الأرض ساخنة ورطبة. البحر مليء بالحياة. كانت الحبار والأنقليس وديدان البحر المبكرة تفترس الحيوانات الصغيرة. ومع ذلك، لم تكن هناك حركة على الأرض. لم تصعد الحيوانات إلى الشاطئ بعد. هذا ما بدت عليه الأرض في نهاية العصر الأوردوفيشي، منذ حوالي 450 مليون سنة. تخلق المياه الدافئة ظروفًا مثالية للحياة البرية. ولكن هذا يمكن أن يتغير قريبا. وبعد فترة وجيزة، بدأت الأرض تتجمد وبدأت الصفائح الجليدية في الانتشار.
Springtails قديمة. ظهرت لأول مرة منذ أكثر من 400 مليون سنة، وربما تشترك في سلف مشترك مع الحشرات. ولكن منذ ذلك الحين، تطورت في اتجاه مختلف عن الحشرات. نحن نعلم الآن أنهم كانوا أول الحيوانات التي طورت بروتينات مضادة للتجمد. مصدر الصورة: فيليب جارسيلون/ ويكيميديا كومنز
المياه التي كانت في السابق دافئة ومضيافة للحياة البرية أصبحت باردة وغير صالحة للسكن. استسلمت الأنواع بعد الأنواع. في فترة قصيرة من الزمن، تم القضاء على نصف الحياة كجزء من ثاني أسوأ انقراض جماعي في تاريخ الأرض.
بدت الحياة خلال العصر الأوردوفيشي مختلفة كثيرًا عما هي عليه اليوم. الأرض قاحلة وبلا حياة، لكن البحر مليء بالحياة. الحبار وشقائق النعمان البحرية المصورة هنا هي المهيمنة بشكل خاص. لكن الزنبركات موجودة أيضًا في هذا الوقت. مصدر الصورة: فريتزجيلر-جريم/ ويكيميديا كومونز
Springtails: الناجون من البروتينات المضادة للتجمد
ومع ذلك، كان أحد الحيوانات التي نجت هو الذيل الربيعي. طور حيوان صغير يشبه الحشرة استراتيجية خاصة لمكافحة البرد. بدأت الخلايا الحيوانية بإنتاج البروتينات التي تحمي الخلايا من التجمد.
ربما كانت حيوانات الذيل الربيعي هي أول الحيوانات التي تنتج بروتينات مضادة للتجمد. وكان العلماء يعتقدون في السابق أن الحيوانات لم تبدأ بفعل ذلك إلا بعد وقت طويل. وتظهر الأبحاث التي أجرتها جامعة آرهوس وجامعة كوينز في كندا ذلك.
يقول مارتن هولمستروب: "نحن نعلم أن البروتينات المضادة للتجمد تطورت بشكل مستقل عدة مرات في التاريخ التطوري. تمتلكها الأسماك، وتمتلكها الحشرات، وبعض العناكب تمتلكها. ولكن حتى رأينا هذه النتائج، لم تكن لدينا أي فكرة عن أنها تطورت في وقت مبكر جدًا في عالم الحيوان".
وهو أستاذ في قسم العلوم البيئية بجامعة آرهوس وأحد الباحثين في الدراسة الجديدة.
يمكن العثور على نباتات الذيل الربيعي في كل مكان، بما في ذلك حديقتك
تعتبر حيوانات الذيل الزنبركي من الحيوانات الصغيرة، ويبلغ طول أكبر الأنواع ستة ملليمترات فقط. لها ستة أرجل ومخالب في الأمام. للوهلة الأولى تبدو مثل الحشرات، لكنها ليست كذلك. في الواقع، لديها فرع خاص بها على الشجرة التطورية.
اكتشف الباحثون حتى الآن أكثر من 9000 نوع مختلف من ذيل الربيع، ويمكن العثور عليها في كل مكان تقريبًا، بما في ذلك حديقتك. تعيش الديدان الربيعية عادةً في الطبقات العليا من التربة أو في فضلات الأوراق، وتتغذى على الفطريات الصغيرة والبكتيريا والكائنات الحية الدقيقة الأخرى.
حصل الحيوان على اسمه من ذيله المتشعب الذي يتم تثبيته تحت جسمه مثل قضيب المنجنيق. يُطلق على الذيل أيضًا اسم الذيل المتشعب، وإذا تعرض لهجوم من قبل عدو (مثل النمر)، فيمكن للحيوان أن يطلق ذيله بسرعة ويقفز لمسافة تصل إلى 10 سنتيمترات في الهواء.
تعتبر نباتات الذيل الربيعي مفيدة لصحة التربة لأنها تساعد في إعادة تدوير العناصر الغذائية إلى النباتات.
يقوم مارتن هولمستروب بتربية ما يقرب من 20 نوعًا مختلفًا من ذيل الربيع في المختبر. الحيوانات الصغيرة لا تحتاج إلى مساحة كبيرة. وقال إن مستعمرة بأكملها يمكن أن تعيش في وعاء زجاجي. وقال: "نضعهم في طبق بتري بقاعدة من الجبس، مما يبقيهم رطبين. وكعلف، نعطيهم القليل من الخميرة الجافة. وهذا كل ما يحتاجون إليه".
تم استخدام Springtails من مختبر مارتن في التجربة. أرسل عينات من الحيوانات إلى ثلاثة من زملائه في كندا، الذين أجروا سلسلة من التجارب الجزيئية لمعرفة متى أنتجت الحيوانات البروتينات المضادة للتجمد لأول مرة.
ولأن الباحثين يعرفون تسلسل الحمض النووي الذي يمكّن الخلايا من بناء بروتينات مضادة للتجمد، فيمكنهم البحث عن نفس التسلسلات عبر الأنواع والعائلات والفئات. يمكنهم أيضًا حساب وقت حدوث الطفرة التي أدت إلى أصل الجين: العصر الأوردوفيشي.
وقال: "تُظهر الحسابات أن ذيل الربيع أنتج بروتينات مضادة للتجمد قبل فترة طويلة من الحيوانات الأخرى. ولم يحدث هذا إلا بعد مليون سنة في الأسماك والحشرات. على الرغم من أن النباتات والكائنات الحية الدقيقة، مثل البكتيريا والطحالب وحيدة الخلية، ربما طورت آليات مماثلة في وقت أبكر بكثير".
كيفية العثور على الينابيع
قام مارتن هولمستروب وزملاؤه في قسم العلوم البيئية بجمع نباتات الذيل الربيعي بأنفسهم للمختبر. اجتمعوا في الدنمارك وأيسلندا وغرينلاند.
ليس من الصعب العثور عليها ويمكنك حتى العثور عليها في حديقتك الخاصة.
فقط اتبع الخطوات التالية:
خذ حفنة من التربة أو أوراق الشجر من الحديقة وضعها في منخل.
ضع الضوء القابل للتعديل فوق المنخل ثم ضع الصينية تحت المنخل.
تتسبب الحرارة المنبعثة من الأضواء في قيام الذيل الربيعي بالبحث عن بيئات أكثر برودة. سيؤدي ذلك إلى سقوطهم عبر المنخل في الصينية، حيث ستجدهم يزحفون.
على الرغم من أنه يمكنك العثور على طيور الذيل الربيعي في أي مكان تقريبًا في العالم، إلا أن القطب الشمالي به عدد أكبر من المخلوقات الزنبركية أكثر من أي مكان آخر. لا يستطيع سوى عدد قليل من الحيوانات البرية الأخرى البقاء على قيد الحياة في برد جرينلاند وكندا، مما يعني أن حيوانات الذيل الربيعي يمكنها أن تتغذى على البكتيريا والفطريات دون إزعاج.
يقول مارتن هولمستروب: "إن البروتينات المضادة للتجمد فائقة القوة الموجودة في ذيل الربيع تسمح لهم بالبقاء على قيد الحياة في المناطق الباردة، حيث يتعين عليهم فقط مشاركة طعامهم مع عدد قليل من الديدان والحشرات الأخرى. وليس لديهم الكثير من الأعداء الطبيعيين".
في فصل الشتاء، عندما تنخفض درجات الحرارة في القطب الشمالي، تبدأ نباتات الذيل الربيعي في إنتاج بروتينات مضادة للتجمد. وتسمى أيضًا "بروتينات ربط الجليد" لأنها يمكن أن تلتصق بسطح بلورات الثلج الصغيرة وتمنعها من النمو. عندما تتجمد التربة، تتلامس الحيوانات البرية بشكل وثيق مع بلورات الجليد، لذلك تلعب البروتينات المضادة للتجمد دورًا مهمًا في منع الجليد من الانتشار في جسم الحيوان وقتله.
وقال: "مثلنا ومثل معظم الحيوانات الأخرى، لا يمكن للذيل الربيعي البقاء على قيد الحياة إذا تجمد "دمه". وتساعد البروتينات المضادة للتجمد في منع ذلك".
تأتي طيور الذيل الربيعي بأشكال وأحجام عديدة، وتضم أكثر من 9000 نوع مختلف. هذا هو فقط عدد الأنواع التي وجدناها. ويقدر الباحثون أن هناك ضعف عدد الأنواع الربيعية أو أكثر. حقوق الصورة: آندي موراي/ ويكيميديا كومنز
جاف مثل الزبيب
ومع ذلك، فإن هذا البروتين الخاص ليس هو القدرة الوحيدة لطيور الذيل الربيعي على البقاء على قيد الحياة في برد القطب الشمالي، بل لديهم طريقة أخرى للبقاء على قيد الحياة.
يوضح مارتن هولمستروب: "لأن كل كائن حي يحتوي على جزيئات ماء داخل خلاياه، فنحن معرضون جدًا لدرجات الحرارة المتجمدة. إذا تجمد الماء، يتم تدمير الخلايا. ولمنع ذلك، تجفف طيور الذيل الربيعي نفسها وتدخل في نوع من السبات خلال فصل الشتاء".
عندما تدخل طيور الذيل الربيعي في حالة سبات، فإن عملية التمثيل الغذائي لديها تتباطأ كثيرًا لدرجة أن العلماء لا يستطيعون قياسها فعليًا. ومع ذلك، عندما يأتي الربيع، يمتصون الماء مرة أخرى إلى أجسامهم ويستأنفون عملية التمثيل الغذائي.
وقال: "يمكنك مقارنتها بالعنب الذي يتم تجفيفه وتحويله إلى زبيب، وهي عملية تذكرنا بالتجفيف بالتجميد. خلال فصل الشتاء، تتقلص ذيول الربيع وتصبح كائنات صغيرة مجعدة. ثم، عندما يأتي الربيع، تمتص الماء وتنتفخ إلى حجمها الطبيعي".
وجدت أيضًا في الأسماك التي كان يجب تجميدها حتى الموت
ظلت كيفية بقاء أنواع معينة من الحيوانات على قيد الحياة في أبرد المناطق على وجه الأرض لغزا لسنوات عديدة. لم يكن الأمر كذلك حتى منتصف القرن الماضي عندما اكتشف العلماء البروتينات المضادة للتجمد التي تمكن الحيوانات من التغلب على البرد.
لعقود من الزمن، تساءل العلماء عن كيفية قدرة أسماك القطب الشمالي على السباحة في مياه باردة تصل إلى -1.8 درجة مئوية. تتمتع مياه البحر بنقطة تجمد منخفضة بسبب محتواها من الملح. من ناحية أخرى، تبلغ درجة تجمد دم الأسماك -1 درجة مئوية، مما يعني أنها لا تستطيع تجنب التجمد في الماء.
يوضح مارتن هولمستروب: "لقد كانت كيفية بقاء الأسماك على قيد الحياة في المياه المتجمدة لغزا لفترة طويلة. ومع ذلك، في أواخر الستينيات، تمكن الباحث الأمريكي آرثر ديفريز من عزل البروتينات الموجودة في أسماك القطب الشمالي، والتي وجد أنها تمنع تشكل الجليد في خلايا الأسماك ودمها، حتى لو كانت الأسماك شديدة البرودة طوال حياتها".
ومنذ ذلك الحين، اكتشف الباحثون البروتينات المضادة للتجمد في العديد من الحيوانات والنباتات والكائنات الحية الدقيقة الأخرى. يتم الآن استخدام هذه البروتينات المضادة للتجمد في الصناعة.
تاريخ وتطبيقات البروتينات المضادة للتجمد
اليوم، يتم شراء وبيع العديد من الأطعمة كوجبات مجمدة. لكن المشكلة هي أن الطعام المجمد يمكن أن يتغير إذا بدأت بلورات الثلج في التشكل. أنها غالبا ما تقلل من طعم وملمس الطعام.
ومع ذلك، يمكن الوقاية من هذه الحالة باستخدام بروتينات خاصة مضادة للتجمد، كما يوضح مارتن هولمستروب:
وقال: "تم نسخ الجين الذي يشفر بروتين مضاد تجمد الأسماك في مزارع خلايا الخميرة الصناعية. وهذا يسمح للخميرة بإنتاج بروتينات مفيدة للغاية يمكن إضافتها بعد ذلك إلى الأطعمة المختلفة".
أحد الأطعمة الغنية بالبروتين بشكل خاص هو الآيس كريم.
"أعلم أن شركة يونيليفر تستخدم البروتينات في الآيس كريم الخاص بها لأنها تساعد في خلق نسيج جميل حقًا. ويمكن أيضًا إذابة الآيس كريم وإعادة تجميده دون أن يتحول إلى بلورات ثلجية صلبة. وعلى المدى الطويل، يمكن استخدام هذا التأثير لحفظ الأعضاء المزروعة بالتبريد. وتقوم صناعات أخرى مثل صناعات الفضاء الجوي وتوربينات الرياح أيضًا بتجربة هذه البروتينات. ويأملون أن تحمي هذه البروتينات أجنحة الطائرات من تكوين الجليد والحاجة إلى إزالة الجليد."