ปีกของแมลงเกิดจาก "วงจรพันธุกรรม"? ทำไมเฉพาะแมลงเท่านั้นที่ครองท้องฟ้า "วงจรบลิงเกอร์" ที่สนับสนุนการวิวัฒนาการของปีก

"การบินบนท้องฟ้า" การอัปเดตที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ของชีวิต

หากเราจัดประวัติศาสตร์ของโลกเหมือนประวัติการอัปเดตแอป "การเกิดของปีกแมลง" จะเป็นการอัปเดตเวอร์ชันใหญ่แน่นอน
เมื่อประมาณ 400 ล้านปีที่แล้ว ในขณะที่ต้นไม้เริ่มปกคลุมพื้นดิน สัตว์ที่บินขึ้นสู่ท้องฟ้าเป็นครั้งแรกไม่ใช่นกหรือค้างคาว แต่เป็นแมลงตัวเล็กๆ ที่เราไม่ค่อยสนใจPhys.org

ทำไมพวกเขาถึงได้ครอบครองท้องฟ้าได้ก่อนใคร คำตอบบางส่วนซ่อนอยู่ในกลไกที่ดูเหมือนเทคโนโลยีที่เรียกว่า "วงจรพันธุกรรม" ซึ่งเป็นหัวข้อของการวิจัยครั้งนี้

ทีมจากสถาบันฟรานซิส คริกในสหราชอาณาจักรได้ค้นพบวงจรป้อนกลับที่สร้างโดยโมเลกุลสัญญาณที่เรียกว่าDpp และโมเลกุลที่เรียกว่า **Brinker (บริงเกอร์)** จากการวิเคราะห์ที่ใช้แมลงหวี่ สิ่งนี้มีบทบาทสำคัญในการเติบโตของโครงสร้างขนาดใหญ่เช่นปีกอย่างแม่นยำPhys.org

โมเลกุล Dpp: "ความเข้มข้นที่เป็นเกรเดียนต์" ที่นำพาแผนผัง

ในโลกของชีววิทยาการพัฒนา คำว่าโมเลกุลสัญญาณมักจะปรากฏขึ้น นี่คือโมเลกุลสัญญาณที่บอกว่า "เซลล์ไหนจะกลายเป็นส่วนไหน" ด้วยความเข้มข้น ในที่ที่ความเข้มข้นสูง สวิตช์ของยีน A จะเปิด และในที่ที่ความเข้มข้นปานกลาง B จะเปิด... ความเป็นเกรเดียนต์นั้นเองที่เป็นแผนที่

ในตาของแมลงหวี่ (เนื้อเยื่อเล็กๆ ที่จะกลายเป็นปีกในระยะตัวอ่อน) โมเลกุลสัญญาณที่เรียกว่าDpp ทำหน้าที่นี้ Dpp เป็นสมาชิกของครอบครัว BMP ที่มีอยู่ในสัตว์รวมถึงมนุษย์ และมีบทบาทสำคัญในการสร้างกระดูกและอวัยวะ

แต่ก็มีปัญหา

ปีกเติบโตเป็นเนื้อเยื่อที่แยกออกมาเหมือน "แพทช์ที่โดดเดี่ยว" จากร่างกายของตัวอ่อน ทำให้ยากที่จะได้รับ "สัญญาณสนับสนุน" จากที่อื่น แต่ยังคงต้องส่งข้อมูลตำแหน่งของเซลล์อย่างถูกต้องทั่วทั้งปีก

Dpp ทำงานได้ดีในบริเวณใกล้แหล่งที่มา แต่เมื่อห่างออกไป สัญญาณจะอ่อนลงและมีเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น แต่ปีกจริงๆ กลับมีรูปแบบที่เรียบร้อยจนถึงขอบ แล้วมันทำได้อย่างไร?

Brinker สร้างเกรเดียนต์ในทิศทางตรงกันข้าม

ตัวเอกของเรื่องนี้ Brinker ปรากฏตัวที่นี่ Anqi Huang จากกลุ่มวิจัยพบว่าเมื่อความเข้มข้นของ Dpp ลดลง ความเข้มข้นของ Brinker ซึ่งเป็นตัวระงับจะเพิ่มขึ้นในทิศทางตรงกันข้ามPhys.org

• บริเวณที่ Dpp เข้มข้น → Brinker แทบไม่แสดงออก

• บริเวณที่ Dpp อ่อนแอ → Brinker แสดงออกอย่างเข้มข้น

นั่นหมายความว่าไม่เพียงแต่เกรเดียนต์ของ Dpp เท่านั้น แต่ยังมีเกรเดียนต์ของ Brinker ที่เป็น "กลับด้าน" ถูกวางไว้ทั่วทั้งเนื้อเยื่อ

นอกจากนี้ จากการวิเคราะห์ร่วมกับนักฟิสิกส์ พบว่า Brinker ไม่ได้เป็นเพียงการตอบสนองแบบรับอย่างเดียว แต่เป็นศูนย์กลางของวงจรป้อนกลับ การแสดงออกของ Brinker ถูกระงับโดยสัญญาณ Dpp และ Brinker ควบคุมการเปิด-ปิดของยีนเป้าหมายของ Dpp ผลจากการโต้ตอบนี้ทำให้เกรเดียนต์ที่เรียบของ Brinker เป็นตัวบอกหลักที่บอกเซลล์ว่า "นี่คือที่ไหน" มากกว่า Dpp เองในบริเวณที่ห่างไกลPhys.org

กล่าวอีกนัยหนึ่ง

"สัญญาณต้นฉบับที่ไม่ชัดเจน (Dpp) ไม่เพียงพอ ดังนั้นจึงต้องถูกแปลงเป็นสัญญาณรองที่ชัดเจนขึ้น (เกรเดียนต์ของ Brinker) และส่งใหม่"

ถูกฝังอยู่ในเนื้อเยื่อ

"ซิลเวอร์ฟิช" ที่ไม่มีปีกบอกเล่าเรื่องราวของคืนก่อนการพัฒนา

เพื่อสำรวจว่าเมื่อใดและอย่างไรที่วงจรนี้วิวัฒนาการ ทีมวิจัยได้ย้อนกลับไปดูสายพันธุ์ของยีน เมื่อเปรียบเทียบข้อมูลจีโนมที่เปิดเผยพบว่ายีน Brinker เป็นลักษณะเฉพาะของแมลงและไม่มีในสัตว์จำพวกครัสเตเชียนที่ใกล้เคียงPhys.org

นอกจากนี้ยังให้ความสนใจกับ **ซิลเวอร์ฟิช (firebrat)** ซึ่งเป็นแมลงดั้งเดิมที่ไม่มีปีก ซิลเวอร์ฟิชเป็นสายพันธุ์เก่าในแมลงและยังไม่มีปีกในปัจจุบัน หากวงจรของ Brinker "วิวัฒนาการพร้อมกับปีก" ความสัมพันธ์กับ Dpp อาจยังไม่ถูกสร้างขึ้นในซิลเวอร์ฟิช

ในความเป็นจริง แม้ว่าในจีโนมของซิลเวอร์ฟิชจะมียีน Brinker แต่ก็ไม่มีการสร้างเกรเดียนต์กลับด้านเหมือนในแมลงหวี่ และไม่ได้เชื่อมต่อกับสัญญาณ Dppตามที่การทดลองแสดงให้เห็นPhys.org

ผลลัพธ์นี้สนับสนุนอย่างมากต่อสถานการณ์ที่ว่า "Brinker เกิดขึ้นในสายพันธุ์แมลง และต่อมาเชื่อมโยงกับ Dpp ในสายพันธุ์แมลงที่มีปีก และพัฒนาเป็นวงจรป้อนกลับที่ซับซ้อน"

"นวัตกรรมสู่ท้องฟ้า" ที่เกิดขึ้นเมื่อ 400 ล้านปีก่อน ไม่ใช่ 400 ปีก่อน

Jean-Paul Vincent ผู้ที่นำการวิจัยนี้กล่าวว่า

แมลงได้รับความสามารถในการบินครั้งแรกเมื่อประมาณ 400 ล้านปีที่แล้ว ในช่วงที่ต้นไม้เริ่มปรากฏ

เขาชี้ให้เห็นPhys.org

เครือข่ายสัญญาณ Dpp ที่รวม Brinker น่าจะช่วยให้โครงสร้างใหม่อย่างปีกเติบโตอย่างมั่นคงและใหญ่ขึ้น ผลที่ตามมาคือ แมลงได้เข้าสู่พื้นที่ใหม่ในอากาศและกลายเป็นหนึ่งในกลุ่มสัตว์ที่เจริญรุ่งเรืองที่สุดบนโลก เรื่องราววิวัฒนาการอันยิ่งใหญ่เช่นนี้ถูกเปิดเผยจากบทความวิจัยหนึ่งฉบับ

SNS รับรู้เรื่องนี้อย่างไร? (ไทม์ไลน์เสมือน)

จากนี้เป็น "ไทม์ไลน์ SNS เสมือน" ที่ถูกสร้างขึ้นใหม่เพื่อทำให้ธีมของบทความนี้เข้าใจง่ายขึ้น แม้จะไม่ใช่โพสต์จริง แต่เมื่อข่าวนี้แพร่กระจาย ไทม์ไลน์น่าจะเต็มไปด้วยเสียงแบบนี้

@evo_bio_lab
"Brinker เป็นลักษณะเฉพาะของแมลงและยังตรงกับเวลาที่ปีกวิวัฒนาการ นี่เป็นเรื่องระดับที่ควรอยู่ในหนังสือเรียน... #วิวัฒนาการการพัฒนา #ปีกแมลง"

@dev_fly
"ไม่ใช่แค่อ่านเกรเดียนต์ Dpp ตรงๆ แต่ยัง 'เข้ารหัสใหม่' ด้วย Brinker มันสวยงามเกินไปในฐานะการประมวลผลสัญญาณ"

@sci_illustrator
"แนวคิดที่ว่า 'วงจรที่ยังไม่เชื่อมต่อในซิลเวอร์ฟิช' มันน่าประทับใจ เหมือนกำลังดูแผนผังการเชื่อมต่อในระหว่างวิวัฒนาการ"

@bio_engineer
"วงจรป้อนกลับแบบนี้อาจนำไปใช้ในชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อสร้างเนื้อเยื่อเทียมได้ เช่น การขยายรูปแบบไปถึงขอบของแผ่นเซลล์"

@casual_reader
"แค่คำโปรยว่า 'แมลงที่ไม่มีปีกถือกุญแจสู่การวิวัฒนาการของแมลงที่มีปีก' ก็ทำให้อยากอ่านแล้ว"

ในชุมชนวิจัย เรื่องนี้อาจถูกมองว่าเป็น "ตัวอย่างที่ดีของวิวัฒนาการการพัฒนา (evo-devo)" ในขณะที่ในกลุ่มทั่วไป เรื่องราวที่ว่า "แมลงที่ดูธรรมดาได้ทำหน้าที่เหมือนซูเปอร์ฮีโร่" อาจได้รับความสนใจ

มุมมองของ "วงจรพันธุกรรม" ที่เปลี่ยนภาพลักษณ์ของวิวัฒนาการ

สิ่งที่น่าสนใจในผลลัพธ์ครั้งนี้คือการวาดภาพวิวัฒนาการไม่ใช่เป็น "การเพิ่มชิ้นส่วน" แต่เป็น "การอัปเดตการออกแบบวงจร"

• Brinker ซึ่งเป็นชิ้นส่วนใหม่เกิดขึ้นในสายพันธุ์แมลง

• มันถูกรวมเข้ากับสัญญาณ Dpp และสร้างวงจรป้อนกลับ

• ผลลัพธ์คือสามารถควบคุมโครงสร้างขนาดใหญ่เช่นปีกได้อย่างแม่นยำ

กระบวนการนี้ทำให้นึกถึงการปรับปรุงวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรือซอฟต์แวร์
การเพิ่มโมดูลใหม่ในระบบเก่าและปรับปรุงการส่งสัญญาณและความทนทานต่อเสียงรบกวน มุมมองเชิงวิศวกรรมนี้อาจเป็นจุดเริ่มต้นในการมองวิวัฒนาการของชีวิต

การประยุกต์ใช้ในอนาคต: จากปีกสู่อวัยวะและเนื้อเยื่อเทียม

Dpp ไม่ได้เกี่ยวข้องแค่กับปีกของแมลง แต่ยังมีบทบาทในอวัยวะต่างๆ หากพบปัจจัยป้อนกลับเช่น Brinker หรือโครงสร้างเครือข่ายในเนื้อเยื่ออื่นๆ การประยุกต์ใช้ต่อไปอาจรวมถึง

• การแพทย์ฟื้น