Balıkların Solungaçlarıyla Kulağımız Arasında Ortak Bir Ata Varlığı Vardır.
Evrim, eski yapıları (veya eski genleri) genellikle yeni işler için kullanır. Memeli kulağı bunun mükemmel bir örneğidir. Geçen zaman içinde, balık atalarımızın çene kemikleri, kulak zarından iç kulağa ses dalgalarını ileten üç ayrı küçük kemik haline gelmiştir. Şimdi yeni bir çalışma, balıklardan memelilere başka bir mirasın aktarıldığını gösteriyor. Esnek kıkırdakların balık solungaçlarındaki kıkırdak ile memeli dış kulaktaki kıkırdak arasında yakın bir benzerlik olduğu ortaya çıktı. Esnek kıkırdak yapıları, balıkların solunum yapmasını sağlarken memelilerin dış kulaklarında sesi yakalar. Ancak, balıklardaki kıkırdak yapılarının memelilerdeki dış kulak kıkırdağına dönüştüğü de söylenemez. “Hayatın ve evrimin en büyük hayranlıklarından biri,” diyen King’s College London’ın gelişim ve evrim profesörü Abigail Tucker, “Düzenleyici ağ hala oradaydı ve bu nedenle tekrar devralınabilir ve kullanılabilirdi, bu sefer bir solungaç yapısı yerine dış kulak yapısı oluşturmak için.” diyor.
Bu gen ağının geri dönüşü, sonraki evrimsel yenilikler için temel oluşturdu. Memeli dış kulağındaki kıkırdak, yarasaların büyük, hassas kulakları, kedinin uyanık, sivri kulakları veya filin sarkık kulakları gibi çeşitli şekillere evrildi, her biri o hayvan için önemli olan seslere uyum sağlar. Bazı memelilerde, kulak kıkırdağı daha da değiştirilmiş, büyük yağ damlacıkları içeren özelleşmiş kıkırdak hücreleriyle doldurulmuştur ve araştırmacılar bu yağ damlacıklarının kıkırdakların benzersiz yapısal ve akustik özelliklerini verdiğini hipotezlemektedir.
“Başlangıçta zebrafish’i bir model organizma olarak kullanan ekip, vertebrat yüzünün gelişimine uzun süredir ilgi duyuyordu. Zebrafish yüzündeki tüm farklı hücre tiplerinin bir atlasını oluştururken, araştırmacılar beklenen kıkırdak türlerini ve daha önce fark etmedikleri bir türü fark etti. Bu beklenmedik form, balıkların parmak benzeri projeksiyonlarını destekleyen elastik kıkırdak bir çubuktuydu. Bu kıkırdak, memelilerin dış kulağındaki kıkırdağa benzerdi.” diyor.
Araştırmacılar, insan dış kulak kıkırdağındaki gen aktivitesinin, balık solungaçlarındaki elastik kıkırdağdaki gen aktivitesine benzer olduğunu gözlemlediler. Ancak birçok gen, ilgili olmayan organlarda aktiftir. Yapılan araştırmalar, bu yapıların evrimsel bir geçmişi paylaşıp paylaşmadığını görmek için, genellikle belirli bir dokuda hedef genlerin aktivitesini sürükleyen DNA dizileri olan enhancerlara odaklandı. Bu yaklaşım, “çok ilham verici ve gerçekten çok zeki, çok keskin” diyor. Araştırmada yer almayan, Kaliforniya, San Francisco Üniversitesi’nde bir kök hücre ve gelişimsel biyolog olan Licia Selleri.
Balık-solungaç-kulak sorusunu araştırmak için, o zaman Crump’ın lisansüstü öğrencisi Mathi Thiruppathy liderliğindeki araştırmacılar, bazı zeki genetik aktarım deneyleri yaptılar. İlk olarak, genellikle hedef genleri kontrol eden altı insan dış kulak enhancer’larını zebrafish genomuna yerleştirdiler ve bu enhancer’ların normalde etkinleştirilmesi gereken vücut bölgesini tanımlamak için bir floresan rapor geni kullandılar. Şaşırtıcı bir şekilde, insan dış kulak kıkırdak enhancerları, zebrafish solungaçlarında yeşil floresan proteinin etkinliğini sürdürdü, bu da gen ifadesini kontrol eden şeyin solungaçlar ve dış kulak arasında çok benzer olduğunu gösterdi, diyor Crump.
Sonra ekip başka bir deney yaptı: zebrafish solungaçlarında aktif olan anahtar enhancer’ları fare genomuna yerleştirdi. Araştırmacılar, balıklardaki DNA elemanlarının artık transgenik farelerin dış kulaklarında yeşil floresan proteinini etkinleştirdiğini gözlemledi, bu da aynı temel gen ağının solungaçlarda ve kulakta kıkırdak oluşturmak için kullanıldığını güçlendirdi.
“Bu, yalnızca aynı moleküler araç takımını yeniden kullanmanın ötesinde daha ilginç kılan şey, bu genleri kontrol eden düzenleyici elementleri [enhancerlar] de tekrar kullanmasıdır,” diyor Tucker. “Bu nedenle, gill kıkırdağı için genlerin ifadesini sürükleyen düzenleyici elementler, balığın gill kıkırdağını ve memeli dış kulak kıkırdağını ifade etmek için kullanılır.”
Sonra araştırmacılar, bu enhancerlar altındaki hangi anahtar genlerin etkisi altında olduğunu belirlemeye çalıştılar. Öne çıkan bir gen ailesi, böcek uzvunun gelişimi için önemli olan bir genle ilişkili olan DLX idi. Araştırmacılar, vertebrat DLX genleri için aynı enhancerların, 400 milyondan fazla yıllık evrim sürecinde zebrafish’ten insanlara kadar olan hayvanlarda ortaya çıktığını buldular. Bu da enhancerların genetik olarak mühendislik balıklarına ve farelere takılabildiği anlamına geliyor.
Bu enhancerların ne kadar eski olduğunu görmek için, araştırmacılar yengeçlerde solungaçlarla solunum yapan omurgasızları incelediler. Yengeçlerde DLX geniyle ilişkili olan aynı distal-less geninin, yengeç solungaçlarını oluşturmada da rol oynadığını keşfettiler. Ve yengeç DNA kontrol elementini zebrafish genomuna takarak, zebrafish solungaçlarında floresan molekülü etkinleştirmek mümkün oldu. Bu, memeli dış kulağını oluşturan genetik makinanın, vertebrat evrimine kadar uzandığını gösteriyor; bu, ilk deniz omurgasızlarına, solungaç benzeri projeksiyonları olan ilk omurgalılara kadar yüz milyonlarca yıl öncesine dayanabilir. Balıklar, ilk omurgalılar olarak evrimleşirken, bu invertebratlardaki gill kıkırdaklarını oluşturan gen ağı, balıklar yeni bir tip kemik iskelet geliştirirken geri dönüştürüldü.
“Dış kulaktaki elastik kıkırdaklarımızın muhtemelen omurgasız kıkırdakların son kalıntısı olduğunu düşünüyoruz,” diye tahmin ediyor Crump.
Balıklardan memelilere kadar olan omurgalı evrimsel ağacında ne olduğunu anlamak için, araştırmacılar aynı enhancerların aktivitesine kurbağa ve kertenkelelerde baktılar. Kurbağa yavrularında, insan dış kulak enhancerları, kurbağa solungaçlarında floresan proteini aktive etti. Kertenkelelerde, solungaç veya dış kulak olmayan iguanalar, insan dış kulak enhancerlarına sahip oldukları floresan proteini iguanaların kulak kanalında aktive etti, bu da balık ve kurbağa solungaçlarındaki elastik kıkırdağın faaliyete geçtiğini gösteriyor. Bu, Crump’a göre, “Amfibiler ve sürüngenler arasında gillere kulak kanalına bir geçiş olduğunu ve bunun da memelilerde dış kulak oluşturmak için büyük ölçüde genişlediğini düşünüyoruz.”
Zamanla, memelilerde dış kulak kıkırdağı sadece şekilde değil, iç kompozisyonda da evrimleşmeye devam etti. Hücre biyologu Maksim Plikus ve ekibi, son zamanlarda, fareler, kunduzlar, yarasalar ve sıçanlar gibi küçük memelilerin kulaklarında, kıkırdak hücreleri arasında kıkırdak hücreleri ve yağ hücreleri arasında bir tür melez olduğunu tanımladılar. Bu hücreler, yağ damlalarıyla dolu olup, Baloncuk Paketi benzeri bir doku olan lipokıkırdak oluşturur. Bu doku, ilk kez 1854’te Alman histolog Franz von Leydig tarafından keşfedilmiş olmasına rağmen, şimdiye kadar neredeyse unutulmuştu. Plikus’un ekibi, lipokıkırdakın, memeli işitmesi için bir adaptasyon olan ses dalgalarının yayılmasını artırma yeteneği gibi benzersiz akustik özelliklere sahip olabileceğini hipotezlemektedir.
“Omurgasızlarda var olan ve daha sonra balıklarda ve memelilerde dış kulağı oluşturmak için tekrar kullanılan bir program olduğu kesindir. Memelilerde görülen bir diğer yenilik, yağ içeren kıkırdak varlığıdır.” diyor Selleri.
“[Lipokıkırdak], normalde enerji depolamak için lipid damlacıklarını kullanan yağ hücrelerinden oldukça farklı bir amaç için kullanabilir.” Plikus’a göre, yağ damlacıklarının ana amacı enerji depolamaktır ve lipokıkırdakta, “bu lipid damlacıkları genellikle yapısal ve biyomekanik bir rol oynar, bu nedenle artık bir metabolik fonksiyona katkıda bulunmazlar,” diyor.
