قورباغه‌ی شیشه‌ای چطور برای نامرئی‌شدن خونش را پنهان می‌کند؟
پژوهشگران با تاباندن لیزر و ثبت امواج صوتی، راز دوزیست کوچک را فاش کردند؛ قورباغه‌ای که هر صبح خونش را جمع می‌کند تا نامرئی بماند. جسی دلیا دوربینش را به قلب قورباغه نزدیک کرد. جانور خواب بود و پوست شفاف شکمش اجازه می‌داد ضربان قلبش به‌وضوح دیده شود. قلب می‌تپید، اما خبری از رنگ سرخ خون نبود.
به گزارش سایت دیدبان ایران، پژوهشگران با تاباندن لیزر و ثبت امواج صوتی، راز دوزیست کوچک را فاش کردند؛ قورباغه‌ای که هر صبح خونش را جمع می‌کند تا نامرئی بماند.
جسی دلیا دوربینش را به قلب قورباغه نزدیک کرد. جانور خواب بود و پوست شفاف شکمش اجازه می‌داد ضربان قلبش به‌وضوح دیده شود. قلب می‌تپید، اما خبری از رنگ سرخ خون نبود.
دلیا سال‌ها روی قورباغه‌های شیشه‌ای تحقیق کرده بود و بیشتر اوقات هم شب‌ها سراغشان می‌رفت؛ زمانی که بیدار بودند و می‌شد رفتارشان را زیر نظر گرفت. اما در یکی از سفرهای پژوهشی‌اش به پاناما، قورباغه‌ای را دید که در روشنایی روز خوابیده بود و قلبِ پیدایش، مایعی تقریباً بی‌رنگ را پمپاژ می‌کرد.
وقتی دلیا قورباغه را کمی تحریک کرد تا بیدار شود، ناگهان گلبول‌های قرمز در رگ‌هایش نمایان شدند. او اجازه داد حیوان دوباره آرام بگیرد و بخوابد؛ طولی نکشید که خون دوباره بی‌رنگ شد. این مشاهده نشان می‌داد که در بدن قورباغه، فرایندی وابسته به چرخه خواب و بیداری جریان دارد؛ جانور هنگام استراحت، خون خود را در جای دیگری از بدنش پنهان می‌کرد.
قورباغه‌های شیشه‌ای نام خود را از بدن نیمه‌شفافشان گرفته‌اند؛ پوستی که از ورای آن می‌توان استخوان‌ها و اندام‌های داخلی برخی گونه‌ها را دید. اما همین بدنِ عریان و شفاف، راز بزرگی را در خود پنهان می‌کند. گلبول‌های قرمزی که در زمان بیداری در رگ‌ها جریان داشتند، هنگام خواب دقیقاً به کجا می‌رفتند؟
قورباغه‌ای که بعدها سوژه آزمایش‌های تیم تحقیقاتی شد، گونه‌ای به نام علمی Hyalinobatrachium fleischmanni بود؛ دوزیستی کوچک که طول بدنش از چند سانتی‌متر فراتر نمی‌رود. پشت سبزرنگش به‌خوبی با برگ‌ها هم‌رنگ می‌شود، اما بخش زیرین بدنش شگرد دیگری دارد؛ پوست و عضلات شکم او نور را از خود عبور می‌دهند.
قورباغه‌ها شب‌زی هستند و با طلوع آفتاب، زیر برگ‌ها می‌خوابند تا در طول روز به کمک استتار خود از دید شکارچیان در امان بمانند. شفافیت بخش زیرین بدن باعث می‌شود سایه و مرز مشخصی از قورباغه روی برگ نیفتد. هرچه مرز میان بدن جانور و برگ محوتر باشد، تشخیص حضورش برای شکارچیان دشوارتر می‌شود.
برای جانوری که ساعت‌ها بی‌حرکت روی یک برگ می‌ماند، سبزیِ پشت بدن به‌تنهایی کافی نیست؛ زیرا حجم بدن مانع عبور نور می‌شود و سایه‌ای تاریک روی برگ می‌اندازد که شکل قورباغه را لو می‌دهد. اما بافت‌های شفاف قورباغه شیشه‌ای اجازه می‌دهند نور محیط از بدنش عبور کند و تضاد نوری میان جانور و برگ به حداقل برسد.
قورباغه‌ی شیشه‌ای روزها زیر برگ می‌خوابد؛ درست زمانی که بیش از همیشه به استتار نیاز دارد
البته قورباغه به‌طور کامل محو نمی‌شود؛ چشم‌ها و برخی اندام‌های داخلی همچنان قابل تشخیص‌اند و تمام بخش‌های بدن هم شفافیت یکسانی ندارند. اما هدف، رسیدن به شفافیت مطلق شیشه نیست؛ همین که عبور نور از بافت‌ها نشانه‌های بصری جانور را کم کند، برای فریب شکارچی کفایت می‌کند.
مشاهده دلیا نشان می‌داد که میزان این شفافیت ثابت نیست و از بیداری به خواب تغییر می‌کند؛ تغییری که به رنگ پوست ربطی نداشت و رازش را باید در درون رگ‌ها جست‌وجو می‌کردند.
کارلوس تابوادا در دانشگاه دوک نیز هم‌زمان با دلیا، دنبال سازوکار شفافیت قورباغه‌ها می‌گشت و پیش‌تر روی ویژگی‌های نوری و رنگ دوزیستان مطالعه کرده بود. سونکه جانسن، زیست‌شناس دانشگاه دوک که در زمینه نور، بینایی و استتار پژوهش می‌کرد، این دو محقق را به هم مرتبط کرد تا مشاهدات میدانی دلیا و تخصص تابوادا در فیزیک نور، روی یک هدف مشترک متمرکز شود.
شفاف‌شدن برای مهره‌داران کار ساده‌ای نیست؛ بدن آن‌ها از لایه‌های پوست، عضله، عصب و اندام‌های مختلفی تشکیل شده که هرکدام نور را جذب یا پراکنده می‌کنند. حتی اگر تمام بافت‌ها هم شفاف شوند، شبکه رگ‌های خونی پر از گلبول قرمز، همه چیز را لو می‌دهد.
گلبول‌هایی که زندگی قورباغه به آن‌ها بستگی دارد، می‌توانند مخفیگاهش را آشکار کنند
گلبول‌های قرمز رنگ خود را از هموگلوبین می‌گیرند؛ پروتئینی حامل اکسیژن که نور مرئی و به‌ویژه نور سبز را به‌شدت جذب می‌کند؛ درست همان رنگی که در زمینه‌ی برگ‌ها زیاد وجود دارد. گردش گلبول‌های قرمز برای بدنی که می‌خواهد نور از آن بگذرد، مانعی جدی به‌حساب می‌آید.
پس مسئله‌ی قورباغه فقط بهره‌بردن از پوست مناسب نیست. سلول‌هایی در سراسر بدنش حرکت می‌کردند که وظیفه‌شان رساندن اکسیژن بود و حضورشان به قیمت کاهش شفافیت تمام می‌شد. هنگام فعالیت، بدن به ظرفیت حمل اکسیژن نیاز داشت و هنگام خواب، کمتر دیده‌شدن به کارش می‌آمد.
دلیا و تابوادا تغییر سرخی بدن را سرنخی برای همین مسئله می‌دیدند. گلبول‌ها با بیداری دوباره ظاهر می‌شدند؛ بنابراین حیوان می‌توانست توزیع آن‌ها را تغییر دهد. حالا پژوهشگران باید پناهگاه این سلول‌ها را پیدا می‌کردند؛ کاری که صرفاً با نگاه‌کردن از ورای پوست شفاف قورباغه ممکن نبود.
تیم تحقیقاتی در دانشگاه‌های دوک و استنفورد قورباغه‌ها را زیر نظر گرفتند، اما برای ردیابی گلبول‌های پنهان‌شده با چالش بزرگی روبه‌رو بودند. هرگونه استرس، لمس یا بیدارشدن قورباغه، کل فرایند را به هم می‌زد.
هر بار که حیوان فعال یا مضطرب می‌شد، حالت مطلوب آزمایش تغییر می‌کرد. گلبول‌ها دوباره در بدن به گردش درمی‌آمدند و شفافیت بدنش کاهش پیدا می‌کرد. پژوهشگران باید چیزی را اندازه می‌گرفتند که با دست‌کاری حیوان از بین می‌رفت؛ یعنی قورباغه باید در طول بررسی، خواب طبیعی‌اش را ادامه می‌داد.
شاید به نظر برسد بیهوش کردن قورباغه ساده‌ترین راه‌حل برای بی‌حرکت نگه‌داشتن او باشد؛ اما آزمایش‌ها نشان داد که داروهای بیهوشی نیز مکانیزم پنهان‌شدن خون را مختل می‌کنند و گلبول‌ها را به رگ‌ها برمی‌گردانند. بنابراین، بی‌حرکتیِ ناشی از بیهوشی کمکی به حل معما نمی‌کرد.
مشکل دیگر، ساختار خود اندام‌های داخلی بود؛ زیرا برخی از اندام‌های قورباغه شیشه‌ای پوششی از بلورهای بازتابنده نور دارند. دوربین‌ها می‌توانستند از پوست و عضلات شفاف عبور کنند، اما پشت چنین پوششی را نشان نمی‌دادند. اگر گلبول‌های قرمز در یکی از همین اندام‌های پوشیده جمع می‌شدند، از دید دوربین‌ها پنهان می‌ماندند.
پژوهشگران باید درون بدن قورباغه را می‌دیدند، بی‌آنکه خوابش را برهم بزنند
پژوهشگران به روشی نیاز داشتند که بتواند از این لایه‌های بازتابنده عبور کند، بدون اینکه نیاز به تزریق ماده حاجب یا دست‌کاری فیزیکی قورباغه داشته باشد.
تابوادا سراغ تصویربرداری فوتوآکوستیک یا نورآوایی رفت؛ فناوری پیشرفته‌ای که به‌جای تکیه بر بازتاب نور، امواج صوتیِ حاصل از جذب نور را اندازه‌گیری می‌کند. در همان دانشگاه دوک، مهندسی به نام جونجی یائو روی این فناوری کار می‌کرد و به‌این‌ترتیب، پای مهندسی پزشکی به یک معمای زیست‌شناسی باز شد.
در چیدمان آزمایش، قورباغه زیر ظرف پتری می‌خوابید؛ وضعیتی شبیه خوابیدن زیر برگ. سپس پژوهشگران پرتوهای لیزر را به بدن او می‌تاباندند و حسگرها، امواج فراصوت برگشتی را ثبت می‌کردند.
وقتی هموگلوبین انرژی نور را جذب می‌کند، بخشی از آن به گرما تبدیل می‌شود. افزایش بسیار جزئی دما، انبساطی ایجاد می‌کند که موج فراصوت به همراه دارد. دستگاه با اندازه‌گیری این موج‌ها، تصویری از محل جذب نور می‌سازد. رویکرد میکروسکوپی فوتوآکوستیک به گروه امکان می‌داد رد هموگلوبین و درنتیجه گلبول‌های قرمز را بگیرد.
تصویربرداری فوتوآکوستیک به پژوهشگران امکان داد خون را در بدن قورباغه خوابیده دنبال کنند
خاصیتی که استتار قورباغه را مختل می‌کرد، حالا به کمک پژوهشگران می‌آمد. هموگلوبین نور را جذب می‌کرد و همین جذب، نشانه‌ای قابل‌اندازه‌گیری می‌ساخت. گلبول‌ها برای آشکارشدن در تصویر، به رنگ تزریقی احتیاج نداشتند.
روش جدید به پژوهشگران اجازه داد هم جزئیات رگ‌های کوچک را ببینند و هم به اعماق اندام‌های پوشیده نفوذ کنند. قرار بود هم مسیر حرکت سلول‌ها مشخص شود و هم اندامی که هنگام خواب آن‌ها را در خود نگه می‌داشت. پژوهشگران با مقایسه تصاویر ثبت‌شده می‌توانستند ببینند هنگام خواب، نشانه‌ی گلبول‌ها در کدام بخش‌ها کم می‌شود و در کجا باقی می‌ماند. سپس با تغییر وضعیت حیوان، همان قسمت‌ها را دوباره بررسی کردند.
مشاهده‌ی اولیه‌ی دلیا حالا از یک تغییر رنگ قابل‌مشاهده فراتر می‌رفت. گروه راهی پیدا کرده بود تا جابه‌جایی سلول‌ها را درون بدن دنبال کند. سرخی گمشده از بدن بیرون نرفته بود؛ فقط جایی جمع می‌شد که نگاه‌کردن از پشت پوست، آن را نشان نمی‌داد.
گلبول‌های قرمز در کبد جمع شده بودند. تصاویر نشان دادند که قورباغه شیشه‌ای هنگام خواب، بخش عظیمی از گلبول‌های قرمز خود را از چرخه‌ی گردش عمومی خارج کرده و در کبد انبار می‌کند. به‌محض بیدارشدن حیوان، کبد این سلول‌ها را آزاد می‌کند و خون دوباره در رگ‌های سراسر بدن به جریان می‌افتد.
نتایج پژوهشی که در دسامبر ۲۰۲۲ در مجله Science منتشر شد، گلبول‌های قرمز قورباغه‌ها هنگام خواب حدود ۸۹ درصد کاهش می‌یابد و باعث می‌شود بدن آن‌ها دو تا سه برابر شفاف‌تر شود. خواب، توزیع خون را چنان تغییر می‌داد که اثرش از بیرون بدن هم دیده می‌شد.
منظور از «پنهان‌کردن خون»، توقف کامل گردش خون نیست. پلاسما، بخش مایع و بی‌رنگ خون، همچنان در رگ‌ها جریان دارد و قلب به پمپاژ آن ادامه می‌دهد؛ همان مایع شفافی که دلیا در اولین مشاهداتش دیده بود. آنچه از رگ‌ها جمع می‌شود، صرفاً گلبول‌های قرمزی هستند که نور را جذب می‌کنند.
قورباغه هنگام خواب نزدیک به ۸۹ درصد گلبول‌های قرمز خود را در کبد جمع می‌کند
کبد به‌عنوان انبار گلبول‌های قرمز هم تصادفی نیست. کبد این قورباغه در غشایی سرشار از بلورهای گوانین قرار دارد که نور را مانند آینه بازمی‌تاباند. اگر قورباغه این حجم از گلبول قرمز را در اندامی بدون پوشش جمع می‌کرد، لکه‌ای سرخ و بزرگ در شکمش دیده می‌شد که کل هدف استتار را از بین می‌برد.
ترکیب سه ویژگی، تصویر مشهور قورباغه‌ی شیشه‌ای را شکل می‌دهد؛ اول بافت‌های شفافی که نور را عبور می‌دهند، دوم پلاسمای بی‌رنگی که بدون گلبول قرمز در رگ‌ها می‌چرخد و سوم، کبدی که سلول‌های کنارگذاشته‌شده را پشت پوشش خود نگه می‌دارد.
پژوهشگران برای اطمینان از منحصربه‌فرد بودن این رفتار، سه گونه دیگر از قورباغه‌های درختی گرمسیری را که بدن غیرشفاف داشتند بررسی کردند. در این گونه‌ها، کاهش گلبول‌های قرمز در زمان خواب تنها حدود ۱۲ درصد یا کمتر بود، تفاوت فاحشی که ثابت می‌کرد انبارکردن گلبول‌های قرمز، سازگاری ویژه‌ای برای استتار قورباغه‌های شیشه‌ای است.
پوشش بازتابنده‌ی کبد، انبوه گلبول‌های ذخیره‌شده را از دید پنهان نگه می‌دارد
ذخیره‌شدن گلبول‌های قرمز حتی اندازه‌ی اندام میزبان را تغییر می‌دهد. اسکن‌های فراصوت نشان دادند که حجم کبد قورباغه شیشه‌ای در زمان خواب به‌طور میانگین حدود ۴۰ درصد بزرگ‌تر می‌شود. بررسی‌های بافت‌شناسی نیز تأیید کرد که گلبول‌های قرمز در کیسه‌ها و فضاهای عروقی درون کبد جمع می‌شوند.
پژوهشگران محل اختفای خون را پیدا کرده بودند، حالا سؤال این بود که بدن قورباغه بدون اکسیژن و با این حجم از خون متراکم چه می‌کند؟
وظیفه اصلی گلبول‌های قرمز، رساندن اکسیژن به بافت‌هاست. وقتی ۸۹ درصد این سلول‌ها از گردش خارج می‌شوند، ظرفیت حمل اکسیژن در بدن به‌شدت سقوط می‌کند. قورباغه هنگام خواب فعالیت کمتری دارد، اما بافت‌هایش همچنان زنده‌اند و باید نیازهای خود را تأمین کنند.
پژوهش سال ۲۰۲۲ نشان می‌داد که با انبارشدن گلبول‌ها، سطح اکسیژن‌رسانی در بدن به شکل چشمگیری کاهش می‌یابد. محققان احتمال می‌دهند که قورباغه در زمان خواب، نرخ سوخت‌وساز خود را به‌شدت پایین می‌آورد یا از مسیرهای تولید انرژی بی‌هوازی کمک می‌گیرد؛ هرچند مکانیزم دقیق سازگاری بدن هنوز به بررسی‌های بیشتری نیاز دارد.
ویژگی دیگری که نظر محققان را جلب کرد، به تجمع گلبول‌ها برمی‌گشت. در انسان و اکثر مهره‌داران، اگر چنین حجم عظیمی از گلبول‌های قرمز در یک نقطه جمع و فشرده شوند، احتمال لخته‌شدن خون و انسداد رگ‌ها بالا می‌رود، اما قورباغه‌های شیشه‌ای هر روز بیشتر گلبول‌های قرمز خود را در کبد فشرده می‌کنند و هر شب دوباره به رگ‌ها می‌فرستند، بدون اینکه دچار لخته‌های آسیب‌زا شوند.
پژوهشگران حدس می‌زنند که ویژگی‌های بیوشیمیایی خاص یا نحوه آرایش فیزیکی سلول‌ها در فضاهای کبد، مانع از فعال‌شدن فاکتورهای انعقادی می‌شود. به گفته موزه تاریخ طبیعی آمریکا، کشف راز این توانایی می‌تواند مسیرهای تازه‌ای را در پژوهش‌های پزشکی مربوط به پیشگیری از لخته‌شدن خون و سکته‌های عروقی در انسان باز کند.
با فرارسیدن شب و بیدارشدن قورباغه، کبد بار دیگر ذخیره گلبول‌های قرمز را خالی می‌کند. سرخی به رگ‌ها بازمی‌گردد، شفافیت بدن کم می‌شود و جانور سراغ زندگی و شکار می‌رود. زیر آن برگ‌های سبز، پوست شفاف تنها نیمی از هنر طبیعت بود؛ قورباغه شیشه‌ای برای اینکه کمتر دیده شود، باید سرخی خونش را هم از دیده‌ها پنهان می‌کرد.