במחקר בינלאומי חדש, שבוצע בין היתר בהובלת פרופ׳ אביהו קלר מבית הספר לרפואה באונ' העברית, ופורסם בכתב העת היוקרתי Science Advances, מופתה הרשת העצבית של העופות, המבקרת את התנועה המתואמת של הכנפיים. הם מצאו שהבסיס האבולוציוני להתפתחות יכולת הנפנוף המתואמת והאחידה של הכנפיים בציפורים נוצר בזכות מוטציה טבעית שהתפתחה בגן נחייה, שגרמה להתפתחות של רשת עצבית ייחודית

מהו המנגנון המקנה לציפורים את היכולת לעוף וכיצד הוא התפתח במהלך האבולוציה? כיצד הציפורים הצליחו לסגל לעצמן תנועה אווירית אחת ומוכרת – נפנוף שתי כנפיים יחדיו? כדי לנוע במרחב, על הקרקע, במים או באוויר, יש צורך באיבר ייעודי ומנוע. כך, בדומה למכונית שזקוקה לגלגלים ומנוע כדי לנסוע, כך לדוגמה בני האדם זקוקים לאיבר ייעודי – רגליים, ומנוע אשר מפעיל את תנועת הרגלים. המנוע אשר מניע את הגפיים מורכב מרשת של תאי עצב הנמצאת בחוט השדרה. בבעלי חיים ההולכים על שניים או על ארבע כמו חתולים ועכברים, המנוע מפעיל דגם של צעידה – משמאל לימין לשמאל וחוזר חלילה. הצעידה מתבצעת עם הרגליים הקדמיות והאחוריות. בני האדם אף מניפים את ידיהם בזמן צעידה מהירה או ריצה בהתאמה לתנועת הרגליים – תנועה העוזרת להם לנוע מהר במרחב. אם תנסו לרוץ כשהידיים נעות במהירות באותה הצורה, יחדיו, ותנסו "לעוף" כמו ציפור, כנראה שתתבלבלו ותפלו, או לכל הפחות לא תצליחו לרוץ מהר.

אופן התנועה של ציפורים שונה באופן מהותי מתנועת מרבית הזוחלים והיונקים, למרות שהציפורים התפתחו אבולוציונית מבעלי חיים צועדים – זוחלים ודינוזאורים. בעת תעופה, ציפורים מניעות את כנפיהן יחדיו כאשר הרגליים מקובעות. בעת צעידה על הקרקע, מרבית הציפורים צועדות על שתי רגליהן בדומה לבני האדם, משמאל לימין, כאשר הכנפיים מקובעות. כדי לעוף, התפתח בציפורים איבר ייעודי – הכנפיים, ובנוסף המנוע המפעיל את תנועת הכנפיים השתנה, הוא מפעיל תנועת נפנוף של שתי הכנפיים יחדיו, בשונה מההפעלה לסירוגין של הגפיים בבעלי חיים צועדים או כאמור, בעת ריצה של בני אדם.

מחקרים שנעשו ביונקים הולכי ארבע - חתולים, חולדות ועכברים - מתחילת המאה ה-20, הראו שהמנוע העצבי המחולל צעידה מפעיל רגל בצד אחד של הגוף, בתיאום עם השתקה של פעילות הרגל בצד הנגדי של הגוף. פעילות הפעלה או השתקה זו מותנה באופן בו תאי עצב בחוט השדרה מרושתים. במהלך ההתפתחות העוברית השלוחות העצביות, המכונות אקסונים, צומחות באופן מתוכנן גנטית ליעדי המטרה שלהם. מולקולות הנחייה, הפועלות כסמני דרך במסלול הצמיחה, מנווטות את האקסונים ליעדיהם. חיוניותם של מולקולות הנחייה בבניית הרשת התקינה, הודגם בעבר במחקר פורץ דרך של הנוירוביולוג פרופ' רודיגר קליין (Prof Reudiger Klien) ממכון מקס פלאנק הגרמני, בו הודגם שמוטציה במולקולת הנחייה ephrin-B3 משנה את אופן ההליכה של עכברים מצעידה לקפיצה. חסר במולקולה גרם למעין קצר ברשת העצבית של המנוע, ותנועתו השתנתה מצעידה להנעת הרגלים יחדיו.

במחקר חדש שפורסם בכתב העת היוקרתי Science Advances, פרי שיתוף פעולה של קבוצת מחקר בראשות פרופ׳ אביהו קלר מבית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית ופרופ׳ קלאודיו מלו (Claudio Mello) מאוניברסיטת אורגון בפורטלנד, הממומן על ידי הקרן הדו לאומית ישראל-ארה״ב, הניחו החוקרים שייתכן שאיבוד פעילות של אותו סמן דרך מולקולרי ephrin-B3 בעופות, גרם להתפתחות רשת עצבית חדשה, המטווחת תנועה מתואמת של הכנפיים. עבודת הדוקטורט של המחבר הראשון ד״ר ברוך חיימסון, בהשתתפות תלמידי המחקר רעות סודקביץ, אורן מאיר ועמית המחקר ד״ר ג׳ררד אלברג מהאוניברסיטה העברית, התמקדה באפיון פעילות החלבון הציפורי וחקר מבנה הרשת של המנוע העצבי בחוט השדרה של עוברי תרנגולת. בחינה של רצף הגנום של עופות רבים הראה שהגן המקודד למולקולת ההנחיה ephrin-B3 שונה באופן מהותי מהגן של זוחלים ויונקים, באופן המבטל את פעילותו כסמן דרך. בחלק מהעופות, כמו תרנגולת ושלו, הגן חסר לחלוטין. השוואה אנטומית מדוקדקת של הרשת העצבית בחוט השדרה בין עוברי תרנגולת ועוברי עכבר הראתה שהרישות של תאי העצב בחוט השדרה של אזור הכנפיים (תנועה אחידה) דומה לזה של עכבר בעל מוטציה בגן המקודד ל- ephrin-B3 ההולך בדגם קפיצה (תנועת גפיים אחידה). ממצאים אלו מחזקים את ההנחה ששינויים, במהלך האבולוציה, במבנה הגן המקודד למולקולת הנחייה, גרמו להתפתחות רשת עצבית המפעילה את דגם התנועה המתואם והמוכר של נפנוף הכנפיים.

כדי לבדוק את ההשערה הזו, ״החזירו״ החוקרים את הגן החסר – ephrin-B3 לעוברי עוף. החדרה גנטית של הגן המקורי ממוצא עכברי, ישירות לחוט השדרה של העוף, גרמה לשינוי אנטומי ברשת העצבית שבחוט השדרה של עוברי העוף. הרישות השתנה לרישות הדומה לזה של עכבר נורמלי, התומך בהליכה ולא בתנועת כנפיים. ואיך נעו הכנפיים של האפרוחים לאחר בקיעה? מחקרים עתידיים במעבדה, הדורשים פיתוח כלים גנטיים חדשים, מוכוונים לפתרון שאלה מרתקת זו.

אינטואיטיבית, האופן בו נרכשות תכונות חדשות הינו על ידי רכישת כלים חדשים שלא היו קיימים קודם. לדוגמה, כנפי הציפורים התפתחו על ידי התארכות הגפיים העליונות והתפתחות של נוצות ארוכות. במחקר זה הראו החוקרים שרכישה של תכונה חדשה – אופן תנועת הכנפיים על ידי עופות התרחשה באבולוציה על ידי איבוד של פעילות של חלבון. הסבר אפשרי הוא שהיכולת להניע את הגפיים יחדיו קיים גם בבעלי חיים צועדים, ולראייה - אם נרצה נוכל לנתר. לשמחתנו, הרשת העצבית המבקרת צעידה הינה דומיננטית יותר, וכל עוד היא לא נפגעת, בני האדם לא יצטרכו למצוא את עצמם קופצים כל היום במקום ללכת.

פרופ' קלר מסכם: "המחקר מעלה שאלות רבות הנוגעות לאופן התנועה המגוון של ציפורים ובע"ח אחרים, ביניהן - איך משלבות ציפורים תעופה עם צעידה? מדוע איבוד פעילות החלבון ephrin-B3 לא פגע ביכולת הצעידה של ציפורים? מדוע חלק מהציפורים נעות על הקרקע בקפיצות כמו דרורים? האם מנגנון דומה התפתח בעטלפים או בחיות מקפצות כדוגמאת קנגורו? אנחנו מקווים כי מחקרים נוספים שיתבצעו בהמשך יוכלו לענות על השאלות הללו".

למאמר המדעי: https://advances.sciencemag.org/content/7/24/eabg5968

לפרסום בתקשורת:  ynet, הידען, פורטל הכרמל והצפון,