راز طول عمر پروانه‌ها؛ چگونه یک استراتژی عجیب باعث زندگی ۲۵ برابری این حشرات می‌شود؟

بیشتر پروانه‌ها طول عمر کوتاهی دارند و تنها چند هفته قبل از مرگ، میان گل‌های رنگارنگ پرواز می‌کنند. با این حال، چند استثنای نادر در این میان وجود دارد که سال‌هاست دانشمندان را شگفت‌زده کرده است. اکنون، برخی از گونه‌های پروانه‌های گرمسیری با طول عمر بالا، در حال فاش کردن اسرار طول عمر و مکانیزم‌های ضد پیری هستند.

به گزارش واضح به نقل از سی‌ان‌ان (CNN)، پروانه‌های متعلق به سرده Heliconius که در جنگل‌های بارانی استوایی آمریکای جنوبی و مرکزی زندگی می‌کنند، طول عمر بسیار متفاوتی دارند. پروانه Dione juno پس از رسیدن به سن بلوغ تنها ۱۴ روز زندگی می‌کند، در حالی که گونه Heliconius hewitsoni تا ۳۴۸ روز — یعنی تقریباً ۲۵ برابر بیشتر — عمر می‌کند.

کشف راز طول عمر در پروانه‌های جنس Heliconius

بر اساس مطالعه‌ای که روز سه‌شنبه در مجله معتبر Nature Communications منتشر شد، سایر گونه‌های Heliconius نیز طول عمر چشمگیری بین ۱۰۶ تا ۲۷۷ روز دارند. برخی از دانشمندان پیش از این حدس می‌زدند که طول عمر طولانی دوران بلوغ این پروانه‌ها به دلیل مصرف یک رژیم غذایی پیشرفته است، نه اینکه مانند سایر پروانه‌ها صرفاً به کربوهیدرات‌ها متکی باشند.

اما دلایل دقیق پشت این طول عمر غیرمنتظره تا پیش از این نامشخص بود؛ همین موضوع انگیزه اصلی دکتر جسیکا فولی (Dr. Jessica Foley)، نویسنده اصلی این مطالعه و پژوهشگر پسادکتری در مرکز تحقیقات تغذیه انسانی وزارت کشاورزی آمریکا (USDA) در دانشگاه تافتس بوستون شد تا نگاهی دقیق‌تر به این سرده جذاب از پروانه‌ها بیندازد.

دکتر فولی در ایمیلی نوشت: «ما شاهد تفاوت‌های عظیمی در طول عمر در سراسر قلمرو حیوانات هستیم؛ مگس‌های یک‌روزه بالغ به طور معروفی تنها یک روز زندگی می‌کنند، در حالی که برخی از نهنگ‌ها و کوسه‌ها می‌توانند صدها سال عمر کنند. من به پایه‌های تکاملی این نوع تفاوت‌های طول عمر علاقه‌مندم، زیرا آن‌ها ممکن است بینش‌های مرتبطی برای پیری سالم در انسان به همراه داشته باشند.»

فولی و همکارانش کشف کردند که اگرچه تغذیه پروانه‌ها نقش مهمی در این امر ایفا می‌کند، اما برخی از گونه‌های Heliconius یک مکانیزم ضد پیری تکاملی را توسعه داده‌اند که محققان هنوز در حال رمزگشایی از آن هستند و این امر می‌تواند مدلی برای درک طول عمر انسان باشد.

تکامل یک رژیم غذایی خاص: تغذیه از گرده گل

فولی اشاره کرد که مطالعه روی موجوداتی با «طول عمر حداکثری» در قلمرو حیوانات، کار دشواری برای دانشمندان است؛ به خصوص اگر مجبور باشند قرن‌ها منتظر بمانند تا یک گونه به سن پیری برسد. پروانه‌های کمتر مطالعه‌شده Heliconius یک نمونه آزمایشی ایده‌آل بودند، زیرا محققان می‌توانستند کل چرخه زندگی آن‌ها را در حدود یک سال مشاهده کنند. تنها یک پروانه شناخته‌شده دیگر به نام Myscelia cyanaris بیشتر از Heliconius زندگی می‌کند (با حداکثر طول عمر ۳۸۰ روز)، اما داده‌های کمی درباره علت آن وجود دارد.

فولی و همکارانش مجموعه داده‌های گسترده‌ای را برای بررسی طول عمر و الگوهای پیری در سراسر سرده Heliconius ترکیب کردند. آن‌ها از اطلاعات جمع‌آوری‌شده از خانه‌های تجاری پروانه‌ها، مطالعات علامت‌گذاری و رهاسازی و همچنین آزمایش‌های کنترل‌شده استفاده کردند. نویسندگان می‌خواستند بررسی کنند که آیا حذف یک منبع غذایی غیرمعمول از رژیم غذایی این پروانه‌ها، طول عمر آن‌ها را کاهش می‌دهد یا خیر.

بیشتر پروانه‌های بالغ منحصراً از شهد گل‌ها تغذیه می‌کنند که فقط حاوی کربوهیدرات است. آن‌ها برخلاف دوران کرم ابریشم که از مواد گیاهی اسیدهای آمینه و لیپیدها (مورد نیاز برای تولید مثل) را دریافت می‌کردند، در بزرگسالی به این مواد دسترسی ندارند.

فولی درباره این لیپیدها و اسیدهای آمینه گفت: «استراتژی عمومی تکاملی این حشرات، تولید مثل تا حد امکان است تا زمانی که آن منابع تمام شوند، که این روند برای این حشرات کوچک زمان زیادی نمی‌برد. آن‌ها معمولاً کمی بعد از اتمام این منابع محدود می‌میرند.»

با این حال، نویسندگان به این نتیجه رسیدند که اکثر گونه‌های Heliconius برای تغذیه از گرده گل — حتی در سنین بلوغ — سازگار شده‌اند که می‌تواند انرژی بیشتری برای آن‌ها فراهم کند. گرده گل همچنین حاوی لیپیدهایی است که علاوه بر ذخیره انرژی، به تقویت سیستم ایمنی آن‌ها نیز کمک می‌کند.

آزمایش سنجش قدرت حشرات با دستگاه اختصاصی

محققان رابطه بین پروانه‌های Heliconius و گرده گل را از نزدیک بررسی کردند تا ببینند این حشرات چه مزایایی برای سلامتی از رژیم غذایی خود به دست می‌آورند. فولی گفت: «من می‌خواستم میزان واقعی این افزایش طول عمر را در Heliconius درک کنم تا بفهمم آیا این امر با کاهش سرعت پیری فیزیولوژیکی نیز همراه است یا خیر. همچنین می‌خواستم بدانم آیا آن‌ها حتی بدون گرده گل هم افزایش طول عمر (که نشان‌دهنده مکانیسم‌های تکاملی طول عمر است) نشان می‌دهند یا خیر.»

از ۲۸ گونه Heliconius که محققان مطالعه کردند، تنها ۶ گونه از گرده گل تغذیه نمی‌کردند و بین ۱۴ تا ۹۸ روز زندگی کردند. اما مشاهدات تیم نشان داد که حتی زمانی که گرده گل از رژیم غذایی آن‌ها حذف شد، پروانه‌های Heliconius همچنان بسیار بیشتر از خویشاوندان غیر گرده‌خوار خود زندگی کردند.

این تیم همچنین از یک دستگاه منحصربه‌فرد برای اندازه‌گیری افت توان ناشی از افزایش سن در پروانه‌های مسن‌تر از طریق آزمایش قدرت پنجه استفاده کردند. آن‌ها دستگاهی به نام Pullinator ساختند که شامل یک چوب نشیمن پوشانده‌شده با سنباده بود که به یک پایه چوبی سبک متصل می‌شد.

فولی توضیح داد: «ما این دستگاه را روی یک ترازوی آزمایشگاهی قرار دادیم، ترازو را صفر کردیم و سپس پروانه را به آرامی از بال‌هایش گرفتیم و پایین آوردیم تا نشیمنگاه را لمس کند و آن را بگیرد. سپس پروانه را به سمت بالا کشیدیم تا بالاخره آن را رها کند. همانطور که پروانه مقاومت می‌کرد، عدد ترازو منفی می‌شد و ما از حداکثر خوانش منفی به عنوان شاخصی برای میزان وزنی که پروانه می‌توانست قبل از رها کردن تحمل کند، استفاده کردیم.»

گونه پروانه Heliconius hecale که می‌تواند تا ۲۷۷ روز زندگی کند، در طول آزمایش قدرت پنجه، کاهش فیزیولوژیکی بسیار کمی نشان داد یا اصلاً نشان نداد. در حالی که گونه نزدیک به آن یعنی Dryas iulia که از گرده گل تغذیه نمی‌کند و ۹۸ روز زندگی می‌کند، علائمی از افت توان ناشی از سن را نشان داد. گونه Heliconois hecale همچنین توده بدنی و عملکرد عضلانی خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کرد — حتی زمانی که از گرده گل محروم بود.

یک معمای تکاملی در حوزه زیست‌شناسی

یافته‌ها نشان داد که به طور کلی، بسیاری از گونه‌های Heliconius که از گرده تغذیه می‌کنند، طول عمر طولانی‌تر و نرخ پیری کمتری داشتند که نشان می‌دهد تغذیه پروانه‌ها یک فاکتور حیاتی است. فولی گفت اسیدهای آمینه مشتق‌شده از گرده گل همچنین به پروانه‌ها کمک می‌کند تا به طور مداوم در سنین بلوغ تخم‌های بیشتری تولید کنند و طول عمر تولیدمثل آن‌ها را افزایش دهد.

اما با توجه به اینکه حذف دائمی گرده از رژیم غذایی پروانه‌ها تأثیر منفی بر طول عمر آن‌ها نداشت، محققان مشکوک هستند که همانطور که این حشرات رژیم غذایی مبتنی بر گرده را تکامل داده‌اند، به موازات آن برای زندگی طولانی‌تر نیز تکامل یافته‌اند.

فولی گفت: «ما نشان دادیم که این پروانه‌ها مکانیسم‌های تکاملی طول عمر دارند و به نظر می‌رسد که افت فیزیولوژیکی به تأخیر افتاده‌ای را تجربه می‌کنند، که آن‌ها را به مدل‌های جدید عالی برای مطالعه مکانیسم‌های طول عمر تبدیل می‌کند. با این حال، ما هنوز نمی‌دانیم این مکانیسم‌ها دقیقاً چه هستند.»

کاربرد مطالعه روی طول عمر حیوانات برای انسان‌ها

همکاران فولی علاقه‌مند به بررسی مکانیسم‌های مرموزتر طول عمر Heliconius و همچنین شناخت قوی پروانه‌ها هستند؛ آن‌ها حتی با وجود افزایش سن، مغز بزرگ و حافظه بلندمدت چشمگیری دارند.

به گفته فولی، مطالعه روی کرم‌ها، مگس‌ها و مخمرها به دانشمندان کمک کرده است تا درک بهتری از چگونگی عملکرد مکانیسم‌های پیری در انسان داشته باشند. نگاه به نمونه‌های بیشتری از قلمرو حیوانات می‌تواند برای شناسایی راه‌حل‌هایی که تکامل برای مشکل پیری پیدا کرده است، استفاده شود.

دکتر جارت سی دانیلز (Dr. Jaret C. Daniels)، کیوریتور و معاون موقت مرکز لپیدوپترا و تنوع زیستی مک‌گوایر در موزه تاریخ طبیعی فلوریدا که در این مطالعه شرکت نداشته است، گفت: «این تحقیق جدید نشان می‌دهد که Heliconius می‌تواند یک گروه حشره مدل پتانسیل‌دار برای مطالعه افزایش طول عمر، از جمله سازگاری‌هایی باشد که می‌تواند پیری را کند کند و قابلیت کاربرد برای انسان‌ها را داشته باشد.»

دانیلز در ایمیلی گفت: «این مطالعه کاربرد بسیاری از گروه‌های حشرات و ارگانیسم‌های مدل مهم را برای زمینه‌های مختلف تحقیقاتی تقویت می‌کند. از آنجایی که بسیاری از حشرات اغلب توسط انسان نادیده گرفته می‌شوند یا دست‌کم گرفته می‌شوند، مطالعاتی از این دست می‌تواند به تغییر آن دیدگاه کمک کند.»