فرایندهای فرگشت

برای درک حیات در کرهٔ زمین، باید بدانیم جانوران (از جمله انسان)، گیاهان و ریزموجودات (میکروب‌ها)، چگونه فعالیت می‌کنند، و در نهایت آن‌ها را بر حسب فرایندهایی مولکولی بشناسیم که موجب بروز کارکردهای آنها می‌شود. این امر همان پرسش «چگونگی» در علم زیست‌شناسی است؛ پرسشی که پژوهش‌های فراوان طی سدهٔ گذشته موجب پیشرفت‌های بسیاری در رسیدن به پاسخ آن شده است. این تلاش‌ها نشان داده‌اند که حتی یک یاختهٔ (سلول) باکتریایی، ساده‌ترین موجودی که قادر به حیات مستقل است، نیز ماشینی بسیار پیچیده است با هزاران مولکول پروتئینی گوناگون که به شکلی هماهنگ در راستای بروز کارکردهای مورد نیاز برای بقای این یاخته و تقسیم آن به دو یاخته دختری فعالیت می‌کنند. این پیچیدگی در موجودات عالی، مانند مگس یا انسان، بیشتر است.

حیات موجودات زنده با یاخته که حاصل آمیزش یک تخمک و یک اسپرم است، آغاز می‌شود. سپس مجموعه‌ای از تقسیمات یاخته‌ای که به دقت کنترل می‌شوند رخ می‌دهد و این یاخته‌ها طی فرایند تمایز به بافت‌های گوناگون تبدیل می‌شوند. سرانجام، فرایند نمو به شکل‌گیری موجود بالغ می‌انجامد که ساختار بسیار منظم آن از بافت‌ها و اندام‌های گوناگونی ساخته شده و قادر به انجام رفتارهای پیچیده است.

شناخت ما از سازوکارهای مولکولی که زمینه‌ساز این پیچیدگی ساختاری و کارکردی‌اند، به سرعت در حال افزایش و گسترش است. با وجودی که هنوز مسائل حل نشدهٔ بسیاری وجود دارد، زیست‌شناسان بر این باورند که حتی پیچیده‌ترین ویژگی‌های موجودات زنده، مانند هشیاری آدمی، بازتاب مجموعه ای از فرایندهای شیمیایی و فیزیکی‌اند که می‌توان آن‌ها را تجزیه و تحلیل علمی کرد.

در تمام سطوح حیات، از ساختار و کارکرد یک تک مولکول پروتئین تا سازمان مغز آدمی، می‌توان موارد بسیاری از سازگاری را مشاهده کرد: تناسب ساختار با کارکرد که در ماشین‌های ساخت بشر نیز مشاهده می‌شود.

نیز می‌بینیم گونه‌های زندهٔ گوناگون دارای ویژگی‌های متمایزی‌اند که اغلب آشکارا حاکی از سازگاری آن‌ها با محیط زندگیشان است. این مشاهدات است که پرسشی مربوط به «چرایی» را در زیست‌شناسی مطرح می‌کند؛ پرسشی مربوط به فرایندهایی که موجودات زنده را به شکلی در آورده‌اند که امروز هستند.

از ظهور ایدهٔ تکامل(فرگشت)، بیشتر زیست‌شناسان با تمسک به یک آفریدگار به این پرسش پاسخ گفته‌اند. اصطلاح «سازگاری» نخستین بار توسط عالمان الهیات انگلیسی در سدهٔ هجدهم به کار رفت و بر اساس آن، نظم آشکار در سیمای موجودات زنده، اثباتی بر وجود یک طراح فرا طبیعی است. با وجودی که دیوید هیوم در میانهٔ سدهٔ هجدهم نشان داد که این برهان دارای ایراد منطقی است، اما تا زمانی که گزینهٔ دیگری به جای آن پیشنهاد نشده بود، جایگاه خود را در ذهن انسان‌ها حفظ کرد.

ایده‌های تکاملی به بیان مجموعه‌ای از فرایندهای طبیعی می‌پردازند که می‌توانند تنوع گستردهٔ گونه‌های زنده و ویژگی‌هایی که آنها را قادر به سازگاری با محیط خود کرده است، بدون توسل به دخالت عوامل فرا طبیعی، توضیح دهند. البته، این توضیحات شامل بررسی خاستگاه خود گونهٔ انسان نیز می‌شود و همین امر، تکامل زیستی را به بحت برانگیزترین مبحات علمی بدل کرده است. اما، اگر به این مباحت بدون پیش داوری پرداخته شود، خواهیم دید شواهد مربوط به تکامل به عنوان فرایندی تاریخی به قوت دیگر نظریه‌های دیرپای علمی، مانند ماهیت اتمی ماده است. همچنین، به مجموعه ایده‌های اثبات شده‌ای در خصوص علل تکامل مجهزیم، هر چند در تکامل نیز مانند هر علم دیگری، مسائل حل نشده‌ای وجود دارد و نیز با کشف ناشناخته‌های جدید، پرسش‌های تازه‌‌ای مطرح می‌شود.

تکامل زیستی مستلزم تغییراتی در مشخصه‌های جمعیت‌های موجودات زنده در طول زمان است. مقیاس زمانی و بزرگی این تغییرات، بسیار متنوع است. تکامل را می‌توان در بازهٔ زمانی عمر یک انسان مطالعه کرد، دوره‌ای زمانی که تغییراتی در یک سرشت منحصربفرد رخ می‌دهد، مانند افزایش فراوانی سویه‌های باکتریایی مقاوم به پنی‌سیلین در طی چند سال مصرف گستردهٔ پنی‌سیلین در پزشکی برای کنترل عفونت‌های باکتریایی.

از سوی دیگر، تکامل متضمن رخدادهایی مانند ظهور گروهی از جانداران با طرحی کاملا جدید است مانند گذار از خزندگان به پستان‌داران که شاید میلیون‌ها سال طول بکشد و نیازمند تغییرات در بسیاری مشخصه‌های گوناگون باشد. یکی از دریافت‌های کلیدی چارلز داروین و آلفرد راسل‌والاس، بنیان‌گذاران نظریهٔ تکاملی، از این قرار بود که تغییرات در تمام سطوح، احتمالا در بردارندهٔ فرایندهای مشابهی است.

تکاملی عمده تا حد زیادی بازتاب همان تغییرات در رخدادهای تکاملی جزئی هستند که طی دوره‌های زمانی طولانی انباشته شده‌اند. تغییر تکاملی در نهایت متکی به ظهور اشکال جدیدی از موجودات زنده است: جهش‌ها. جهش‌ها ناشی از مادهٔ ژنتیکی‌اند که از والد به فرزند (زاده) منتقل می‌شوند.

متخصصان ژنتیک در آزمایشگاه جهش‌هایی را که تقریبا بر تمامی ویژگی‌های موجودات زندهٔ گوناگون تأثیر می‌گذارند، مطالعه نموده و متخصصان ژنتیکی پزشکی نیز هزاران جهش را در جمعیت‌های انسانی شناسایی کرده‌اند. دامنه و بزرگی اثر جهش‌ها بر ویژگی‌های مشهود یک موجود زنده، تنوع گسترده‌ای دارد. بعضی جهش‌ها فاقد آثار قابل شناسایی‌اند و وجود آنها فقط با کمک روش‌های نوین مطالعهٔ ساختار مادهٔ ژنتیکی، که در مطالب بعدی در مورد آن بحث خواهد شد، شناسایی شده است.

برخی دیگر از جهش‌ها دارای آثار نسبتا اندکی بر یک صفت ساده، مانند تغییر رنگ چشم از قهوه‌ای به آبی، مقاوم شدن یک باکتری به یک آنتی‌بیوتیک یا تغییر تعداد پرزهای شکمی مگس سرکه، هستند. برخی جهش‌ها آثاری جدی بر نمو می‌گذارند، مانند جهش مگس سرکه که به رشد یک پا در سر مگس و در محلی شاخک‌های آن می‌انجامد. وقوع هر نوع جهش جدید یک پدیدهٔ بسیار نادر با فراوانی حدود یک در هر صد هزار فرد در هر نسلی، یا حتی کمتر، است.

تغییر وضعیت یک صفت یا ویژگی بر اثر جهش، مانند مقاومت به آنتی‌بیوتیک، ابتدا در یک فرد رخ می‌دهد و معمولا تا چند نسل، محدود به بخش کوچکی از یک جمعیت باقی می‌ماند. برای شکل گیری یک تغییر تکاملی، فرایندهای دیگری باید به افزایش فراوانی این جهش در جمعبت مدد رسانند.

آلفرد راس والاس

آلفرد راس والاس

انتخاب یا گزینش طبیعی، مهم‌ترین فرایند برای شکل‌گیری تغییر فرگشتی یا تکاملی به شمار می‌آید، که بر ساختار، کارکرد و رفتار موجودات زنده تاثیر می‌گذارد. چارلز داروین و والاس، در مقاله‌های خود که در سال ۱۸۵۸ در مجلهٔ گزارش‌های انجمن لبینه منتشر شد، نظریهٔ تکاملی از طریق انتخاب طبیعی را با استدلال‌های زیر مطرح کردند:

۱. تعداد افرادی که در یک گونه به دنیا می‌آیند، بسیار بیشتر از تعداد افرادی است که به طور طبیعی می‌توانند به بلوغ برسند و با موفقیت تولیدمثل نمایند، بنابراینَ تنارع بقا رخ می‌دهد.

۲. تغییرات فردی در بسیاری از ویژگی‌های جمعیت وجود دارد که ممکن است بعضی از آن‌ها بر توانایی بقا و تولید مثل فرد اثر بگذارند. بنابراین، ممکن است والدهای موفق یک نسل از بقیهٔ جمعیت، متفاوت باشند.

۳. احتمالا در بسیاری از این موارد تنوع مولفهٔ وراثتی وجود دارد؛ بنابراین ویژگی‌های فرزندانِ (زاده‌ها) والدهای موفق، متفاوت از ویژگی‌های نسل پیشین است، به همان ترتیبی که برای والدهای آنان پیش آمده بود.

اگر این فرایند از یک نسل تا نسل دیگر ادامه یابد، شاهد تغییر شکل تدریجی جمعیت خواهیم بود، چنان که با گذشت زمان، فراوانی ویژگی‌های مرتبط با توانایی بقای بالاتر یا تولیدمثل موفق‌تر افزایش خواهد یافت.

این ویژگی‌های تغییر یافته ناشی از جهش‌اند، اما باید در نظر داشت که جهش‌هایی که بر بک صفت ویژه تاثیر می‌گذارند، همیشه و بدون توجه به مطلوبیت با نامطلوب بودن آنها در انتخاب طبیعی، رخ می‌دهند. در حقیقت، بیشتر جهش‌ها یا تاثیری بر موجود زنده ندارند و یا توانایی بقا و تولیدمثل آن را کاهش می‌دهند.

این فرایند افزایش در فراوانی نمونه‌های تغییریافته، یعنی نمونه هایی که بقای بستر و تولیدمثل موفق‌تر دارند. تبیین‌گر تکامل ویژگی‌های سازگارانه است، زیرا معمولا کارکرد بهتر پیکر یا رفتار فرد است که موفقیت بقا با تولیدمثل وی را افزایش خواهد داد. احتمال وقوع چنین فرایند تغییری با قرار گرفتن جمعیت در یک محیط تغییر یافته، افزایش می‌یابد، جایی که جمعیتی که طریق پیشتر از طریق انتخاب طبیعی تثبیت شده است مجموعه ویژگی‌های نسبتا متفاوتی را می‌طلبد. بنا بر نوشته های داروین در سال ۱۸۵۸:

تصور کنید شرایط خارجی یک سرزمین تغییر می کند… اکنون، با توجه به تلاش (تنازع) هر فرد برای بقا، آیا نمی‌توان با قطعیت اظهار کرد که هر تغییر کوچک و کم دامنه در ساختار، عادات و غرایز فرد که به سازگاری بهتر او با شرایط جدید انجامد، قدرت و سلامت او را افزایش می‌دهد؟ در این تنازع این فرد بخت بهتری برای بقاء خواهد داشت؛ و آن دسته از زاده‌های او هم که بتوانند این تغییرات، حتی اندکی از آن را به ارث برند، بخت و مجال بهتر و بیشتری خواهند داشت. سالانه بیش از از آن مقداری که می‌توانند بقا یابند به دنیا می‌آیند، کوچکترین تغییر در این توازن، در درازمدت تعیین می‌کند که کدام مرگ کاهش یابد و کدام تداوم داشته باشد. با وجود این انتخاب [طبیعی] از یک سو، و مرگ از سوی دیگر، و پس از هزار نسل، آیا می توان ادعا کرد که این رویدادها هیچ تأثیری ندارند…

اما، یک سازوکار مهم دیگر برای تغییرات تکاملی وجود دارد، که توضیح می‌دهد چگونه گونه‌ها می‌توانند با توجه به خصلت‌هایی تغییر کنند که بر بقا یا موفقیت تولیدمثل دارندگان این خصلت‌ها تأثیری ندارند یا تأثیرشان اندک است و بنابراین، در معرض انتخاب طبیعی قرار نمی‌گیرند. احتمالا چنین امری به خصوص در مورد ردهٔ عمده‌ای از تغییرات مادهٔ ژنتیکی صادق است که فاقد تاثیر با دارای تأثیری اندک بر ساختار و کارکرد موجود زنده‌اند.

اگر تغییرات به لحاظ گزینش خنثایی وجود داشته باشد، چنانکه به طور میانگین میان افراد مختلف تفاوتی در بقا یا باروری وجود نداشته باشد باز هم این امکان هست که نسل زادگان با نسل والد اندکی متفاوت باشد. این امر در غیاب انتخاب، به این علت است که ژن‌های جمعیت زاده‌ها، نمونه‌ای تصادفی (کاتورهای) از ژن‌های جمعیت والد هستند. جمعیت‌های واقعی اندازهٔ محدودی دارند؛ و از این رو ترکیب جمعیت زاده‌ها در نتیجهٔ تصادف تا حدودی متفاوت از ترکیب جمعیت والد خواهد شد. درست به همان شکل که اگر سکه ای را ۱۰ بار پرتاب کنیم، انتظار نداریم که دقیقاً ۵ بار شیر و ۵ بار خط بیاید. این فرایند تغییرات تصادفی، رانش ژنی خوانده می‌شود.

آثار ترکیبی جهش، انتخاب طبیعی و فرآیند تصادفی رانش ژنی به تغییراتی در ترکیب یک جمعیت می‌انجامد. طی یک دورهٔ زمانی طولانی، این آثار تجمعی موجب تغییر ساختار ژنتیکی جمعیت می‌شود و بنابراین می‌تواند ویژگی‌های گونه را در مقایسه با خصیصه‌های نیاکان آن به شکل جدی تغببر دهد.

پیش‌تر از تنوع حیات، که در تعداد زیاد گونه‌های مختلف زیستی فعلی منعکس شده است، یاد کردیم (در طول تاریخ گذشتهٔ حیات تعداد گونه‌های زنده بسیار بیشتر بوده است، که ناشی از این حقیقت است که سرنوشت نهایی تقریباً تمام گونه‌ها، انقراض است).

یکی از مسائل مهم، چگونگی تکامل یک گونهٔ جدید است(گونه‌زایی) که در مطالب بعدی به آن پرداخته خواهد شد. تعریف اصطلاح «گونه» دشوار است و گاه مرزبندی دقیق بین جمعیت‌های متعلق به یک گونه، و جمعیت‌های متعلق به گونه های جداگانه، سخت است.

در بحث پیرامون تکامل، هنگامی می‌توان دو جمعیت از موجودات دارای توانایی تولید مثل جنسی را از دو گونهٔ متفاوت در نظر گرفت که این دو جمعیت نتوانند با همدیگر تلاقی (درون زادآوری) کنند، به طوری که سرنوشت تکاملی این دو گونه کاملا مستقل از هم خواهد بود. پس، جمعیت‌های انسانی که در نقاط مختلف جهان زندگی می‌کنند، به صراحت و بدون هیچ ابهامی اعضای یک گونه هستند، زیرا مانعی برای آمیزش فرد مهاجری از یک جمعیت با فردی از جمعبت دیگر وجود ندارد.

چنین مهاجرت‌هایی عموما مانع از واگرایی شدید ساختار ژنتیکی جمعیت‌های یک گونه می‌شود. برعکس، شامپانزه و انسان دو گونهٔ کاملا متفاوت‌اند، زیرا شامپانزه‌ها و انسان‌هایی که در یک منطقه نیستند، قادر به آمیزش و زادآوری نیستند. همان‌طور که خواهیم گفت، تفاوت ساختار مادهٔ ژنتیکی انسان با شامپانزه بسیار بیشتر از تفاوت ساختار ژنتیکی جمعیت‌های مختلف انسانی با همدیگر است.

شکل‌گیری یک گونهٔ جدید باید مستلزم ایجاد موانعی برای آمیزش بین جمعیت‌های یک گونه باشد. هنگامی که چنین موانعی ایجاد شود، جمعیت‌ها بر اثر جهش، انتخاب و رانش ژنی و واگرایی در نهایت موجب تنوع حیات می‌شود. اگر چگونگی شکل‌گیری این موانع آمیزش و به دنبال آن، چگونگی واگرایی جمعیت‌ها درک و شناخته شود، می‌توان خاستگاه گونه‌ها را نیز درک کرد.

این ایده‌ها، داده‌های زیستی بسیار زیادی را در مورد فرگشت، با کمک نظریه‌های ریاضیاتی که جزییات دقیقی دارند و قادر به شبیه‌سازی‌اند، فراهم آورده است؛ به همان صورتی که ستاره‌شناسان و فیزیکدانان به شبیه‌سازی رفتار ستارگان و سیارات و.. می‌پردازند تا آنها را به شکل کامل‌تری بشناسند و نظریه‌های خود را به صورت دقیق‌تر بیازمایند. پیش از تشریح مفصل‌تر سازوکارهای تکامل (بدون پرداختن به جزئیات ریاضیاتی آنها)، در مطالب بعدی نشان خواهیم داد که چگونه تعداد زیاد انواع مشاهدات زیستی برحسب تکامل معنی پیدا می‌کنند.

لطفا در نظر سنجی وبسایت شرکت کنید و در صورت امکان اندیشه خود را در ارتباط با این مطلب در قسمت نظرات بنویسید.