Balıklardaki Kemiksi ve Pullu Zırhlar Nasıl Evrimleşti?

Yaklaşık 350 milyon yıl önce, evrimsel atalarımız- ve tüm modern omurgalıların ataları- okyanuslarda yaşayan yumuşak gövdeli hayvanlardı.

Hayatta kalabilmek ve bügünkü haline gelebilmek için bu hayvanların, o zamanlar kabukluların hakimiyetinde olan okyanuslardaki yırtıcılara karşı bir miktar koruma ve avantaj sağlamaları gerekiyordu.

Zırhlı bir yayın balığında bulunan sivri dikenler ya da bir mersin balığını kaplayan, scute olarak adlandırılan elmas şeklinde kemikli pullar gibi dermal koruyucu katmanın evrimi, başarılı bir stratejiydi. Binlerce balık türü, kemik ya da modern insan dişinin önemli bir bileşeni olan dentin adı verilen maddeden oluşan çeşitli dermal koruyucu katman modellerinden yararlandı. Bunun gibi koruyucu tabakalar omurgalıların hayatta kalmasına, yeni hayvanlara ve en nihayetinde insanlara evrimleşmesine yardımcı oldu.

Peki bu koruyucu katman nereden geliyor? Su altında yaşamış eski atalarımız bu koruyucu katmanı geliştirecek şekilde nasıl evrimleşti?

Şimdi ise mersin balığı kullanılarak yapılan yeni bir çalışma, balıklardaki kemikli pulların gelişiminden gövde nöral krest hücreleri olarak adlandırılan spesifik bir kök hücre topluluğunun sorumlu olduğunu ortaya koydu.

(İlgili: Hakkari’de 3 Milyon Yıldır Yaşayan Yeni Köstebek Türleri Keşfedildi)

Bronner laboratuvarı, uzun zamandır nöral krest hücrelerini incelemek ile ilgileniyor. Balıklar, tavuklar ve bizler de dahil olmak üzere tüm omurgalılarda bulunan bu hücreler, kafa (kraniyal) veya omurilik (gövde) bölgelerinden köken almalarına göre özelleşiyor. Hem kraniyal hem de omurilik kökenli nöral krest hücreleri, başlangıç noktalarından hayvanın gelişmekte olan vücudu boyunca göç ederek ağız, kalp ve diğer önemli yapıları oluşturan hücrelerin oluşmasını sağlıyor.

2017 yılında Cambridge Üniversitesi’nde yapılan bir çalışma omurilik nöral krest hücrelerinin küçük vatoz olarak adlandırılan bir balık türündeki dentin-kaynaklı dermal koruyucu katmanın oluşumunu sağladığını ortaya çıkardıktan sonra Stundl ve meslektaşları, aynı hücre topluluğunun genel olarak omurgalılarda kemik-kaynaklı koruyucu katman oluşumuna neden olabileceği hipotezinde bulundular. 

Bunu incelemek için Stundl ve ekibi, mersin balıklarına, özellikle de çuka balığına (Acipenser ruthenus) odaklandı. Dünyanın en pahalı havyarını (balık yumurtası) üretmeleriyle bilinen modern mersin balıkları, milyonlarca yıl önceki ataları ile hala birçok aynı özelliği taşıyor. Bu durum onları evrimsel araştırmalarda incelenmek üzere başlıca aday haline getiriyor.

Çek Cumhuriyeti’ndeki Balık Kültürü ve Hidrobiyoloji Araştırma Enstitüsü’nde yetiştirilen mersin balığı embriyolarını kullanan Stundl ve ekibi, balığın omurilik nöral krest hücrelerinin gelişmekte olan vücudu boyunca nasıl göç ettiğini izlemek için floresan boya kullandı. Mersin balıklarının kemikli pulları birkaç hafta sonra oluşmaya başlıyor, bundan dolayı araştırmacılar, floresan boyanın özelliğini ışıkla bozmamak için gelişmekte olan balıkları karanlık bir laboratuvarda tuttu.

Ekip, mersin balığının kemikli pullarının oluştuğu belirli bölgelerde floresan boya ile işaretlenmiş omurilik nöral krest hücrelerine rastladı. Daha sonra balıkta, kemikleri oluşturan bir hücre tipi olan osteoblastları belirgin hale getirmek için farklı bir teknik kullandı. Balığın gelişen pullarındaki floresan boya ile işaretlenmiş hücrelerde osteoblast diferansiyasyonuyla ilişkili genetik izler bulundu, bu da omurilik nöral krest hücrelerinin aslında kemik oluşumunu sağlayan hücrelerin şekillenmesini sağladığına dair güçlü bir kanıt oluşturuyor. Nöral krest hücrelerinin dentin-kaynaklı koruyucu katman oluşturmadaki rolüne ilişkin 2017 yılında yapılan bir çalışmanın bulgularıyla birleştirildiğinde bu çalışma, spinal nöral krest hücrelerinin omurgalı balıkların evrimsel başarısını mümkün kılan kemikli dermal koruyucu katmanın oluşumundan gerçekten sorumlu olduğunu gösteriyor.

Stundl, “Model olmayan organizmalar ile çalışmak biraz zor; fare veya zebra balığı gibi standart laboratuvar organizmaları üzerinde kullanılan araçlar ya çalışmıyor ya da önemli ölçüde uyarlanması gerekiyor. Tüm bu zorluklara rağmen mersin balığı gibi model olmayan organizmalardan elde edilen bilgiler, temel evrimsel gelişim biyolojisi ile ilgili soruları titizlikle yanıtlamamıza olanak sağlıyor.” diyor.

Bronner, “Hayat ağacındaki birçok hayvanı inceleyerek hangi evrimsel olayların gerçekleşmiş olduğunu anlayabiliriz. Eğer evrimsel sorulara gelişimsel biyoloji perspektifinden yaklaşabilirsek bu bizi özellikle güçlü konuma getirir çünkü çeşitli hücre tiplerinin oluşumunu sağlayan birçok değişiklik, embriyonik gelişim sırasındaki küçük farklanmalar ile meydana geliyor. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nün Evrimsel Bilimler Merkezi’nden fon sağladığımız için oldukça şanslıydık, bu tarz çalışmaları gerçekleştirebilmemize katkıda bulunuyor.” diyor.

Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü Evrimsel Bilimler Merkezi eş yöneticisi Joe Parker, “Evrim, tüm biyolojiyi kapsayan bir ana fikir olma niteliğini taşıyor, disiplinimizi bütünleştiriyor. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü, bu çalışmanın oldukça güzel bir şekilde gösterdiği gibi, evrim ve gelişimsel biyolojinin etkileşimi de dahil olmak üzere farklı bağlamlarda evrimsel problemlerin peşine düşen çok sayıda grupla birlikte inanılmaz bir yer.” diyor.

Caltech’s Center for Evolutionary Sciences. 17 Temmuz 2023.

Makale: Stundl, J., Martik, M. L., Chen, D., Raja, D. A., Franěk, R., Pospisilova, A., … & Bronner, M. E. (2023). Ancient vertebrate dermal armor evolved from trunk neural crest. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(30).