تکامل هرگز به خط پایان نمیرسد
برای دههها، نظریه خنثی بودن تکامل مولکولی بر زیستشناسی تکاملی سلطه داشته و بر این ایده استوار بوده که بیشتر تغییرات ژنتیکی فاقد اثر سودمند یا زیانبار هستند. پژوهشی تازه از «دانشگاه میشیگان» نشان میدهد این فرض بنیادی ممکن است نادرست باشد و جهشهای سودمند بسیار بیشتر از آن چیزی باشند که پیشتر تصور میشد.
با این حال، این جهشها بهندرت در جمعیتها تثبیت میشوند؛ زیرا تغییرات مداوم محیط باعث میشود مزیت آنها گذرا باشد و حتی به زیان تبدیل شود.
این چارچوب جدید که «ردیابی سازشی همراه با چندنمودی آنتاگونیستی» (Adaptive Tracking with Antagonistic Pleiotropy) نام گرفته، تصویری تازه از تکامل ارائه میدهد؛ تصویری که در آن، موجودات زنده همواره در حال تعقیب محیطهای متغیرند، نه رسیدن به یک سازگاری کامل و پایدار.
برای آزمودن این چارچوب نظری، پژوهشگران از آزمایشهای تکاملی روی مخمر استفاده کردند. آنها جمعیتهایی از مخمر را در شرایط محیطی ثابت و متغیر، برای صدها نسل پرورش دادند (هر نسل ۳ ساعت طول کشید) و تغییرات ژنتیکی آنها را زیر نظر گرفتند. نتایج نشان داد در محیطهای پایدار، جهشهای سودمند با احتمال بیشتری در ژنوم انباشته میشوند؛ اما در محیطهای در حال تغییر این جهشها اغلب دوام نمیآورند و حذف میشوند. این آزمایشها شواهد تجربی مستقیمی برای این ایده فراهم کرد که تکامل، بیش از آنکه رسیدن به یک وضعیت بهینه باشد، فرایندی از «تعقیب دائمی محیط» است.
در ادامه گفتوگوی خبرنگار آناتک با دکتر«جیانژی ژانگ» ( Dr. Jianzhi Zhang)، استاد بومشناسی و زیستشناسی تکاملی دانشگاه میشیگان را خواهید خواند:
برای یک مخاطب دانشگاهی عمومی، پیام مرکزی این پژوهش درباره نحوه واقعی عملکرد تکامل چیست؟
محیط آنقدر به طور مکرر تغییر میکند که یک جمعیت از جانداران نمیتواند پیش از تغییر مجدد محیط، به طور کامل با آن سازگار شود. بنابراین، جمعیتها همواره در حال سازگاری با محیطهای در حال تغییر خود هستند. این سازگاری عمدتا توسط جهشهای سودمند وابسته به محیط تغذیه میشود. با تغییر محیط، این جهشهای سودمند دیگر سودمند نخواهند بود و حتی ممکن است زیانبار شوند. در نتیجه، با وجود آنکه در هر لحظه جهشهای سودمند بسیاری وجود دارد، این جهشها فقط به طور موقتی سودمند هستند و نمیتوانند به تثبیت برسند. بنابراین، بیشتر جهشهایی که به تثبیت میرسند، خنثی هستند.
نظریه خنثی بودن تکامل مولکولی دههها تاثیرگذار بوده است. چه چیزی شما را بر آن داشت که یکی از فرضهای اصلی آن را دوباره بررسی کنید؟
اگرچه بسیاری از دادههای ژنومیک تطبیقی و جمعیتی با پیشبینیهای نظریه خنثی سازگار به نظر میرسند؛ اما فرض کلیدی این نظریه ــ اینکه جهشهای سودمند بسیار نادرند ــ به علت نبود دادههای مناسب، به طور انتقادی بررسی نشده بود. در سال ۲۰۲۲، ما برای هدفی دیگر چنین دادههایی تولید کردیم و سپس متوجه شدیم این مجموعه داده میتواند برای آزمون این فرض کلیدی استفاده شود.
نتایج شما نشان میدهد جهشهای سودمند بسیار شایعتر از آن چیزی هستند که بهطور سنتی تصور میشد. چرا این موضوع در نگاه اول با مشاهدات کلاسیک تکاملی در تضاد به نظر میرسد؟
همیشه تصور میشد که جهشهای سودمند نادر هستند و یافتههای ما نیز تایید میکند که آنها نادرند (جهشهای سودمند حدود ۱٪ جهشها را تشکیل میدهند). آنچه پیشترـ حداقل برای من ـ نامشخص بود این بود که برای برقرار ماندن نظریه خنثی، جهشهای سودمند تا چه حد باید نادر باشند. محاسبه ساده ما نشان داد که برای برقرار بودن نظریه خنثی، جهشهای سودمند باید بسیار نادرتر از ۱٪ جهشها باشند.
بنابراین یافته ما نشان میدهد که جهشهای سودمند بیش از حد زیادند تا نظریه خنثی برقرار بماند. یک محاسبه ساده نشان میدهد که ژنهای کارکردی، با وجود این تعداد زیاد جهش سودمند، باید بسیار سریعتر از شبهژنهای بدون کارکرد (که نه جهش سودمند دارند و نه زیانبار) تکامل یابند. این با دههها مشاهده که تقریبا همه ژنهای کارکردی آهستهتر از شبهژنها تکامل مییابند، در تضاد است.
اگر جهشهای سودمند فراوان هستند، چرا آنها را نمیبینیم که بیشتر در جمعیتها تثبیت شوند؟ این معما چگونه شما را به تمرکز بر تغییرات محیطی هدایت کرد؟
در تامل بر تضاد یادشده، متوجه شدیم که در محاسبه نرخ تکامل، فرضی را در نظر گرفته بودیم: ثابت بودن محیط. اگر محیط نوسان داشته باشد و اگر یک جهش فقط در تعداد محدودی از شرایط سودمند و در سایر شرایط زیانبار باشد، آنگاه در صورت تغییرات مکرر محیط، این جهش هرگز به تثبیت نخواهد رسید. بنابراین، نوسان محیط میتواند این تضاد را برطرف کند.
در چارچوب شما، تکامل بیشتر شبیه یک تعقیب دائمی است تا فرایندی برای رسیدن به حالت بهینه. این دیدگاه چه تفاوتی با نگاه سنتی به سازگاری دارد؟
دیدگاه سنتی این است که یک جمعیت با محیطی جدید روبهرو میشود و بهتدریج از طریق جهش و انتخاب طبیعی با آن سازگار میشود. در این نگاه، سازگاری کامل با یک محیط جدید در مقایسه با مدتزمان پایداری آن محیط، سریع رخ میدهد. در نظریه جدید ما، سازگاری کامل با یک محیط جدید بسیار طولانیتر از مدتزمان دوام خود محیط طول میکشد. بنابراین، جمعیت همواره در حال تعقیب محیط در حال تغییر خود است؛ اما هرگز نمیتواند بهطور کامل با آن سازگار شود. ما شواهدی ارائه کردهایم که از این دیدگاه جدید پشتیبانی میکند.
پلیوتروپی (چندنمودی) آنتاگونیستی چه نقشی در توضیح این موضوع دارد که چرا جهشهای سودمند اغلب پایدار نمیمانند؟
در چارچوب نظریه ما، پلیوتروپی آنتاگونیستی به این معناست که اثر برازندگی (توانایی زیستی) یک جهش به محیط وابسته است و در برخی محیطها مثبت، اما در بسیاری از محیطهای دیگر منفی است. بنابراین، در یک محیط در حال تغییر، جهشی که در حال حاضر سودمند است، با تغییر محیط بهسرعت زیانبار میشود؛ در نتیجه، احتمال رسیدن آن به تثبیت کم است.
آزمایشهای تکامل مخمر در محیطهای پایدار در برابر محیطهای متغیر چگونه به روشن شدن این ایده کمک کردند؟
نظریه ما پیشبینی میکند که در محیطهای متغیر ــ به علت پلیوتروپی آنتاگونیستی ــ احتمال انباشت جهشهای سودمند در ژنوم کمتر از محیطهای ثابت است و این پیشبینی با آزمایشهای تکامل مخمر بهطور تجربی تایید شد.
آیا منصفانه است بگوییم بسیاری از جهشهایی که امروز آنها را «خنثی» مینامیم، ممکن است در واقع حاصل یک فرایند غیرخنثی باشند؟
این امکان وجود دارد. برای بسیاری از جهشها، اثرات برازندگی وابسته به محیط است.
شما پیشنهاد میکنید که جمعیتها به ندرت به طور کامل با محیط خود سازگار میشوند. این موضوع چه پیامدی برای درک تکامل انسان و چالشهای سلامت مدرن دارد؟
با توجه به اینکه محیط ما با چه سرعتی تغییر کرده و همچنان در حال تغییر است، انسانها ممکن است سازگاری ضعیفی با محیط کنونی داشته باشند.
مهمترین نکتهای که دوست دارید دانشجویان زیستشناسی از این پژوهش بیاموزند چیست؟
ارگانیسمها با سازگاری، در تعقیب محیطهای در حال تغییر خود هستند؛ اما هرگز بهطور کامل با آنها سازگار نمیشوند.
انتهای پیام/
