بخش زیادی از كتاب زیستشناسی دورهی پیشدانشگاهی به تكامل و موضوعهای مرتبط با آن اختصاص دارد كه بازتابی از توجه و اهتمام نظامهای آموزشی دنیا به این موضوع است. چرا آموزش تكامل تا این اندازه مهم است؟ بسیاری از پرسشهای زیستشناسی را میتوان بدون اشاره به تكامل پاسخ داد. پرندگان چگونه پرواز میكنند؟ برخی از گیاهان چگونه شرایط سخت بیابان را تحمل میكنند؟ چرا فرزندان به والدین خود شباهت دارند؟ هر كدام از این پرسشها، پاسخهای روشنی دارند: با بهرهگیری از ویژگیهای آیرودینامیك ، اندوختن آب و به كارگیری بهینهی آن یا ساز وكارهای وراثت.
دانشآموزان همیشه چنین پرسشهایی دارند. اما پاسخ دادن به این گونه پرسشها، اغلب پرسشهای ژرفتری را درپی دارد كه گاهی دانشآموزان آنها را مطرح میكنند، مثل: جانداران چگونه آن طور شدهاند كه هستند؟ پرواز چه مزیتی برای پرندگان دارد؟ گیاهان دارویی چگونه از بقیه گیاهان متمایز شدهاند؟ یك جاندار چگونه توانمندیهای ژنتیكی ویژهی خود را به دست آورده است ؟ پاسخ دادن به چنین پرسشهایی به قرینههای تاریخی و درك تغییرهایی نیاز دارد كه طی زمان رخ داده اند.
كسانی كه با نگاه دقیقتری در طبیعت كاوش میكنند، پیوسته این پرسشها را مطرح میسازند. وقتی به تاریخ زیستشناسی مینگریم، پی میبریم كه دو دسته از مشاهدهها برای زیستشناسان شگفتانگیز و گیجكننده بودهاند؛ در درجه اول، گوناگونی كه در زندگی مشاهده میشود: چرا این همه جانوران و گیاهان گوناگون وجود دارد ؟ چه فرایندی این گوناگونی شگفتآور زندگی را پدید آورده است؟ در درجه دوم، پرسشی كه آن روی سكه گوناگونی زندگی را در نظر دارد: شباهتهای میان جانداران (چه در سطح كالبدشناختی و چه در سطح مولكولی و تنكارشناختی) را چگونه می توان توضیح داد؟
از دیدگاه علمی ، فقط یك پاسخ قانعكننده برای این گونه پرسشها وجود دارد: گونههای گوناگون جانداران به این خاطر از بسیاری جهتهای ساختاری و عملكردی به هم شبیه هستند كه خویشاوند یكدیگرند. مفهوم تكامل زیستی، هر دو پرسش اساسی فوق را به شایستگی پاسخ میدهد. از همین روست كه دوبزهانسكی( Theodosius Dobzhansky ) ، زیست شناس اوكراینی، میگوید: » در زیست شناسی هیچ چیزی معنا پیدا نمیكند، مگر در پرتو تكامل».
با وجودی كه تعبیر » دانستن برای دانستن » را میتوان به عنوان هدف مناسبی برای آموزش تكامل به كار برد، اما وقتی دیدگاه سودمندنگر را در نظر میگیریم، این تعبیر تنها بخش كوچكی از یك كوه یخی را به خود اختصاص میدهد كه حجم زیادی از تودهی آن زیر آب پنهان است. پیشرفتهای قرن بیستم در زمینهی بهداشت و پزشكی، كشاورزی و حتی صنعت تا حدود زیادی مدیون درك بیشتر ما از تكامل زیستی است. در این مقاله، گوشههایی از دستاوردهای به كارگیری این مفهوم طلایی معرفی شده اند.
نخستین دستاوردها
بشر حتی پیش از آن كه با مفهوم تكامل آشنا شود، در عمل از آن بهره گرفته است. كاشتن گزینشی گیاهان و دورگهگیری گزینشی جانوران، از تجربههای معمول كشاورزان طی سدهها بوده و امروزه با افزایش دانش و مهارت بشر، شكل كاركردیتری به خودگرفته است: گوجه فرنگیهای درشت و با دانههای كمتر، گاوهایی كه ده برابر گاوهای یك سده پیش شیر میدهند و مرغهایی كه چهار برابر نیاكان خود تخم میگذارند، از جمله دستاوردهای به خدمت گرفتن تكامل هستند.
از روزی كه بشر به كشاورزی روی آورد، بهترین دانهها را به عنوان بذر گزینش و بقیه را مصرف میكرد. به این ترتیب محصول فصل بعدی اندكی درشتتر، شیرینتر یا در برابر بیماری مقاومتر بود. تغییرها، بسیار اندك بودند، اما طی نسلهای پیدرپی ، محصول به نحو چشمگیری تغییر میكرد. برای مثال، گیاه ذرت ( Zea mayes ) از گیاه تئوسینت ( Euchlaena mexicana ) به دست آمده است كه 7 هزار سال پیش در جنوب مكزیك كاشته میشد. دانه های این گیاه با دانههای ذرت امروزی تفاوت زیادی داشتند. این دانهها بسیار كوچك بودند و مانند دانههای ذرت امروزی به طور فشرده كنار هم قرار نگرفته بودند.
سرخپوستان بومی آمریكا با گردآوری و كاشتن آن دسته از بذرهایی كه برای مصرف انسان مناسبتر بودند، گیاه ذرتی تولید كردند كه خوشههای آن تنها 8 ردیف دانه داشت. طی چند هزار سال كاشتن گزینشی ، آرامآرام تعداد دانهها و درازای خوشهی ذرت افزایش یافت؛ به نحوی كه یك كشاورز با اختصاص قطعهی كوچكی از زمین خود به ذرت، می توانست غذای مورد نیاز یك سال خانوادهاش را فراهم كند. سفیدپوستان پس از مهاجرت به آمریكا با این گیاه آشنا شدند و اكنون ذرت یكی از غلههای مهم دنیا است.
تهیه واكسن
واكسن فلج اطفال نمونه دیرین اما بسیار خوبی از هدیههای تكامل، در دنیای پزشكی است. واكسنی كه اكنون برای ایمنی در برابر فلج اطفال به صورت خوراكی در اختیار كودكان قرار میگیرد، ویروس زنده عامل این بیماری است. این ویروس زنده از نظر ژنتیكی ضعیف شده است. بنابراین، دستگاه ایمنی بدن ما از عهده آن بر میآید. در نتیجه، ویروس ضعیفشده نمیتواند در بدن ما بیماری ایجاد كند (به جز 1 تا 2 نفر در هر میلیون نفر كه واكسینه شده باشند).
فرایند ضعیفسازی ویروس در واقع نوعی فرایند تكاملی است. آلبرت سیبین( Albert sabin ) برای تهیهی واكسن فلج اطفال سوشهای بیماریزا و بسیار خطرناك این ویروس را بیرون از بدن انسان(در سلولهای كلیه میمون كه سلول میزبان این ویروس محسوب نمیشود) پرورش داد و آن اندازه این روند را ادامه داد تا ویروسهایی به دست آمدند كه به شرایط خارج از بدن انسان سازش یافته و توانایی ایجاد بیماری در انسان را از دست داده بودند . امروزه نیز از این شیوه برای تهیهی واكسنهای زنده استفاده میشود.
اما این فرایند تكاملی به همین جا ختم نمی شود و می تواند برای ما دردسرآفرین نیز باشد. وقتی فردی ویروس ضعیفشده را میخورد، ویروس سلولهای معده و روده او را آلوده میكند و در آنجا زیاد میشود. زادههای ویروسی، سلولهای دیگر معده و روده را آلوده میكنند و زادههای دیگری را به وجود میآورند. این روند ادامه پیدا میكند و در نتیجه جمعیت ویروسها دچار جهش میشوند و برخی از آن جهشها، بیشتر توان بیماریزایی را به ویروس باز میگردانند.
ویروسهایی كه بار دیگر توان بیماریزایی را به دست آوردهاند، درون سلولهای معده و روده بر ویروسهای ضعیفشده برتری دارند و طی یك هفته یا اندكی بیشتر پس از خوردن ویروس، فرد به انبار ویروسهای خطرناك و بیماریزا تبدیل میشود. خلاصه، فرایند تكامل در دستگاه گوارش، روند تضعیف ویروس را برعكس میكند. این ویروسها به فردی كه واكسن را دریافت كرده است آسیب نمیرسانند، زیرا هنگامی كه آنها درون معده و روده زیاد میشوند، دستگاه ایمنی برای رویارویی با آنها و جلوگیری از ورودشان به دستگاه عصبی آماده میشود.
بیماری زمانی ایجاد میشود كه ویروس به دستگاه عصبی مركزی نفوذ كند. با وجود این، اگر در جمعیتی از افراد ناایمن به ویروس فلج اطفال، تنها یك نفر واكسینه نشود، ویروسهایی كه در بدن آن فرد توان بیماریزایی خود را بازمییابند، ممكن است سایر افراد را آلوده كنند و در نتیجه باعث فراگیری بیماری در جمعیت شوند. برای جلوگیری از چنین واقعه ای ، تلاش می كند جامعه را در یك زمان و به طور كامل واكسینه كنند . برای مثال ، سازمان بهداشت جهانی در یك روز 90 میلیون نفر را در هندوستان و در سه روز كل جامعه چین را علیه فلج اطفال واكسینه كرد. بنابراین، شناخت ما از تكامل ویروس فلج اطفال به ما امكان داده است كه بدون ایجاد بیماری ناخواسته، از واكسن آن استفاده كنیم.
درخت های تكاملی
اصل نظریهی تكامل این است كه همهی جانداران با نیاكان مشترك به هم مرتبط میشوند. امروزه زیستشناسی مولكولی به ما امكان داده است كه تاریخ جانداران را به نحو دقیقتری پیگیری و آن را در قالب نمودارهای درخت مانند بازسازی كنیم. این شیوه مطالعه كه فیلوژنتیك( Phylogenetics ) نامیده میشود، علاوه بر افزایش درك ما از تاریخ تكاملی زندگی، كاربردهای مفید زیادی بهویژه در پیگیری بیماریهای عفونی پیدا كرده است.
مساله: ما میخواهیم منبع ویروسی را بدانیم كه فرد X را آلوده كرده است. فرض كنید چهار منیع احتمالی A ، B ، C و D شناسایی شدهاند. این چهار منبع میتوانند: افراد متفاوتی باشند كه با فرد X تماس داشتهاند، منطقههای جغرافیایی متفاوتی باشند كه فرد X در آ ن جا اقامت داشته است و یا چهار گونه پستانداری باشند كه در روستای محل اقامت فرد X زندگی میكنند و گاهی به ویروسی آلوده میشوند كه فرد X را آلوده كرده است.
راهحل: برای حل این مساله باید بدانیم كه توالی ژنوم ویروسی كه افراد A ، B ، C و D را آْلوده كرده است، همان توالی ژنوم ویروسی نیست كه فرد X را آلوده كرده است. زیرا سرعت تغییرهای ژنتیكی در ویروسها بسیار بالاست. از راه بازسازی درخت فیلوژنی ویروسهای به دست آمده از همه افراد، میتوانیم به منبع احتمالی ویروسی پی بریم كه فرد X را آلوده كرده است. این بررسی نه تنها مشخص میكند كه كدام ویروس به دست آمده از افراد A تا D بیشترین شباهت را به ویروسی دارد كه فرد X را آلوده كرده است(ویروس آلوده كننده فرد D ) بلكه میزان ارتباط ویروسها را با یكدیگر نیز نشان میدهد. بنابراین میتوان دریافت كه آیا منبع آلودگی، فرد یا مكانی غیر از منابع احتمالی A تا D هست یا نه.
به یك مثال واقعی توجه كنید. در سال 1994 زنی ادعا كرد كه معشوقش(یك پزشك) برای انتقامجویی، به او خون آلوده به ویروس ایدز ( HIV ) تزریق كرده است. آن پزشك بارها به او ویتامین B تزریق كرده و در یكی از تزریقها از مقداری خون آلوده استفاده كرده بود. هیچ شاهد و مدركی در این باره وجود نداشت و پزشك نیز ادعا میكرد كه آن زن با افراد دیگری ارتباط داشته و به از این راه آلوده شده است. در این جا، درختهای فیلوژنی به كمك قاضی آمدند و ثابت كردند كه تكامل، در عرصه قضاوت نیز میتواند راه گشا باشد.
ویروس ایدز به سرعت دچار جهش میشود. از این رو ، این ویروس در پاسخ به داروها و حمله دستگاه ایمنی، به سرعت متحول و درمان یا تهیه واكسن علیه آن مشكل میشود . تحولپذیری بسیار زیاد باعث میشود كه به طور معمول، حتی دو ویروس از یك فرد آلوده توالی ژنوم متفاوتی داشته باشند. البته توالی ویروسهای یك فرد نسبت به توالی ویروسهای سایر افراد آلوده، شباهت بیشتری به یكدیگر دارند. این ویژگی به ما امكان می دهد، فردی را كه منبع آلودگی بوده است، شناسایی كنیم.
بررسی پرونده پزشكی زن نشان داد ، در آوریل 1994 كه او برای اهدای خون مراجعه كرده، به ویروس آلوده نبوده است. بنابر ادعای او، در آگوست همان سال به او خون آلوده تزریق شده و او چند ماه بعد، ادعای خود را تسلیم دادگاه كرده بود . مسالهای كه پرونده را پیچیده كرد این بود كه پزشك متهم، خود به ویروس آلوده نبود. اما بررسیها نشان دادند كه در مطب آن پزشك از دو بیمار، یكی آلوده به ویروس ایدز و دیگری آلوده به ویروس هپاتیت ، نمونه خون تهیه شده است. بررسی فیلوژنی ویروسهای به دست آمده از آن زن و فرد آلوده به HIV ، ادعای زن را ثابت كرد. پزشك به قتل درجه دوم و در نتیجه 50 سال زندان محكوم شد.
تكامل جهتدار
دانشمندان با بهرهگیری از آن چه كه داروین به ما آموخت ، تكامل را در دستان خود گرفته و مولكول هایی آفریده اند كه ویژگیهای مورد نظرشان را بروز میدهند. تكامل داروینی، نتیجهی عملكرد پیوسته سه فرایند است: گزینش، زیادشدن و جهش. فرایند جهش، گوناگونی به وجود میآورد. با فرایند گزینش از میان گوناگونی به وجود آمده،» خواستهها» از » ناخواستهها » جدا میشوند . فرایند زیادشدن نیز فراوانی «خواسته ها» را افزایش می دهد.
در طبیعت، زادههایی گزینش میشوند كه توان زادآوری بیشتری دارند. اما در مهندسی تكامل، مولكولهایی گزینش میشوند كه ویژگیهای دلخواه مهندس طراح را نشان میدهند. از این رو، این نوع تكامل را تكامل جهتدار( Directed evolution ) نامیدهاند. برای مثال ، فرض بگیرید پژوهشگری به ریبوزیمی نیاز دارد كه بتواند مولكول DNA را آبكافت(هیدرولیز) كند. ریبوزیمها، مولكولهای RNA هستند كه فعالیت آنزیمی دارند و میتوانند قطعههای RNA را هیدرولیز كنند. در طبیعت ریبوزیمی كه بتواند DNA را هیدرولیز كند، وجود ندارد. اما تكامل جهتدار توان تولید چنین ریبوزیمهایی را به ما بخشیده است. چنین ریبوزیمهایی میتوانند كاربرد درمانی داشته باشند . برای مثال ،میتوان از آنها برای تخریب DNA ویروسی استفاده كرد كه سلولهای بدن بیمار را آلوده كرده است.
برای تولید چنین ریبوزیمی، نخست تعداد زیادی از یك ریبوزیم طبیعی تهیه میشود. برای این كار، میتوان ریبوزیم مژكداری به نام Tetrahymena thermophila را انتخاب و به كمك آنزیم رپلیكاز (آنزیمی كه باعث همانند سازی RNA ویروس ها میشود) و مخلوطی از ریبونوكلئوتیدها و دیگر عاملهای لازم ، در دستگاه PCR نسخههای زیادی (برای مثال 13 10 مولكول) از آن تهیه كرد . چون رپلیكاز توان ویرایش ندارد، هنگام نسخهبرداری از یك توالی RNA ، مرتكب یك یا دو اشتباه میشود. بنابراین ،13 10 مولكول به دست آمده، به طور كامل شبیه هم نیستند و در یك یا چند نوكلئوتید با یكدیگر تفاوت دارند. به این ترتیب ، دو فرایند اساسی تكامل (زیادشدن و جهش) به طور همزمان رخ میدهند و جمعیت ناهمگونی از مولكولهای RNA با توانایی متفاوت اما ناشناخته، به وجود میآید.
اكنون زمان گزینش ریبوزیمی است كه بتواند DNA را هیدرولیز كند. 13 10 نسخه متفاوتی كه از ریبوزیم Tetratymena تهیه شده است، در معرض تعدادی مولكول DNA قرار میگیرند. تعداد اندكی از آن مولكولها میتوانند مولكولهای DNA را آبكافت كنند. اما این سامانه چنان طراحی شده است كه همزمان با آبكافت مولكول DNA ، قطعهای از فرآوردهی آبكافت به آن مولكولها متصل میشود و در نتیجه، آنها نشاندار میشوند. مولكول های نشان دار از بقیه جدا و زیاد می شوند و در این فریند جهش های جدید در نسخه های حاصل به وجود میآید. به این ترتیب، نسل جدیدی از مولكولها به دست میآید كه با توان بیش تری DNA را هیدرولیز میكنند. این نسل به عنوان جمعیت آغازین، برای تولید ریبوزیمهای كارآمدتر به كار می رود.
تكامل و دانش عمومی
تا چندی پیش ، سل جزو بیماریهایی به شمار میآمد كه به آسانی درمان می شد. اما در سال های اخیر همین بیماری از آن دسته از بیماریهایی به شمار میآیدكه دشمن درجه یك سلامت انسان هستند و میزان كشتار سالانه آن (2 تا 3 میلیون نفر در سال) هم ردیف میزان كشتار سالانه ایدز قرار گرفته است. در گوشه و كنار جهان سخن از سوشهایی از باكتری مولد سل است كه به آنتی بیوتیكهای كنونی مقاوم شده اند.
پژوهشگران آمریكایی تاكنون 12 هزار سوش متفاوت از این باكتری را شناسایی كردهاند. اما سوشی كه در نیویورك یافتهاند، با همهی سوشهای شناخته شده تفاوت دارد. این سوش به چندین پادزی(آنتی بیوتیك) مقاومت نشان داده است. بررسیهای فیلوژنتیك نشان داده اند، این سوش از زندانی در سیبری روسیه به شهر نیویورك راه یافته است. شلوغی زندان، استفاده از پادزیهای ضعیف و پیگیری ناكافی درمان زندانیان، باعث شده است كه این گونه زندانها به منبع باكتری های مقاوم به پادزی تبدیل شوند. این باكتریها پس از آزادی زندانیان، به جامعهی روسیه راه یافتهاند و سرانجام از راه مسافرت به سایر جاهای جهان منتشر شدند.
باكتریهای مقاوم به پادزی مولد ذات الریه، سوزاك و بیماریهای عفونی دیگر نیز گزارش شدهاند . این سوشهای مقاوم به آنتی بیوتیك، نتیجه یك فرایند تكاملی هستند كه استفاده نامناسب از پادزیها آن را تقویت كرده است. استفاده بیش از اندازه و نادرست از پادزیها، باعث گزینش باكتریهایی میشود كه ژن مقاوم به پادزی دارند. ادامه پیدا كردن استفاده از پادزیها باعث زیادشدن و گسترش باكتریهای مقاوم به پادزی به سایر میزبانها میشود . در نهایت، باكتریهای مقاوم به پادزی جایگزین جمعیت باكتریهای حساس به پادزی میشوند .
با وجود این، مفهوم مقاومت به پادزی به شكل نادرستی در ذهن عمومی جا افتاده است. اغلب افراد تصور میكنند، استفاده نادرست از پادزی، به افزایش تحمل فرد در برابر دارو میانجامد و در نتیجه پادزی در آن فرد موثر واقع نمیشود. در واقع، آنان تصور میكنند مصرف نادرست پادزی، باعث تغییرهایی در فرد ( و نه در باكتری) می شود. اما مقاومت به پادزیها یك فرایندتكاملی است و استفاده نادرست از پادزیها تنها به فرد مصرف كننده آسیب نمیرساند، بلكه استفاده نادرست همسایه شما از پادزی، میتواند به شما نسیز آسیب برساند و حتی باعث مرگ شما شود. بنابراین، برای جلوگیری از گسترش باكتریهای مقاوم به پادزی آگاهی همهی افراد از فرایند تكامل و چگونگی مقاومت به پادزی ضروری است.
تكامل و شناخت دقیقتر زمین
تكامل علاوه بر توضیح گوناگونی كه در زندگی مشاهده میشود، واقعیتهای دیگری را نیز شرح میدهد. زندگی، طی تاریخ دراز خود به نحو چشمگیری محیط فیزیكی این سیاره را تغییر داده است. برای مثال، تركیب اتمسفر زمین تا حدود زیادی نتیجه فعالیت جانداران است. در جریان فتوسنتز كه یكی از فراوردههای تكامل است، گیاهان سبز دیاكسید كربن و آب را جذب، فرآورده های آلی را تولید و اكسیژن آزاد میكنند. این فرایند باعث افزایش مقدار اكسیژن در اتمسفر شده است.
جامعههای زنده بر آب و هوا و جریان آب در اقیانوسها، اتمسفر و زمین تاثیر شگرفی دارند. به علاوه، گیاهان، پلانكتونها و میكروب های خاك با جذب یا آزاد كردن گازهای گلخانهای (از جمله دی اكسید كربن و متان) نقش مهمی در تغییر دمای هوا دارند. بنابراین ، آگاهی از تغییرهای هوا در گذشته، میتواند در پیش بینی وقایع هواشناسی به ما كمك كند.
درك پیشینهی تكاملی جانداران نیز در پیدا كردن و بهرهبرداری از منابع فسیلی و اكتشاف معدن ضروری است. بنابراین، » دیرین شناسی » فصل مشترك زمین شناسان، معدن كاوان، زیستشناسان، جغرافیدانان و كسانی است درپی اندوختههای گاز، نفت و زغالسنگ در طبیعت كاوش میكنند. از این رو، میتوان گفت تكامل بر سیاست و اقتصاد جهانی نیز تاثیرگذار است.
كلام آخر
در جهانی زندگی میكنیم كه پیوسته در حال تغییر است. به گفته وناكر( Ernest L. Winakure ) ، ژنتیكدان آلمانی، » تنها چیز ثابت در آفرینش، تغییر است.» تكامل در پی تشریح تغییرهایی است كه جانداران در جهان در حال تغییر، متحمل میشوند. تكامل كه در واقع تغییر و تحول پیوستهی جانداران است، همچنان ادامه دارد و امروزه با كمك فناوریهای نوین به خدمت انسان درآمده و در پزشكی، كشاورزی، صنعت و حتی حقوق مددكار انسان شده است. دانشآموزانی كه این دانش را فرا میگیرند، در هر زمینهی شغلی كه وارد آن میشوند، میتوانند از آن بهرهبرداری كنند. البته ، شناخت اصلهای تكامل در حفظ سلامتی و بهداشت عمومی به ویژه برای مدیریت بیماریهای عفونی، برای همهی مردم ضروری به نظر میرسد