تاريخ الكائنات النموذجية

انتقلت ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوغاستر) من الطبيعة إلى المختبر عام ١٩٠١. في جامعة هارفارد، اقترح تشارلز و. وودوورث على ويليام إي. كاسل إمكانية استخدام الدروسوفيلا في الأبحاث الجينية. ^{[ ٣ ]} أحضر كاسل، برفقة طلابه، الذبابة إلى مختبراتهم لإجراء التجارب. وبحلول عام ١٩٠٣، أعاد ويليام ج. مونكهاوس الدروسوفيلا إلى مختبره في كلية الطب بجامعة إنديانا. بدوره، أقنع مونكهاوس عالم الحشرات فرانك إي. لوتز بأنها ستكون كائنًا مناسبًا للعمل الذي كان يجريه في محطة التطور التجريبي التابعة لمؤسسة كارنيجي في كولد سبرينغز هاربور، لونغ آيلاند، حول التطور التجريبي. وفي عام ١٩٠٦ تقريبًا، تبنى توماس هانت مورغان، الذي اشتهر لاحقًا بأبحاثه في هذا المجال، الدروسوفيلا . قام رجل يدعى جاك لوب أيضاً بإجراء تجارب على طفرات ذبابة الفاكهة بشكل مستقل عن عمل مورغان خلال العقد الأول من القرن العشرين. ^{[ 4 ]}

يُعتبر توماس هانت مورغان أحد أبرز الشخصيات المؤثرة في علم الأحياء التجريبي خلال أوائل القرن العشرين، وقد كان عمله على ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) واسع النطاق. كان من أوائل من أدركوا في هذا المجال إمكانية رسم خرائط كروموسومات ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوغاستر) وجميع الطفرات المعروفة. لاحقًا، وسّع نطاق اكتشافاته ليشمل دراسة مقارنة لأنواع أخرى. من خلال الملاحظة الدقيقة والمضنية، تمكّن هو وغيره من علماء ذبابة الفاكهة من ضبط الطفرات وتهجينها للحصول على أنماط ظاهرية جديدة. على مرّ سنوات طويلة من العمل المتواصل، أصبحت معايير هذه الذباب موحدة إلى حد كبير، ولا تزال تُستخدم في الأبحاث حتى اليوم. ^{[ 5 ]}

لم تكن الحشرات الكائنات الحية الوحيدة التي دخلت المختبرات كعينات اختبار. فقد أُدخلت البكتيريا أيضًا، ومع اختراع المجهر الإلكتروني عام 1931 على يد إرنست روسكا ، وُلد مجال جديد كليًا في علم الأحياء الدقيقة. ^{[ 6 ]} سمح هذا الاختراع لعلماء الأحياء الدقيقة برؤية أجسام متناهية الصغر لا يمكن رؤيتها بأي مجهر ضوئي، وبالتالي أصبحت الفيروسات، التي حيّرت علماء الأحياء في العديد من المجالات لسنوات، خاضعة للفحص العلمي. ^{[ 7 ]} في عام 1932، بدأ ويندل ستانلي منافسة مباشرة مع كارل جي. فينسون ليكون أول من يعزل فيروس تبرقش التبغ (TMV) بشكل كامل، وهو فيروس كان يقتل نباتات التبغ في جميع أنحاء إنجلترا دون أن يُرى. ^{[ 8 ]} كان ستانلي هو من أنجز هذه المهمة أولًا عن طريق تغيير درجة الحموضة لتصبح أكثر حمضية. وبذلك، تمكن من استنتاج أن الفيروس إما بروتين أو قريب الصلة به.

هناك أسباب بالغة الأهمية وراء دخول هذه الكائنات الحية الجديدة الأصغر حجمًا، مثل الإشريكية القولونية، إلى مختبرات علماء الأحياء الجزيئية. فقد كانت كائنات مثل ذبابة الفاكهة وخنفساء الدقيق كبيرة الحجم ومعقدة للغاية بالنسبة للتجارب الكمية البسيطة التي أراد علماء مثل ويندل ستانلي إجراؤها. ^{[ 9 ]} قبل استخدام هذه الكائنات البسيطة، كان على علماء الأحياء الجزيئية العمل مع كائنات أكثر تعقيدًا نسبيًا.

تُستخدم هذه الفيروسات، بما فيها العاثيات، اليوم على نطاق واسع في علم الوراثة. وهي بالغة الأهمية في مساعدة الباحثين على إنتاج الحمض النووي داخل البكتيريا. يمتلك فيروس تبرقش التبغ حمضًا نوويًا ريبوزيًا (RNA) يتراص بطريقة مميزة أثرت في تطوير النموذج الحلزوني المزدوج لبنية الحمض النووي. ^{[ 10 ]}

تُدرس العاثيات ( الفيروسات التي تصيب البكتيريا) منذ عام 1939 ككائنات نموذجية تجريبية لفهم العديد من العمليات البيولوجية الأساسية على المستوى الجزيئي. وقد ساهمت مجموعة العاثيات ، التي كانت في البداية شبكة غير رسمية من علماء الأحياء بقيادة ماكس ديلبروك ، بشكل كبير في علم الوراثة البكتيرية ونشأة البيولوجيا الجزيئية في منتصف القرن العشرين. ^{[ 11 ]} أدت دراسات العاثيات إلى فهم أعمق للعديد من المشكلات البيولوجية الأساسية. وهكذا ، تم التوصل إلى فهم لوظائف وتفاعلات البروتينات المستخدمة في آلية تضاعف الحمض النووي وإصلاحه وإعادة تركيبه ، وكيفية تجميع الفيروسات من مكونات البروتين والحمض النووي ( التكوين الجزيئي ). كما أدت التجارب على العاثيات إلى توضيح دور كودونات إنهاء السلسلة ، وساهمت أيضًا في فرضية التسلسل ، وهي المفهوم القائل بأن تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين يُحدد بواسطة تسلسل النيوكليوتيدات للجين الذي يُحدد هذا البروتين.

شكّلت دراسة الحشرات والفيروسات بدايةً موفقةً لتاريخ الكائنات النموذجية، لكنّ هناك عوامل أخرى لا تزال حاضرة. مع مطلع القرن العشرين، أُجريت أبحاثٌ طبيةٌ حيويةٌ واسعةٌ باستخدام الحيوانات، ولا سيما الثدييات، لتعزيز فهم علماء الأحياء للعمليات الحيوية. في ذلك الوقت تقريبًا، انخرطت جمعيات الرفق بالحيوان الأمريكية بقوة في حماية حقوق الحيوان، وبدأت لأول مرة تحظى بدعمٍ شعبيٍّ لهذا المسعى. في الوقت نفسه، كانت البيولوجيا الأمريكية تشهد إصلاحاتٍ داخليةً. ففي الفترة من عام 1900 إلى عام 1910، أُجبرت ثلاثون كليةً طبيةً على الإغلاق. خلال هذه الفترة المضطربة، أصبح رجلٌ يُدعى كلارنس كوك ليتل ، بفضل سلسلةٍ من الأحداث الموفقة، باحثًا في كلية الطب بجامعة هارفارد، وعمل على سرطانات الفئران. بدأ بتطوير مستعمراتٍ كبيرةٍ من سلالات الفئران الطافرة. تحت إشراف الدكتور ويليام كاسل، ساهم ليتل في توسيع نطاق تربية الحيوانات في مختبر بوسّي بجامعة هارفارد. بفضل الحرية التي مُنحت لكاسل في إدارة المختبر والدعم المالي الذي قدمته له الجامعة، تمكنوا من إنشاء برنامج واسع النطاق في علم الوراثة الثديية. ^{[ 12 ]}

أثبتت الفئران أنها حل مثالي تقريبًا كحيوانات تجارب في أبحاث علم الوراثة للثدييات. فوجودها في مزارع تربية الفئران لمئات السنين سمح بتنوع سلالاتها، بينما لم يكن لدى العامة تعاطف كبير معها مقارنةً بالكلاب والقطط. وبفضل هذا التعاطف الاجتماعي، تمكن ليتل من تبني أفكار جديدة حول "السلالات الوراثية النقية" المستمدة من علم الوراثة النباتية، بالإضافة إلى العمل مع ذبابة الفاكهة، وتطويرها. وقد يكون لفكرة التزاوج الداخلي لتحقيق هدف "السلالة النقية" في الفئران تأثير سلبي على خصوبتها، مما أدى إلى توقف تطوير السلالة. حقق ليتل هدفه المتمثل في سلالة نقية وراثيًا من الفئران بحلول عام 1911، ونشر نتائجه بعد ذلك بفترة وجيزة. وواصل عمله مع هذه الفئران، مستخدمًا أبحاثه لإثبات أن التزاوج الداخلي وسيلة فعالة للقضاء على التباين والحفاظ على المتغيرات الجينية الفريدة. وفي نفس الفترة تقريبًا، كان هناك نشاط بحثي مكثف على هذه الفئران وفي أبحاث السرطان والأورام. ^{[ 13 ]}

طوال عشرينيات القرن العشرين، استمر العمل على هذه الفئران ككائنات نموذجية لأبحاث الأورام وعلم الوراثة. وخلال فترة الكساد الكبير، تلقى هذا المجال البحثي ضربة قاسية. ومع تدهور الاقتصاد، اضطرت المختبرات لبيع أعداد كبيرة من فئرانها لتجنب الإغلاق. هذه الحاجة الماسة للتمويل كادت أن توقف استمرار استخدام هذه السلالات من الفئران. وكان تحول هذه المختبرات إلى مُصدِّرة لكميات هائلة من الفئران أمرًا يسيرًا نسبيًا إذا توفرت لديها مرافق كافية لإنتاجها في مواقعها. وفي منتصف ثلاثينيات القرن العشرين، انتعش السوق، واستأنفت مختبرات علم الوراثة في جميع أنحاء البلاد تمويلها المنتظم، وبالتالي واصلت أبحاثها التي بدأتها قبل الكساد. ومع استمرار الأبحاث، استمر إنتاج الفئران في أماكن مثل مختبر جاكسون. وتمكنت مرافق كهذه من إنتاج الفئران لمراكز الأبحاث حول العالم. تم تربية هذه الفئران باستخدام تقنية التكاثر المندلي التي طبقها ليتل كممارسة قياسية حوالي عام 1911. وهذا يعني أن الفئران التي أجريت عليها التجارب لم تكن متطابقة داخل المختبر فحسب، بل في مختبرات مختلفة حول العالم. ^{[ 14 ]}

لقد ظل الفأر مهمًا مع تقدم علم الوراثة الجزيئية وعلم الجينوم؛ تم الانتهاء من تسلسل جينوم مرجعي للفأر في عام 2002. ^{[ 15 ]} على نطاق أوسع، ساهم علم الجينوم المقارن في تعزيز فهمنا وعزز أهمية الكائنات النموذجية، وخاصة تلك التي لها جينومات صغيرة نسبيًا وغير متكررة.