انتخاب طبیعی فراتر از داروین؛ موجودات زنده چگونه تکامل خود را کنترل می‌کنند؟

خلاصه مقاله:

• گونه‌ها از طریق مکانیسم‌های غیر‌ژنتیکی مانند فرهنگ، اپی‌ژنتیک و همزیستی بر تکامل خود تأثیر می‌گذارند.
• سازگاری‌ها تنظیمات محیطی سریع را ممکن می‌سازد و توانایی یک گونه برای تکامل را افزایش می‌دهد.
• باکتری‌های همزیست میکروارگانیسم‌هایی هستند که در روابط نزدیک و اغلب مفید با سایر ارگانیسم‌ها زندگی می‌کنند و به تجزیه‌ی موادی که میزبان به تنهایی قادر به هضمشان نیست، کمک می‌کنند.
• اقدامات فرهنگی و تغییرات محیطی (به عنوان مثال، ساخت کنام) نتایج تکاملی را بیشتر شکل می‌دهد.
• موجودات زنده می‌توانند بر تکامل خود تأثیر بگذارند و با این کار دیدگاه‌های سنتی داروین را به چالش بکشند. آن‌ها از طریق رفتارها، تعاملات محیطی و مکانیسم‌هایی مانند همزیستی، فرهنگ و ساختن جایگاه، بر صفات در طول زمان تأثیر می‌گذارد. این فرآیند چرخه‌ای به تکامل اجازه می‌دهد تا خود را هدایت کند و نشان دهد که چگونه موجودات و سازگاری آن‌ها عمیقاً درهم تنیده شده‌اند.

زندگی در بیابان چالش‌برانگیز است؛ اما موش‌ کپه‌ساز بیابان موهاوی برای سازگاری با این محیط یک برگ برنده دارد: می‌تواند سم تغذیه بخورد. این جونده‌ی کوچک با تغذیه از بوته‌های سمی قطران زنده می‌ماند و رشد می‌کند. به‌طرز شگفت‌انگیز، موش‌ کپه‌ساز ژن‌های لازم برای مقابله با سم را تکامل نداده است؛ درعوض، مدفوع سایر موش‌های کپه‌ساز را می‌خورد و در نتیجه، باکتری‌های سم‌زدایی را به دستگاه گوارش خود منتقل می‌کند.

موش کپه‌ساز بیابان‌نشین (Neotoma lepida) نمونه‌ای از تاثیر تلاش موجودات زنده بر تکامل خودشان است. در سال‌های اخیر، مشخص شده که بسیاری از ارگانیسم‌ها با ایجاد صفات غیر‌ژنتیکی که می‌توانند تحت‌تأثیر انتخاب طبیعی قرار گیرند، بر تکامل خود تأثیر می‌گذارند. این دیدگاه به چالش‌کشیدن تفکر سنتی داروینی است، اما بدین معنا نیست که نظریه داروین را نادرست می‌داند. در عوض، این ایده پیشنهاد می‌دهد که عوامل دیگری مانند ویژگی‌های غیر‌ژنتیکی و تعاملات ارگانیسم‌ها با محیط می‌توانند به تکامل کمک کنند و آن را فراتر از جهش‌های تصادفی ژنتیکی هدایت کنند.

تعداد روبه‌رشدی از زیست‌شناسان تکاملی معتقدند وراثت غیر‌ژنتیکی نقشی حیاتی در تکامل بازی می‌کند که پیامدهای عملی دارد. گونه‌ها در مواجهه با تغییرات اقلیمی، باید به سرعت سازگار شوند یا منقرض می‌شوند. شواهدی در حال افزایش است که سازگاری‌های برون‌ژنتیکی، مانند مورد موش کپه‌ساز بیابان‌نشین، می‌توانند موجودات را از انقراض نجات دهند.

تفکر جدید نحوه‌ی نگرش به تکامل انسان را نیز تغییر می‌دهد. فرهنگ پیچیده‌ی ما، روش تکامل انسان را بسیار متفاوت‌تر و سریع‌تر از تکامل بیشتر گونه‌های دیگر می‌کند. این فرگشت‌پذیری غیرمعمول و تقویت‌شده، در هدایت آینده‌ی تکاملی انسان، کنترلی بسیار فراتر از آنچه تصور می‌شد به ما می‌دهد.

کوین لالا، یکی از نویسندگان کتاب «تکامل در حال تکامل: ریشه های رشد سازگاری و تنوع زیستی»، فرآیندهای مختلفی را بررسی می‌کند که درک ما را از زیست‌شناسی تکاملی گسترش می‌دهد. او سه مکانیسم مهم را برجسته می‌کند: تغییرات اپی‌ژنتیک، وراثت همزیستی و فرهنگ. لالا استدلال می‌کند که این پدیده‌ها صرفاً مشابه تکامل بیولوژیکی نیستند، بلکه جزء لاینفک آن محسوب می‌شوند. این مکانیسم‌ها موجودات زنده را قادر می‌سازد تا با محیط‌های جدید سازگار شوند، تغییرات و استرس را مدیریت کنند، فنوتیپ‌های جدید به‌وجود آورند و با چالش‌ها تا زمانی که جهش‌های ژنتیکی سودمند ایجاد شوند، مقابله کنند. در ادامه به بررسی مختصر سه مکانیسم تاثیرگذار بر انتخاب طبیعی می‌پردازیم.

انتخاب طبیعی تنها چیزی نیست که برای ارگانیسم‌ها اتفاق می‌افتد، فعالیت‌های آن‌ها نیز نقش دارند و به برخی از گونه‌ها، از جمله انسان‌ها، توانایی فوق‌العاده‌ای برای تکامل می‌دهند.

– کوین لالا

کوین لالا می‌گوید برای توضیح توارث اپی‌ژنتیک لازم است بدانیم دی‌ان‌ای درون هر سلول تنها نیست، بلکه به انواع مولکول‌های شیمیایی متصل است که بر بیان یا عدم بیان ژن‌های مجاور تأثیر می‌گذارد. این‌ها تغییرات اپی‌ژنتیکی هستند؛ یعنی تغییراتی در توالی دی‌ان‌ای ندارند اما با این وجود بر فعالیت ژن تأثیر می‌گذارند. بهترین مثال تغییر اپی‌ژنتیک، متیلاسیون است که افزودن یک گروه شیمیایی متیل به یکی از پایه‌های نوکلئوتیدی دی‌ان‌ای است. متیلاسیون به عنوان مانعی فیزیکی عمل می‌کند و با سرکوب فعالیت یک ژن، مانع از بیان‌شدن آن می‌شود. برعکس، حذف گروه متیل اجازه می‌دهد تا یک ژن بیان شود. هنگامی که یک گروه متیل فعالیت یک ژن تنظیم‌گر (ژنی را که در کنترل بیان یک یا چند ژن دیگر نقش دارد)، مسدود می‌کند، ژن‌های تحت‌کنترل آن را می‌توان با سهولت بیشتری بیان یا سرکوب کرد.

تغییرات اپی‌ژنتیکی تغییرات بیان ژن‌ها هستند که خاموش یا روشن‌شدن ژن‌ها را کنترل می‌کنند. پیوست‌ها و جداسازی‌هایی (مثل گروه متیل) که تغییرات اپی‌ژنتیکی هستند، دی‌ان‌ای را تغییر نمی‌دهند. برخی از پیوست‌ها و جداسازی‌های اپی‌ژنتیک توسط خود توالی دی‌ان‌ای مشخص می‌شوند، برخی دیگر به صورت تصادفی رخ می‌دهند، برخی دیگر در پاسخ به عوامل محیطی، از جمله رژیم غذایی و آلودگی اتفاق می‌افتند. هنگامی که سلول‌ها تقسیم می‌شوند، این پیوست‌ها نیز کپی می‌شوند. این تغییرات به حفظ الگوهای متمایز فعالیت ژن در انواع مختلف سلول‌های موجود در یک ارگانیسم کمک می‌کند، حتی اگر همه‌ی سلول‌ها، دی‌ان‌ای مشابهی داشته باشند.

تا همین اواخر، این ایده که تنوع اپی‌ژنتیکی تابع انتخاب طبیعی است بحث‌برانگیز بود. در سال ۲۰۱۸، انتشار نتایج آزمایشی روی گونه‌ی گیاهی رشادی گوش‌موشی (Arabidopsis thaliana)، آن را تغییر داد. مارک اشمید، مدرس در دانشگاه زوریخ سوئیس، به همراه همکارانش این گیاهان را در محیطی پرورش دادند که شبیه‌ساز زیستگاهی آشفته و با منابع نامتمرکز بود و سپس تنها گیاهانی را انتخاب کردند که با موفقیت در مکان‌ جدید پراکنده شدند و از آن‌ها برای تشکیل نسل بعدی استفاده کردند. تنها در عرض پنج نسل، جمعیت بدون تغییر قابل‌تشخیص در فراوانی آلل، سازگاری‌هایی را در زمان گل‌دهی و تراکم ریشه ایجاد کرد. در عوض، سازگاری‌ها از طریق انتخاب طبیعی بر تنوع اپی‌ژنتیکی رخ داده بودند.

فراوانی آلل (فرکانس ژن) نسبت تعداد یک آلل خاص به کل آلل‌های موجود در یک جایگاه ژنی (لوکوس) در یک جمعیت است. این شاخص که معمولاً به‌صورت درصد بیان می‌شود، نشان‌دهنده‌ی میزان تنوع ژنتیکی در یک فرد، جمعیت یا گونه است و در ژنتیک جمعیت برای مطالعه‌ی تغییرات ژنتیکی به کار می‌رود.

تحقیقات منتشرشده در سال بعد از آزمایش‌های اشمید، این ایده را تایید کرد که اپی‌ژنتیک می‌تواند به تکامل تطبیقی منجر ​​شود. دراگان استاجیک، محقق موسسه‌ی علوم گلبنکیان در اوئیرش پرتغال به همراه همکارانش تطبیق تکاملی مخمر را با یک ماده‌ی شیمیایی سمی بررسی کرد. جمعیت مخمر از نظر ژنتیکی یکسان بود، اما مهندسی شده بود تا سطوح مختلف وراثت اپی‌ژنتیکی داشته باشد. اکثریت مخمرهایی که دارای وراثت اپی‌ژنتیکی کم یا بدون وراثت اپی‌ژنتیکی بودند منقرض شدند، در حالی که سایر جمعیت‌ مخمرها توانستند در نتیجه‌ی تطبیق کوتاه‌مدت از طریق تغییرات اپی‌ژنتیکی زنده بمانند و رشد کنند. تطبیق کوتاه‌مدت یک پایگاه تکاملی فراهم کرد و زمان مناسب را برای سازگاری ژنتیکی کندتر برای طی‌کردن مسیر خود به‌وجود آورد.

تکامل تطبیقی پیامدهایی برای بسیاری از موجودات در معرض تهدید گرمایش جهانی دارد. در مواجهه با تغییرات سریع محیطی، انتخاب قطعی ممکن است تنوع ژنتیکیِ جمعیت را از بین ببرد و نجات تکاملی از طریق ژنتیک را حتی بعید کند. اما سازگاری اپی‌ژنتیکی باعث ایجاد تنوع در ویژگی‌ها می‌شود و این احتمال را افزایش می‌دهد که بخشی از جمعیت به اندازه‌ی کافی برای سازگاری ژنتیکی باقی بمانند. یعنی در صورت تغییر محیط جمعیت یک گونه، اگر جمعیت فقط برای تکامل و تطابق با آن تغییر محیطی تغییر کند، ممکن است تنوع ژنتیکی کم باعث نابودی کل جمعیت شود. اما سازگاری اپی‌ژنتیکی با ایجاد تنوع می‌تواند بخشی از جمعیت را نجات دهد.

همچنین این واقعیت که برخی از تغییرات اپی‌ژنتیکی ناشی از محیط زیست است، یعنی برخلاف جهش ژنتیکی، ممکن است به‌طور ناگهانی و همزمان در افراد متعدد ظاهر شود. این باعث می‌شود که واریانت‌های تطبیقی ​​احتمالی، کمتر در برابر از‌دست‌دادن از طریق فرآیندهای تصادفی آسیب‌پذیر باشند. به‌این‌ترتیب، اپی‌ژنتیک ممکن است جمعیت را در برابر انقراض محافظت کند.

بیایید اکنون به وراثت همزیستی بپردازیم. حیوانات مملو از میکروب‌ها هستند و روابط همزیستی با میکروب‌ها در سرتاسر طبیعت رایج است. یکی از مواردی که وراثت همزیستی را بسیار قدرتمند می‌کند، این است که نیازی به انتقال آن از والدین به فرزندان نیست و انتقال آن می‌تواند در بین افراد غیر‌مرتبط حتی در بین گونه‌ها رخ دهد. به عنوان مثال، گیاهانی که در خاک‌های زمین‌گرمایی رشد می‌کنند، معمولاً با یک کپک مقاوم به گرما به نام «کوروولاریا» همراه هستند. آزمایشات نشان می‌دهد که قرار‌گرفتن در معرض این کپک باعث افزایش بقای گیاهان هنگام مواجهه با تنش گرمایی می‌شود. به طور مشابه، قارچ‌های مقاوم به نمک می‌توانند وارد روابط همزیستی با گیاهان شوند تا کمک کنند در شرایط شوری زنده بمانند.

حشرات مختلفی توانسته‌اند ازطریق همزیستی با یک باکتری تخریب‌کننده‌ی آفت‌کش، ویژگی مقاومت به آفت‌کش‌ها را به دست آوردند. سوسک تربانتین قرمز به‌تازگی با همزیستی با نوعی قارچ، موفق شد به درختان زنده هجوم آورد به آفت تبدیل شود. در نتیجه‌ی این همزیستی میلیون‌ها درخت در چین از بین رفته‌اند.

Alamy

سگ‌ها نیز از وراثت همزیستی بهره‌مند شده‌اند. اجداد وحشی آن‌ها گوشتخوار بودند، اما در طول دوره‌ی اهلی‌کردن، سگ‌ها با رژیم غذایی نشاسته‌دار همراه با کشاورزی سازگار شدند. سگ‌ها امروزه، مانند انسان، دارای نسخه‌های اضافی از دو ژن AMY1 و AMY2 هستند که با تولید آنزیم‌ها در بزاق و پانکراس، به هضم نشاسته کمک می‌کنند. دی‌ان‌ای باستانی استخراج‌شده از فسیل سگ‌های ۳٬۵۰۰ سال پیش و مدفوع آن‌ها نشان می‌دهد که هرچند این حیوانات فاقد سازگاری ژنتیکی برای هضم نشاسته بودند، دارای باکتری‌های همزیست بودند که نشاسته را در بدن تجزیه می‌کردند. ظاهراً سگ‌ها در دو مرحله با رژیم غذایی جدید خود سازگار شدند: ابتدا از طریق همزیستی باکتریایی و تنها بعد از هزاران سال از طریق تغییرات ژنتیکی.

نمونه‌های دیگری از وراثت همزیستی در انسان یافت می‌شود. ژاپنی‌ها، برخلاف غربی‌ها، می‌توانند ماده‌ی ژله‌مانند آگار را هضم کنند، زیرا در روده‌شان نوعی باکتری وجود دارد که حاوی ژن کدکننده‌ی آنزیم آگاراز است. تصور می‌شود که ژاپنی‌ها این باکتری را از طریق خوردن جلبک دریایی به دست آورده‌اند.

برخی از جمعیت‌های انسانی حتی درصورت نداشتن ژن لازم برای جذب لاکتوز، در دوران بزرگسالی می‌توانند محصولات لبنی را هضم کنند. این ژن حدود ۷‌هزار سال پیش در میان دامداران ظاهر شد. در این مورد، فعالیت‌های کشاورزی و دامداری آن‌ها را در معرض باکتری‌هایی قرار داده که در هنگام بلع، هضم لاکتوز را انجام می‌دهند.

سازگاری تکاملی اصلی را فرهنگ انجام داده است. به خوبی ثابت شده است که فرهنگِ بشری می‌تواند سازگاری‌های پیچیده‌ای ایجاد کند که تحت تأثیر انتخاب‌ طبیعی قرار دارند؛ اما وقتی متوجه می‌شویم که بسیاری از حیوانات هم فرهنگ دارند، موضوع جذاب‌تر می‌شود. در واقع، در نیم‌قرن گذشته، تحقیقات علمی نشان داده‌اند که فرهنگ در میان حیوانات نیز به‌طرز شگفت‌آوری رایج است. گونه‌های بی‌شماری از طریق تقلید و دیگر روش‌های یادگیری اجتماعی، دانش‌آموخته‌شده را از یک عضو گروه به عضو دیگر و از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌کنند. این میراث فرهنگی شامل اطلاعات مربوط به رژیم غذایی، تکنیک‌های تغذیه، آوازها و صداها، روش‌های شناخت و مسیرهای مهاجرت آموخته‌شده و اجتناب از شکارچیان است.

اثر فرهنگ بر تکامل به‌خوبی در نهنگ‌های قاتل (اورکاها) مشاهده می‌شود. برای مثال، برخی از جمعیت‌های اورکا یاد گرفته‌اند با ایجاد موج، فُک‌ها را از روی یخ به پایین بیندازند، در‌حالی‌که گروه‌های دیگر مستقیماً به ساحل می‌روند تا شکار کنند. این تفاوت‌های سازگارانه در رژیم غذایی و تکنیک‌های شکار ناشی از تفاوت‌های ژنتیکی نیست؛ بلکه نتیجه‌ی نوآوری‌های رفتاری و یادگیری اجتماعی است.

Alamy

با‌این‌حال، تفاوت‌های فرهنگی در روش شکار اورکاها تأثیرات زیستی نیز دارند. با وجود آنکه این گروه‌ها اغلب در کنار یکدیگر زندگی می‌کنند، به دلیل تفاوت در عادات تغذیه‌ای‌شان، از نظر تولیدمثل جدا از یکدیگر هستند. در نتیجه، از لحاظ ژنتیکی از هم متمایز شده و تغییرات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی دارند؛ مانند آنزیم‌های گوارشی خاص هر جمعیت و شکل صورت متفاوت. فرهنگ نه‌تنها رفتار این نهنگ‌ها را تغییر داده، بلکه بر تکامل جسمانی آن‌ها نیز اثر گذاشته است.

سازگاری فرهنگی، مانند سازگاری اپی‌ژنتیکی، تأثیر مهمی بر جلوگیری از انقراض دارد؛ زیرا فرهنگ سریع‌تر از ژن‌ها تغییر می‌کند. این موضوع در برنامه‌های حفاظت از گونه‌های در خطر انقراض اهمیت دارد، چرا که نشان می‌دهد واکنش اولیه‌ی بسیاری از این حیوانات احتمالاً فرهنگی است، نه ژنتیکی. همچنین این نکته را مطرح می‌کند که حیواناتی که فرهنگ دارند، ممکن است توانایی بیشتری برای سازگاری با تغییرات اقلیمی داشته باشند.

نکته‌ی اصلی این است که انتخاب طبیعی چیزی نیست که فقط برای موجودات اتفاق بیفتد؛ بلکه فعالیت‌ها و رفتارهای آن‌ها در تعیین وقوع و نحوه‌ی وقوع این انتخاب نقش دارد. فرهنگ، همزیستی و اپی‌ژنتیک، همگی ظرفیت تکاملی موجودات را افزایش می‌دهند؛ بدین معنی که برای درک تکامل، باید رفتارها و کارهایی که موجودات انجام می‌دهند، بخشی از تصویر کلی باشند.

دیدگاه فراتر از انتخاب طبیعی، بعد جدیدی به فرآیند تکامل اضافه می‌کند؛ زیرا رفتارها و فعالیت‌هایی که بر تکامل تأثیر می‌گذارند، خودشان از طریق انتخاب طبیعی شکل گرفته‌اند. به این ترتیب، فرآیند داروینی یک چرخه می‌شود: از آغاز حیات تا امروز، موجودات با تأثیرگذاری بر تکامل خود، مسیر آن را هدایت کرده‌اند و در‌عین‌حال، تکامل نیز آن‌ها را شکل داده است.

دیدگاه جدید درباره‌ی فرگشت‌پذیری، پیامدهای بزرگی برای درک ما از تکامل خودمان دارد. در گذشته، زیست‌شناسان تکاملی، شاید برای فاصله‌گرفتن از دیدگاه‌های خلقت‌گرایان و عرفان‌گرایان، بر این باور بودند که انسان‌ها درست مثل مگس میوه یا مخمر تکامل پیدا می‌کنند؛ یعنی همه‌چیز به انتخاب طبیعی جهش‌های تصادفی برمی‌گردد. اما این داستان ساده و گاهی تاریک برای برخی قانع‌کننده نیست و شاید همین، دلیل مقاومت‌هایی باشد که در برابر نظریه‌ی تکامل وجود دارد. در مقابل، با توجه به یافته‌های جدید، باید تأکید کنیم که تکامل انسان در واقع بسیار متفاوت است؛ زیرا توانایی تکامل به آنچه موجودات انجام می‌دهند، بستگی دارد و فعالیت‌های ما به‌کلی با دیگر گونه‌ها متفاوت است.

تکامل‌پذیری یا توانایی یک موجود زنده برای تکامل، می‌تواند تحت تأثیر عوامل غیر‌ژنتیکی مانند فرهنگ، همزیستی و شکل‌پذیری رشدی قرار گیرد. شکل‌پذیری رشد زمانی اتفاق می‌افتد که عوامل محیطی بر رشد یک موجود زنده تأثیر می‌گذارد و به صفات سازگار، بدون تغییر ژنتیکی اجازه‌ی ظهور می‌دهد. برای مثال، ماهی تترای مکزیکی وقتی در تاریکی بزرگ می‌شود، ویژگی‌هایی مانند بی‌چشم‌بودن را ایجاد می‌کند که نشان می‌دهد چگونه انعطاف‌پذیری به سازگاری کمک می‌کند.

یکی‌دیگر از راه‌هایی که ارگانیسم‌ها تکامل‌پذیری را افزایش می‌دهند، از طریق ساخت کنام است، جایی که آن‌ها محیط خود را (مانند ساختن لانه) تغییر می‌دهند تا بر رشد صفت در فرزندان خود تأثیر بگذارند و تکامل را در جهت خاصی هدایت کنند. در‌نتیجه، تغییر در درک تکامل نشان می‌دهد که گونه‌ها، به‌ویژه انسان‌ها، می‌توانند فعالانه بر مسیر تکاملی خود تأثیر بگذارند و نقش سازگاری‌های غیرژنتیکی را در بقا و تغییر برجسته کنند.