دانشمندان فکر می‌کردند نظریه تکامل را درک کرده‌اند؛ اما آنها اشتباه می‌کردند

در دهه ۱۹۶۰، نظریه تکامل خنثی توسط موتومو کیمورا انقلابی در زیست‌شناسی مولکولی ایجاد کرد و استدلال نمود که بیشتر تغییرات دی‌ان‌ای تصادفی هستند نه تطابقی.

اینتین – اما اکنون یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که جهش‌های مفید بسیار بیشتر از چیزی هستند که نظریه کیمورا پیش‌بینی می‌کرد. با این حال، تغییرات محیطی ممکن است پیش از آنکه این مزیت‌ها در یک جمعیت گسترش یابند، آنها را از بین ببرد.

در ۲۴ نوامبر ۱۸۵۹، چارلز داروین، کتاب خاستگاه گونه‌ها را منتشر کرد و در آن تکامل و انتخاب طبیعی را به عنوان موتورهای طبیعی پشت تنوع گسترده حیات روی زمین معرفی نمود. هرچند نظریه تکامل در گذر زمان تاب آورده، اما با بهبود ابزارهای ما برای کاوش در طبیعت، اصلاحات و تغییراتی در طول مسیر به آن افزوده شده است. با این حال شاید هیچ بازبینی به اندازه این ایده که در سطح مولکولی، بیشتر تغییرات تکاملی ناشی از رانش تصادفی است نه انتخاب طبیعی، این حوزه را تکان نداده.

این بازبینی در اواخر دهه ۱۹۶۰ وقتی ارائه شد که موتومو کیمورا، زیست‌شناس ژاپنی، نظریه تکامل خنثی مولکولی را مطرح کرد. در حالی که نظریه‌های داروین فرآیندهای ایجادکننده ویژگی‌های فیزیکی (فنوتیپ‌ها) را توصیف می‌کنند، نظریه کیمورا به قلمرو دی‌ان‌ای و پروتئین‌ها یا ژنوتیپ‌ها می‌پردازد. هر دو نظریه در کنار هم تنوع حیات روی زمین را توضیح می‌دهند، اما فرضیه کیمورا بسیار بیشتر بر درون‌مایه مولکولی حیات تمرکز دارد. به طور خلاصه، کیمورا چیزی انقلابی پیشنهاد کرد: اینکه بیشتر تغییرات دی‌ان‌ای به هیچ وجه توسط بقای اصلح هدایت نمی‌شوند، بلکه صرفاً بر اساس شانس رخ می‌دهند. این مفهومی است که به طور بنیادی نحوه تفکر زیست‌شناسان درباره آنچه واقعاً در زیر سطح تکامل اتفاق می‌افتد را دگرگون کرد.

اکنون تیمی از دانشمندان دانشگاه میشیگان مطالعه جدیدی را در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر کرده‌اند که نگاهی انتقادی به یکی از فرضیات کلیدی نظریه تکامل خنثی کیمورا دارد، مبنی بر اینکه جهش‌های مفید نسبتاً نادر هستند. نظریه تکامل خنثی اغلب تنها انقلاب مفهومی واقعی در زیست‌شناسی تکاملی از دهه ۱۹۴۰ به شمار می‌رود؛ چارچوبی که بیش از ۵۰ سال توسط داده‌های ژنومی به قدری خوب پشتیبانی شد که به فرض پیش‌فرض برای نحوه تکامل دی‌ان‌ای تبدیل گردید. اما تحقیق جدید نشان می‌دهد که یکی از مفروضات بنیادین زیربنای دهه‌ها زیست‌شناسی مولکولی تکاملی نیاز به بازنویسی جدی دارد. کیمورا اشتباه نکرده، اما داستان واقعی بسیار پویاتر و غافلگیرکننده‌تر از چیزی است که حتی او تصور می‌کرد.

نویسندگان این مطالعه با تجزیه و تحلیل ۸۰۰ نسل در بیش از ۱۳۰۰۰ جمعیت از موجودات تک سلولی مدل، از جمله مخمر و E. coli، تعیین کردند که جهش‌های مفید بیشتر از آنچه کیمورا باور داشت رخ می‌دهند، اما محیط در حال تغییر اغلب مانع از گسترش این جهش‌ها به کل جمعیت می‌شود. جیان‌ژی ژانگ، زیست‌شناس تکاملی دانشگاه میشیگان و نویسنده ارشد مطالعه، گفت:

ما می‌گوییم که نتیجه نهایی خنثی بوده، اما فرآیند خنثی نبوده است. مدل ما نشان می‌دهد که جمعیت‌های طبیعی واقعاً با محیط خود تطابق ندارند، زیرا محیط‌ها خیلی سریع تغییر می‌کنند و جمعیت‌ها همیشه در تعقیب محیط هستند.

همانطور که جهش‌ها به طور تصادفی به وجود می‌آیند، برخی از آنها به ویژه جهش‌های بی‌فایده توسط انتخاب طبیعی حذف می‌شوند، در حالی که تعداد اندکی از جهش‌های مفید در فرآیندی به نام تثبیت در کل جمعیت پخش می‌شوند. در حالی که نظریه خنثی تکامل مولکولی ادعا می‌کند جهش‌های مفید نادر هستند، مطالعه جدید از تکنیک‌های اسکن جهشی در مجموعه داده‌های مختلف استفاده کرد و مشخص نمود که یک درصد از جهش‌های تغییردهنده اسید آمینه مفید بودند. این یک درصد ممکن است عدد کوچکی به نظر برسد، اما از آنجا که جهش‌های مفید بسیار بیشتر از جهش‌های خنثی شانس گسترش دارند، تقریباً هر تغییر اسید آمینه‌ای که در یک گونه دائمی می‌شود باید توسط انتخاب طبیعی هدایت شده باشد. این دقیقاً خلاف آن چیزی است که نظریه کیمورا ادعا می‌کند.

در حالی که چارچوب کیمورا دانشمندان را به سمت نادیده گرفتن جهش‌های مفید به عنوان نویز پس‌زمینه تکاملی سوق داده بود، یافته‌های جدید نشان می‌دهد که آنها یک ضربان قدرتمند و ثابت هستند و چیز دیگری باید آنها را سرکوب کند. جهش‌های ژنی باید سریع‌تر و مکررتر از آنچه دانشمندان در طبیعت مشاهده می‌کنند رخ دهند. پس چرا بیشتر این جهش‌ها تثبیت نمی‌شوند؟ این ناهماهنگی از کجا ناشی می‌شود؟

برای پاسخ به این پرسش‌ها، تیم تحقیقاتی نظریه جدیدی را توسعه داد: آنچه امروز مفید است شاید فردا مفید نباشد، زیرا محیط اطراف در حال تغییر است. برای آزمایش ایده خود، تیم ۱۳۲۰ جمعیت مخمر را طی ۸۰۰ نسل در ۱۰۰ محیط کشت مختلف تکامل داد. محیط‌ها به طور تصادفی در ده مجموعه ده تایی گروه‌بندی شدند. برای هر مجموعه، برخی جمعیت‌ها در یک محیط ثابت برای کل آزمایش تکامل یافتند، در حالی که برخی دیگر از میان هر ده محیط چرخش کردند و هر ۸۰ نسل به محیط جدیدی سوئیچ می‌کردند. محققان دریافتند که جهش‌های مفید در جمعیت‌های مواجه با شرایط متغیر بسیار کمتر به تثبیت رسیدند، که نشان می‌دهد تغییر محیطی عملاً مزیت یک جهش را پیش از آنکه بتواند در یک جمعیت گسترش یابد، از بین می‌برد. داده‌ها الگوی قابل توجهی را نشان داد: از میان جهش‌هایی که حداقل در یک محیط مفید بودند، تقریباً ۷۰ درصد در حداقل یک محیط دیگر به طور فعال مضر بودند – یک شمشیر دو لبه ژنتیکی که محققان آن را پلیوتروپی آنتاگونیستی می‌نامند. ژانگ گفت:

فکر می‌کنم این پیامدهای گسترده‌ای دارد. به عنوان مثال، انسان‌ها. محیط ما بسیار تغییر کرده است، و ممکن است ژن‌های ما برای محیط امروزی بهترین نباشند، زیرا ما محیط‌های متفاوت دیگری را پشت سر گذاشته‌ایم. برخی جهش‌ها ممکن است در محیط‌های قدیمی ما مفید بوده باشند، اما با شرایط امروزی همخوانی ندارند.

البته، آزمایش این ایده بر روی موجودات پیچیده‌تر، چه انسان‌ها یا حتی فقط موجودات چندسلولی، چالش متفاوتی است. از این گذشته، یک نسل از سلول‌های مخمر تنها سه ساعت طول می‌کشد، در حالی که انسان‌ها معمولاً تمایل دارند کمی بیشتر زندگی کنند. تیم تحقیقاتی اشاره می‌کند که اسکن‌های جهشی بیشتری باید انجام شود تا ببینیم آیا این قانون در مورد گیاهان و جانوران نیز صدق می‌کند یا خیر، اما شواهد نشان می‌دهد که حیوانات هرگز کاملاً با محیط خود تطابق ندارند. به عنوان مثال، یافته این تیم با ایده دیرینه‌ای در ژنتیک انسانی همخوانی دارد: فرضیه ژن صرفه‌جو، که پیشنهاد می‌کند آلل‌هایی که به اجداد ما در زنده ماندن در قحطی کمک کردند، ممکن است اکنون ما را در دوره غذای فراوان مستعد دیابت کنند.

ژانگ در پایان گفت:

احتمالاً هرگز هیچ جمعیتی را نخواهیم دید که کاملاً با محیط خود تطابق داشته باشد، زیرا تطابق کامل زمان بیشتری می‌برد تقریباً بیشتر از آن که هیچ محیط طبیعی بتواند ثابت بماند.

منبع: دیجینوی