اختاپوس‌ها از حل مسئله و گشودن محفظه‌های پیچیده گرفته تا یادگیری از تجربه و دست‌کاری اشیا، توانایی‌هایی دارند که در میان بی‌مهرگان کم‌نظیر است. اما چه چیزی در طول تکامل به شکل‌گیری چنین توانایی‌هایی کمک کرده است؟ پاسخ ممکن است فقط در اینکه DNA چه ژن‌هایی دارد خلاصه نشود؛ بلکه به این هم بستگی داشته باشد که DNA چگونه در فضای سلول سازمان‌دهی می‌شود.
پژوهشگران دانشگاه وین در مطالعه‌ای که در ۹ اکتبر ۲۰۲۶ در مجله Nature Communications منتشر شد، ساختار سه‌بعدی ژنوم چند گونه از سرپایان را بررسی کردند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که بازآرایی‌های گسترده ژنومی در گذشته دور، بخش‌هایی از DNA را که پیش‌تر از یکدیگر فاصله داشتند، به هم نزدیک کرده‌اند. این تغییرات می‌توانسته‌اند فرصت‌های تازه‌ای برای تنظیم فعالیت ژن‌ها فراهم کنند و شاید در تکامل ویژگی‌های پیچیده این جانوران سهم داشته باشند.
وقتی از DNA صحبت می‌کنیم، معمولاً تصویری از رشته‌ای مارپیچی در ذهن شکل می‌گیرد که اطلاعات ژنتیکی را در خود ذخیره کرده است. اما DNA در هسته سلول به شکل رشته‌ای کشیده و ساده قرار ندارد؛ بلکه در ساختاری پیچیده و سه‌بعدی تا می‌خورد و سازمان می‌یابد.
این آرایش فضایی اهمیت زیادی دارد. دو بخش از DNA ممکن است در توالی ژنتیکی فاصله زیادی از یکدیگر داشته باشند، اما در فضای سه‌بعدی هسته به هم نزدیک شوند. چنین نزدیکی‌ای می‌تواند امکان تعامل میان عناصر تنظیم‌کننده و ژن‌ها را فراهم کند و بر زمان، مکان و میزان فعالیت ژن‌ها اثر بگذارد.
به همین دلیل، دو سلول با DNA تقریباً یکسان می‌توانند رفتارهای متفاوتی داشته باشند: تفاوت در تنظیم ژن‌ها، نه صرفاً تفاوت در توالی آن‌ها، بخشی از توضیح این مسئله است.
پژوهش جدید بر همین اصل تکیه دارد. دانشمندان می‌خواستند بدانند تغییرات بزرگ در ساختار ژنوم طی تکامل چگونه بر ارتباط میان بخش‌های مختلف DNA و در نتیجه بر تنظیم ژن‌ها اثر گذاشته‌اند.
اختاپوس‌ها، ماهی‌های مرکب و سپیداج‌ها به گروهی از سرپایان تعلق دارند که در اصطلاح علمی «سرپایان کلئوئیدی» نامیده می‌شوند. نیای این گروه صدها میلیون سال پیش شاهد تغییرات گسترده‌ای در سازمان ژنوم خود بوده است؛ تغییراتی که شامل جابه‌جایی و اتصال بخش‌هایی از کروموزوم‌ها می‌شد.
تیم پژوهشی با مقایسه ساختار ژنوم و فعالیت ژن‌ها در سه گونه، شواهدی به دست آورد که نشان می‌دهد این تاریخچه ژنتیکی هنوز در سازمان سه‌بعدی DNA آن‌ها بازتاب دارد.
وقتی بخش‌هایی از ژنوم که پیش‌تر از یکدیگر جدا بودند، در اثر بازآرایی‌های کروموزومی به هم نزدیک می‌شوند، ممکن است تعاملات تنظیمی جدیدی شکل بگیرد. در طول زمان، برخی از این تعاملات می‌توانند با شبکه‌های موجود پیوند بخورند و سامانه‌ای پیچیده‌تر از ارتباطات ژنتیکی پدید آورند.
پژوهشگران برای توصیف این وضعیت از مفهوم «درهم‌تنیدگی تنظیمی» استفاده می‌کنند؛ یعنی وضعیتی که در آن ارتباط میان بخش‌های مختلف ژنوم به‌تدریج شبکه‌ای‌تر و پیچیده‌تر می‌شود.
این مفهوم به معنای درهم‌پیچیدن فیزیکی DNA به شکلی غیرعادی نیست. منظور، شکل‌گیری شبکه‌ای از تعاملات تنظیمی میان بخش‌های مختلف ژنوم است؛ شبکه‌ای که می‌تواند مسیرهای تازه‌ای برای کنترل فعالیت ژن‌ها ایجاد کند. بااین‌حال، این سازوکار هنوز توضیحی احتمالی برای چگونگی تکامل ویژگی‌های جدید است، نه اثبات قطعی منشأ هوش اختاپوس‌ها.
یکی از یافته‌های مهم پژوهش این بود که همه بخش‌های ساختار سه‌بعدی ژنوم با سرعت یکسانی تغییر نمی‌کنند.
پژوهشگران ساختارهایی به نام «دامنه‌های کروماتینی» را بررسی کردند. کروماتین مجموعه DNA و پروتئین‌هایی است که ژنوم را در هسته سلول بسته‌بندی و سازمان‌دهی می‌کنند. دامنه‌های کروماتینی بخش‌هایی از این ساختارند که در سطحی گسترده به سازمان‌یافتگی ژنوم کمک می‌کنند.
نتایج نشان داد که این دامنه‌های بزرگ در گونه‌های بررسی‌شده، در مجموع، محافظت‌شده و نسبتاً پایدار باقی مانده‌اند؛ حتی با وجود تغییرات گسترده‌ای که در تاریخ تکاملی ژنوم رخ داده است.
در مقابل، ساختارهای کوچک‌تری به نام «حلقه‌های کروماتینی» تنوع بیشتری داشتند. این حلقه‌ها بخش‌هایی از DNA را که در توالی خطی از هم فاصله دارند، در فضای هسته به یکدیگر نزدیک می‌کنند. آن‌ها بسته به گونه جانوری، نوع بافت و مرحله رشد می‌توانند متفاوت باشند.
برخی از این حلقه‌های متغیر در نزدیکی ژن‌هایی دیده شدند که با ویژگی‌های شاخص سرپایان، از جمله دستگاه عصبی، ارتباط دارند. این الگو احتمال می‌دهد که حلقه‌های کروماتینی انعطاف‌پذیر بتوانند در تغییر تنظیم ژن‌ها نقش داشته باشند، درحالی‌که دامنه‌های بزرگ‌تر بخشی از سازمان پایه ژنوم را حفظ می‌کنند.
برای بازسازی این معماری پیچیده، پژوهشگران از چند روش مکمل استفاده کردند؛ از جمله روش Micro-C برای بررسی نزدیکی فیزیکی بخش‌های مختلف کروماتین، روش RNA-seq برای اندازه‌گیری فعالیت ژن‌ها و روش ATAC-seq برای شناسایی نواحی نسبتاً در دسترس DNA که می‌توانند در تنظیم ژن‌ها نقش داشته باشند.
این داده‌ها در سه گونه از سرپایان بررسی شدند: اختاپوس کالیفرنیایی دوخال، سپیداج معمولی و گونه‌ای از ماهی‌های مرکب کوتوله. نمونه‌ها از بافت‌ها و مراحل رشدی مختلف تهیه شده بودند تا پژوهشگران بتوانند ساختار ژنوم را در زمینه‌های زیستی متفاوت مقایسه کنند.
ترکیب این روش‌ها به دانشمندان امکان داد ارتباط میان آرایش سه‌بعدی DNA و فعالیت ژن‌ها را بررسی کنند. بااین‌حال، مشاهده یک حلقه کروماتینی در نزدیکی ژنی مرتبط با دستگاه عصبی، به‌تنهایی ثابت نمی‌کند که آن حلقه مسئول تکامل یک توانایی شناختی مشخص است. برای اثبات چنین رابطه‌ای باید نقش عملکردی این تعاملات به‌طور مستقیم آزمایش شود.
هنوز نه؛ دست‌کم نه به‌طور کامل.
مطالعه نشان می‌دهد که ساختار سه‌بعدی ژنوم سرپایان تاریخچه تکاملی پیچیده‌ای دارد و برخی از تغییرات آن با الگوهای متفاوت تنظیم ژن‌ها همراه‌اند. این موضوع راهی تازه برای بررسی چگونگی شکل‌گیری دستگاه عصبی بزرگ و رفتارهای پیچیده در این جانوران فراهم می‌کند.
اما باید میان سه ادعا تفاوت گذاشت:
آنچه مستقیماً مشاهده شده است: دامنه‌های بزرگ کروماتینی در گونه‌های بررسی‌شده نسبتاً محافظت‌شده‌اند، درحالی‌که حلقه‌های کروماتینی تنوع بیشتری میان گونه‌ها، بافت‌ها و مراحل رشد نشان می‌دهند.
آنچه داده‌ها پشتیبانی می‌کنند: بازآرایی‌های ژنومی باستانی احتمالاً بر ارتباطات تنظیمی میان بخش‌های مختلف DNA اثر گذاشته‌اند.
آنچه هنوز به اثبات نرسیده است: اینکه این تغییرات مستقیماً باعث تکامل هوش اختاپوس‌ها شده‌اند یا سهم آن‌ها در شکل‌گیری رفتارهای پیچیده دقیقاً چقدر بوده است.
هوش جانوری پدیده‌ای چندعاملی است. ساختار مغز و دستگاه عصبی، ژن‌ها، رشد و یادگیری همگی می‌توانند در توانایی‌های شناختی نقش داشته باشند. بنابراین، ساختار سه‌بعدی ژنوم را باید یکی از مسیرهای احتمالی توضیح تکامل این پیچیدگی دانست، نه توضیحی کامل و مستقل.
اهمیت این پژوهش فراتر از اختاپوس‌هاست. برای مدت‌ها، بخش بزرگی از مطالعات تکامل ژنتیکی بر تغییر توالی DNA و پیدایش یا تغییر ژن‌ها متمرکز بوده است. اما ژنوم علاوه بر توالی اطلاعات، یک معماری فضایی نیز دارد؛ معماری‌ای که می‌تواند تعیین کند کدام عناصر تنظیمی به کدام ژن‌ها دسترسی پیدا کنند.
یافته‌های تازه نشان می‌دهند که این سازمان فضایی ممکن است صرفاً پیامد تغییرات تکاملی نباشد، بلکه خود نیز بر مسیر تغییرات بعدی اثر بگذارد. بازآرایی‌های کروموزومی می‌توانند ارتباطات تازه‌ای میان بخش‌های ژنوم ایجاد کنند و به این ترتیب، امکان شکل‌گیری الگوهای جدید تنظیم ژن‌ها را فراهم آورند.
این ایده هنوز نیازمند بررسی‌های بیشتر در گونه‌ها و سامانه‌های زیستی مختلف است، اما می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بهتر بفهمند چگونه تغییرات ژنتیکی در مقیاس بزرگ، در نهایت به تفاوت‌های پیچیده در ساختار بدن، اندام‌ها و رفتار جانوران منجر می‌شوند.
جمع‌بندی: پژوهش جدید نشان می‌دهد که برای فهم تکامل ویژگی‌های پیچیده، دانستن اینکه چه ژن‌هایی وجود دارند کافی نیست؛ باید بررسی کرد که ژن‌ها چگونه در فضای سلول سازمان یافته‌اند و با یکدیگر تعامل می‌کنند. نحوه تاخوردن DNA شاید بخشی از داستان تکامل دستگاه عصبی سرپایان را روشن کند، اما اینکه این فرایند دقیقاً چه سهمی در هوش شگفت‌انگیز اختاپوس‌ها داشته، پرسشی است که هنوز پاسخ نهایی ندارد.
