן

לפני 250 מיליון שנה, השושלת שהובילה אל התנינים, האליגטורים והציפורים המודרניות, וכן אל הדינוזאורים, התפצלה מהשושלות שהובילו אל הזוחלים האחרים. אצל האב הקדמון של שושלת זו נמצאו לא רק הגנים שנמצאו כבר לפני 300 מיליון שנה, האחראים על צורת הנוצות, אלא גם רבים מהגנים האחראים על יצירת הקרטין המרכיב את הנוצות. גם רוב רצפי הבקרה – 86 אחוז מ-13,307 הרצפים – נמצאו כבר אצל אבי השושלת הזו. כל זאת, כ-100 מיליון שנה לפני שהציפורים הראשונות החלו לעופף.

ישנם כמה דברים שאפשר ללמוד מהעובדה שהתשתית הגנטית ליצירת נוצות הופיעה זמן רב כל כך לפני שהציפורים המודרניות עלו על הבמה. דבר ראשון, והוא הלקח החוזר כמעט בכל פעם שאנו מתבוננים בהתפתחות של תכונה מסויימת: האבולוציה אינה עובדת בחלל ריק. מבנים מורכבים אינם מופיעים "יש מאין", הם בנויים על גבי מבנים קודמים, לפעמים כאלו ששינו את תפקודם לבלי הכר. אם רק נתבונן קרוב מספיק – במקרה הזה, עד לרמת הגן – נוכל למצוא את הרצפים הגנטיים שעליהם נבנתה המערכת המורכבת כל כך של נוצות הציפורים. התשתית הזו לא הונחה שם "בכוונה תחילה", היא לא נבנתה בציפייה להופעתן של הנוצות, אלא היא התפתחה כדי לענות על צרכים אחרים של יצורים קדומים שלא חלמו על נוצות או על תעופה. אך כאשר צאצאיהם מצאו את עצמם בסביבה שבה נוצות סיפקו יתרון הישרדותי – אולי משום שהן סיפקו בידוד או אולי לצורך תצוגה (כמעט בוודאות לא לצרכי תעופה בשלב הראשון) – התשתית הזו כבר הייתה שם, כר פורה לשינויים גנטיים שיובילו אל הנוצות הראשונות. ובאותו אופן, אותן נוצות ראשונות שינו את מבנן ואת תפקודן במהלך עשרות מיליוני שנים, כדי לאפשר לצאצאיהם של בעלי הנוצות הראשונות לפתח מכשירי תעופה יעילים.

דבר שני, מהמחקר עולה שחלק גדול מהגנים האחראים ליצירת הנוצות התפתחו בשלב מוקדם מאוד – חלקם אפילו לפני 500 מיליוני שנה – ולעומת זאת, רוב רצפי הבקרה הגיעו מאוחר יותר. כלומר, חלק ניכר מהאבולוציה של הנוצות לא הייתה דרך שינויים בגנים ובחלבונים עצמם אלא במנגנונים הקובעים איפה ומתי החלבונים הללו ייווצרו. זהו אינו המחקר הראשון (ויש להניח שגם אינו האחרון) המראה את חשיבותם של רצפי הבקרה לאבולוציה של תכונות שונות. לדוגמה, חלק גדול מההבדלים בין האדם לשימפנזה מקורם ככל הנראה ברצפי בקרה ולא בגנים עצמם.

דבר שלישי, קיומה של תשתית גנטית רחבה כל כך ליצירת נוצות אצל בעלי חיים רבים כל כך עשויה להעיד שגידול נוצות, או לפחות מבנים דמויי-נוצות, אינו דבר מסובך במיוחד. הנוצות של הציפורים המודרניות אמנם מורכבות ומגוונות, אך היינו מצפים שמבנים פשוטים יותר, החולקים חלק מהתכונות של הנוצות המודרניות, יתפתחו בקלות יחסית. אם הנחה זו נכונה, נצפה לראות מבנים דמויי-נוצות גם בקבוצות שאינן קרובות במיוחד אל הציפורים (בניגוד לדינוזאורים הקדומים שהם אבות הציפורים המודרניות). ואמנם, מחקרים חדשים מציעים כי מבנים כאלו היו קיימים אצל הפְּטֶרוֹזָאוּרים – זוחלים שאינם קרובים במיוחד לדינוזאורים ולציפורים אך היו החולייתנים המעופפים הראשונים. לפחות כמה מיני פטרוזאורים היו מכוסים במעין סיבים דמויי שיער, אך קרובים יותר במבנה הבסיסי שלהם לנוצות, על פי חלק מהחוקרים. אותן קדם נוצות (Proto-Feathers), כפי שהן קרויות לעתים, היו רחוקות מרחק רב מנוצות האברה של הציפורים המודרניות, ובוודאי לא עזרו לפטרוזאורים לעוף – כנפיהם היו עשויות מקרום עור שנמתח בין הגפיים הקדמיות לאחוריות, ובכך הם דמו לעטלפים יותר מאשר לציפורים. הסיבים שכיסו אותם שימשו ככל הנראה לבידוד, כפי שאולי שימשו גם הנוצות האמיתיות הראשונות. אך הימצאותן בקבוצה זו, המרוחקת מבעלי הנוצות שהיו ידועים לנו עד עתה, מעידה על האוניברסליות של הפוטנציאל לגדל נוצות.

הבנתנו את האבולוציה של הנוצות עדיין חלקית למדי. אנחנו לא יודעים בדיוק איזה בעל חיים פיתח את הנוצות האמיתיות הראשונות (אם כי אנחנו משערים שהוא היה דינוזאור), וגם לא לאיזה צורך. איננו יודעים אם ועד כמה צורות שונות של קדם נוצות היו נפוצות אצל בעלי החיים הקדומים – בין השאר משום שמבנים כאלו לרוב אינם מתאבנים. איננו יודעים לאיזה צורך מקורי התפתחה התשתית הקדומה שעליה נבנו הנוצות המודרניות. מחקרים מהסוג של לאו ועמיתיו משתמשים בכלים החדשים שמאפשרת הביולוגיה המודרנית – השוואה בין גנומים שלמים של יצורים שונים – כדי לשחזר את הגנטיקה של בעלי חיים מלפני מאות מליוני שנה. בעזרת מחקרים דומים נוספים אפשר יהיה לשפוך אור על הנושאים הללו ועל רבים אחרים. אין זה אומר שהשוואות גנטיות יוכלו לענות על כל השאלות הפתוחות ולשרטט במדויק את התפתחותה של כל תכונה שנרצה. אך הן כלי עצמתי למדי במערך הכלים העומד לרשות החוקרים, הכולל גם חקר מאובנים, וכלים רבים נוספים. בעזרת כל הכלים הללו יחד, התהליכים שהובילו אל העולם שאנו רואים סביבנו כיום הולכים ומתבהרים.

למידע נוסף

המאמר המקורי:

Lowe, C. B., Clarke, J. A., Baker, A. J., Haussler, D. & Edwards S. V. Feather development genes and associated regulatory innovation predate the origin of Dinosauria. Mol. Biol. Evol. 32, 23-28 (2015). doi: 10.1093/molbev/msu309

נעם לויתן ויונת אשחר, "קטעי מעבר", "גליליאו" 132

כיצד התפתחו הנוצות? שיעור ב-TED-Ed מאת קרל זימר (יש כתוביות בעברית):

מאמר המבוסס על רשומה זו התפרסם בגליליאו גיליון 197, פברואר 2015

מודעות פרסומת

תגיות: , , , , , ,

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: