راز بقا در خزندگان: چگونه مارها با ادرار کریستالی از بیماری پیشگیری می‌کنند؟

1

هر گونه‌ای در طبیعت راهکارهای خاصی برای بقا دارد. خزندگان، از جمله مارها و مارمولک‌ها، یکی از شگفت‌انگیزترین روش‌ها را برای دفع مواد زائد به کار می‌برند. به‌جای ادرار مایع، آن‌ها پسماندی جامد و سفیدرنگ به شکل کریستال دفع می‌کنند. این فرایند نه‌تنها عجیب بلکه هوشمندانه است، زیرا هم در مصرف آب صرفه‌جویی می‌کند و هم سموم بدن را در قالبی بی‌خطر محبوس می‌سازد.

اسرار علمی پشت ادرار کریستالی خزندگان

بر اساس پژوهشی که در مجله Journal of the American Chemical Society منتشر شده، دانشمندان مکانیسم شیمیایی این فرایند را کشف کرده‌اند. یافته‌ها حتی نشان می‌دهد که این شیمی طبیعی ممکن است در آینده به انسان‌ها در پیشگیری از بیماری‌هایی مانند نقرس و سنگ کلیه کمک کند.

صرفه‌جویی بی‌نظیر خزندگان در مصرف آب

بیشتر خزندگان در مناطق گرم و خشک زندگی می‌کنند که آب در آن کمیاب است. بدن آن‌ها نمی‌تواند مقدار زیادی آب را در فرایند دفع از دست بدهد. به همین دلیل، نیتروژن حاصل از سوخت‌وساز را به جای حل کردن در آب، به ترکیبات جامدی به نام اُرات‌ها (urates) تبدیل می‌کنند.

این اُرات‌ها از طریق منفذی به نام کلوآکا (cloaca) از بدن خارج می‌شوند. نتیجه آن، پلت‌های سفید و خشک است که به‌جای ادرار مایع از بدن خارج می‌شوند؛ طراحی‌ای هوشمندانه برای زیستن در بیابان‌ها و جنگل‌ها.

دانشمندان با بررسی بیش از ۲۰ گونه خزنده از جمله بوآها و پیتون‌ها، الگوی ثابتی پیدا کردند: این پسماندها از میلیون‌ها ذره کروی کوچک ساخته شده‌اند که هر کدام از نانوکریستال‌های اسید اوریک تشکیل شده‌اند. این ساختار طبیعی باعث می‌شود خزندگان بدون از دست دادن آب بدن، نیتروژن را دفع کنند.

ساختار میکروسکوپی کریستال‌های خزندگان

در این پژوهش، پیتون‌های توپ (Ball Python) مدل اصلی بررسی بودند. فضولات آن‌ها شامل گوی‌های میکروسکوپی کاملی با اندازه‌ای بین ۱ تا ۱۰ میکرومتر بود.

زیر میکروسکوپ‌های قدرتمند، هر گوی ساختاری از نانوکریستال‌های ظریف در لایه‌هایی منظم را نشان می‌داد. ماده اصلی این ساختار، اسید اوریک مونوهیدرات (uric acid monohydrate) بود که حالت جامد و فعال دارد.

سطح این کریستال‌ها صاف نیست بلکه فعال و واکنش‌پذیر است و یون‌هایی مانند پتاسیم، کلسیم و منیزیم را جذب می‌کند. به این ترتیب، همین ساختار که نیتروژن را دفع می‌کند، هم‌زمان تعادل نمک‌های بدن را نیز تنظیم می‌نماید.

در واقع، آنچه به عنوان پسماند شناخته می‌شود، بخشی از سیستم کنترل آب و مواد معدنی بدن خزندگان است.

فرایندی ایمن برای خزندگان اما دردناک برای انسان

شیمی نجات‌بخش خزندگان برای انسان می‌تواند دردناک باشد. انباشت اسید اوریک در بدن انسان منجر به بیماری‌هایی چون نقرس و سنگ کلیه می‌شود. اما خزندگان از این خطر در امان‌اند، زیرا بدنشان اسید اوریک را به‌صورت جامد بسته‌بندی کرده و پیش از ایجاد آسیب، آن را دفع می‌کند.

دکتر «جنیفر سوئیفت»، سرپرست تیم تحقیق، توضیح می‌دهد: «هدف ما درک این بود که چگونه خزندگان این ماده را به شکل ایمن دفع می‌کنند تا بتوانیم از آن برای درمان بیماری‌های انسانی الهام بگیریم.»

تغییر ساختار کریستال‌ها در طول زمان

کریستال‌های اورات در خزندگان همواره ثابت نمی‌مانند. با گذر زمان و تغییر شرایط محیطی همچون گرما و رطوبت، اسید اوریک مونوهیدرات می‌تواند به شکل‌های دیگر مانند دی‌هیدرات یا حتی بی‌آب تبدیل شود. این تغییرات نوعی سازگاری شیمیایی برای بقا در محیط‌های متنوع است.

کریستال‌هایی که سموم را به دام می‌اندازند

یکی از یافته‌های شگفت‌انگیز پژوهش این بود که کریستال‌های اسید اوریک توانایی جذب و محبوس‌کردن آمونیاک را دارند؛ ترکیبی بسیار سمی برای جانوران خشکی‌زی با آب محدود.

در بدن خزندگان، اسید اوریک با آمونیاک واکنش می‌دهد و ترکیب جامدی به نام آمونیوم اورات تشکیل می‌دهد که بی‌خطر بوده و می‌تواند بعداً دفع شود.

در آزمایشگاه نیز همین واکنش بازسازی شد؛ وقتی پژوهشگران کریستال‌های اسید اوریک را در محلول آمونیاک قرار دادند، کریستال‌ها تغییر ساختار داده و آمونیاک را در خود قفل کردند. این فرایند طبیعی نوعی دفاع شیمیایی در برابر سموم است که از آسیب داخلی و کم‌آبی جلوگیری می‌کند.

ارتباط شیمی خزندگان با بدن انسان

این پژوهش نشان می‌دهد که بین شیمی بدن خزندگان و انسان پیوندی ژرف وجود دارد. میلیون‌ها سال پیش، انسان‌ها نیز آنزیمی به نام یوریکاز (uricase) داشتند که اسید اوریک را تجزیه می‌کرد. اما در مسیر تکامل، این ژن غیرفعال شد.

برخی دانشمندان معتقدند این تغییر به انسان‌های اولیه کمک کرده تا انرژی را ذخیره کرده و در برابر استرس اکسیداتیو مقاوم‌تر شوند. اکنون پژوهش جدید زاویه‌ای تازه می‌افزاید: شاید اسید اوریک نقش تنظیم آمونیاک را در پستانداران اولیه بر عهده داشته، مشابه آنچه در خزندگان مشاهده می‌شود.

امروزه نیز ردپای این مکانیسم در بدن انسان باقی مانده است. درک نحوه مدیریت ایمن اسید اوریک در خزندگان می‌تواند به یافتن علت تفاوت در بروز بیماری‌هایی مانند نقرس بین افراد مختلف کمک کند.

الهام از خزندگان برای علم پزشکی

این مطالعه مارها و مارمولک‌ها را به معلمان شیمی زیستی طبیعت تبدیل کرده است. آن‌ها یاد گرفته‌اند چگونه سم را به پودر بی‌خطر تبدیل کنند. دانشمندان نیز اکنون در تلاش‌اند همین درس را از طبیعت بیاموزند.

شاید آنچه به‌عنوان پسماند یک خزنده آغاز می‌شود، روزی الهام‌بخش درمان‌های نوین انسانی باشد. گاهی راز حل یک معمای پزشکی، در سکوت یک موجود بیابانی پنهان است.

این پژوهش با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) و دانشگاه جورج‌تاون انجام شد و در مجله Journal of the American Chemical Society منتشر گردید.