سازش‏های پیچیده چگونه تکامل می‏یابند؟

یکی از نقدهای وارد بر نظریه‏ی تکامل از طریق گزینش طبیعی، غالباً از دشواری تکامل مولکول‏های پروتئینی از طریق سلول‏های واحد به ساختارهای زیستی پیچیده‏ای‏ چون چشم و مغز ناشی می‏شود.
چگونه ممکن است ایجاد یک جزء کامل عملکردی و مطلوب سازش یافته‏ی دستگاه زیستی، فقط ناشی از گزینش جهش‏های تصادفی باشد؟ کلید درک این فرایند در معنای دیگر کلمه‏ی «adapt» (1) نهفته است. در تکامل موجودات زنده و ساختار پیچیده‏ی آن‏ها‏، بسیاری از جنبه‏ها، نسخه‏های تغییر یافته (تعدیل شده‏ی) ساختارهای پیشین هستند، درست مانند زمانی که مهندسان ماشین‏ها را می‏سازند. در ساخت ماشین‏ها و دستگاه‏های پیچیده، نسخه‏های اولیه‏ی ناجور و ناهماهنگ با گذشت زمان اصلاح می‏شوند و گاه به کاربردهای جدید پیش بینی نشده‏ای‏ می‏رسند. تکامل زانوی مصنوعی، مثال خوبی‏ از فرایندی است که در آن، یک راه حل اولیه‏ی خام برای یک مشکل، به‏ اند‏ازه‏ی کافی مطلوب بوده، ولی بر اثر تغییراتی که با گذشت زمان در آن ایجاد شد، کارایی آن هر چه بیشتر شده است. درست مانند تکامل زیستی، بسیاری از نسخه‏های اولیه‏ی زانوی مصنوعی، براساس استانداردهای امروز، کارایی ضعیفی داشتند، اما با اصلاحاتی که در هر نسل آن نسبت به نسل پیشین صورت گرفت، به نسخه‏ای‏ تبدیل شد که اکنون توسط جراحان زانو به کار برده می‏شوند، بنابراین، نسخه‏های ساده‏ی اولیه که در زمان خود به خوبی ‏کار می‏کردند، در نهایت به زانوهای مصنوعی پیچیده‏ی امروزی تبدیل شدند.
این فرایند سازگاری متوالی «طرح‏ها و نقشه‏ها»، درست مانند بالا رفتن از یک تپه در میان مهی متراکم است. حتی بدون نیت رسیدن به قله (یا حتی بدون دانستن این که قله کجاست)، اگر از یک قانون ساده - با هر گام بالاتر می‏روی - پیروی شود می‏توان به قله (هر چند قله‏ی یک تپه) هر چه نزدیک‏تر شد. هر گاه سازه‏ی فعلی در یک یا چند جنبه از سازه‏ی پیشین بهتر عمل کند، طرح نهایی بهبود خواهد یافت، بدون این که وجود یک طراح ضروری باشد. در مهندسی، بهبود طرح اغلب نتیجه‏ی کار مهندسان مختلفی است که در تکامل یک ماشین نقش داشته‏اند‏ و بی‏شک، طراحان اولیه‏ی خودرو با دیدن خودروهای امروزی شگفت زده می‏شدند. در تکامل طبیعی، طرح فعلی موجودات زنده حاصل آن چیزی است که «ترمیم» موجود زنده خوانده می‏شود که طی آن، تغییرات جزئی موجب بقا یا تولید مثل بهتر آن نسبت به افراد دیگر می‏شود. البته در تکامل یک ساختار پیچیده، باید صفات مختلف فراوانی هم زمان تکامل یابند، در نتیجه قسمت‏های مختلف آن به خوبی‏ برای انجام وظیفه هم سو با کلیت آن ساختار می‏شوند. صفات سودمند در دوره‏ی زمانی کوتاهی، نسبت به بازه‏ی زمانی تغییرات تکاملی عمده، در یک جمعیت گسترش می‏یابند، حتی اگر فراوانی اولیه‏ی آن‏ها‏ بسیار‏ اند‏ک باشد. بنابراین، تغییرات متوالی جزئی در سازه‏ای‏ که در حال فعالیت است می‏تواند موجب تغییرات تکاملی عمده‏ای‏ در آن شود. پس از هزاران سال، تصور تغییرات بنیادین حتی یک ساختار پیچیده نیز دشوار نیست. با گذشت زمان کافی، این ساختار با نیای خود در بسیاری از جهات تفاوت می‏کند، در نتیجه افرادی که به نسل‏های بعدی تعلق دارند حامل مجموعه صفات و خصلت‏هایی‏اند‏ که هرگز در جمعیت نیای آن‏ها‏ دیده نشده است که دقیقاً مانند تفاوت خودروهای امروزی و نمونه‏های قدیمی ‏آن‏ها‏ست. آن چه گفته شد فقط اساس نظری ندارد:
متخصصان اصلاح نژاد جانوران و گیاهان همواره در حال انجام این فرایند از طریق گزینش مصنوعی‏اند‏. بنابراین درک این امر که گزینش طبیعی چگونه موجب تکامل ویژگی‏های بسیار پیچیده‏ای‏ شده که از اجزای کاملاً سازگار با هم تشکیل شده‏اند‏، چندان دشوار نیست.
گاه تکامل مولکول‏های پروتئینی در حکم مسئله‏ای‏ با دشواری خاص جلوه می‏کند. پروتئین‏ها، ساختارهایی پیچیده‏اند‏ که بین اجزای آن برای کارکرد مناسب برهمکنش برقرار است (بسیاری از پروتئین‏ها نیز باید با همدیگر و با سایر مولکول‏ها، از جمله DNA بر همکنش داشته باشند). نظریه‏ی تکامل باید بتواند تکامل پروتئین را توضیح دهد. بیست نوع اسید آمینه‏ی گوناگون یافت می‏شود، بنابراین احتمال این که ‏یک اسید آمینه دقیقاً در یک نقطه‏ی یک مولکول پروتئینی متشکل از 100 اسید آمینه (کوتاه‏تر از بسیاری از پروتئین‏های واقعی) قرار داشته باشد، یک بر بیست است. احتمال این که‏ یک 100 اسید آمینه به طور تصادفی با هم آمیخته شوند و مجدداً هر یک در همان مکان پیشین خود قرار گیرند و پروتئینی را تشکیل دهند که بتواند به درستی کار کند، بسیار بسیار‏اند‏ک است.
بنابراین، می‏توان ادعا کرد احتمال تشکیل پروتئینی که بتواند به درستی کار کند برابر با احتمال شکل گیری یک هواپیما بر اثر ورزیدن توفانی شدید و در کنار هم قرار گرفتن تکه‏های جداافتاده‏ی آن است.
درست است که چنین پروتئینی نمی‏تواند با کنار هم قرار گرفتن تصادفی اسیدهای آمینه در یک توالی تشکیل شود؛ اما مطابق توضیحات بالا، گزینش طبیعی به‏ این صورت عمل نمی‏کند. احتمالاً پروتئین‏های اولیه را زنجیره‏ای‏ از چند اسید آمینه تشکیل می‏دادند که قادر به انجام کارکردی ساده بوده‏اند‏ و به تدریج به صورت پروتئین‏های تکامل یافته‏ی امروزی در آمده‏اند‏. نیازی نیست به میلیون‏ها توالی بالقوه‏ای‏‏ اند‏یشید که فاقد کارکرد هستند و هرگز به وجود نخواهند آمد؛ مهم این است که بدانیم توالی‏های پروتئینی طی تکامل توانسته‏اند‏ موجب بهبود واکنش‏هایی شوند که در غیاب آن‏ها‏، این امر رخ نمی‏داد و سپس با گذشت زمان طی فرایند تکامل، کارکرد آن‏ها‏ بهتر و بهتر شده است. علی الاصول پی بردن به چگونگی تغییرات زنجیره‏ای‏ متوالی آسان است، هر کدام که‏ یک توالی را تغییر دهد یا به طور آن اضافه کند، می‏تواند یک پروتئین را بهبود بخشد.
شناخت ما از چگونگی کارکرد پروتئین‏ها موید دیدگاه بالاست.
بخشی از پروتئین که برای فعالیت شیمیایی آن ضروری است، اغلب فقط یکی از قسمت‏های کوچک توالی آن به شمار می‏آید. آنزیم‏ها معمولاً فقط چند اسید آمینه دارند که با ماده‏ای‏ شیمیایی برهمکنش برقرار می‏کنند که قرار است آنزیم آن را تغییر دهد. بخش عمده‏ی این پروتئین‏ها نقش داربستی را بازی می‏کنند که از این جزء برهمکنش کننده حفاظت می‏کنند. منظور این است که انجام وظیفه‏ی یک پروتئین عمدتاً به بخش نسبتاً کوچکی از اسیدهای آمینه‏ی آن بستگی دارد، در نتیجه احتمال دارد با تعداد تغییرات کوچکی که در توالی یک پروتئین پیش می‏آید، پروتئین بتواند کار کرد جدیدی کسب کند. مطالعات فراوانی که در آن‏ها‏ توالی یک پروتئین به طور مصنوعی تغییر داده شده و سپس در معرض انتخاب برای فعالیت‏های جدید قرار گرفته است، نظریه‏ی بالا را تأیید کرده است. مشخص شده که‏ای‏جاد تغییرات بنیادین در فعالیت زیستی پروتئین‏ها با این روش بسیار ساده است، گاه فقط با تغییری در یک اسید آمینه‏ی واحد، و مثال‏های مشابه بسیاری در مورد تغییرات تکاملی طبیعی یافت می‏شود.
می‏توان به پرسش مربوط به چگونگی تکامل مسیرهای واکنش‏های پیوسته آنزیمی، مانند واکنش‏هایی که به تأمین مواد شیمیایی مورد نیاز موجود زنده می‏انجامند نیز همین پاسخ را دارد. ممکن است به نظر کسی برسد که حتی اگر فراورده‏ی نهایی مفید هم باشد، نمی‏تواند به ‏این شکل تکامل یابد، زیرا تکامل فاقد آینده نگری است و امکان تکامل واکنش یک آنزیم، پیش از تکمیل کارکرد آن، ناممکن است. پاسخ این معما نیز آسان است.
احتمالاً بسیاری از مواد شیمیایی مفید در محیط موجودات زنده‏ی اولیه وجود داشته‏اند‏. با تکامل حیات، این مواد کم یاب شده‏اند‏. یک موجود زنده که قادر به تغییر ماده‏ای‏ شیمیایی به شکل‏ ترکیبی‏ سودمند بوده، این ماده شیمیایی را تغییر داده است و در نتیجه آنزیمی ‏هم که موجب تسهیل این تغییر می‏شود، تکامل یافته است. در خلال این مدت زمان، امکان ساخت ماده‏ی شیمیایی جدید از آن ماده‏ی پیشین فراهم بوده است. بنابراین یک مسیر کوتاه ساخت زیستی آن ماده شیمیایی، که‏ یک پیش ماده و یک فرآورده‏ی نهایی دارد، برتری یافته است. این مسیرها طی چند مرحله - از ماده‏ی شیمیایی اولیه به عنوان پیش ماده تا ماده شیمیایی جدید به عنوان فرآورده‏ی نهایی - تکامل یافته‏اند‏ تا مواد شیمیایی مورد نیاز موجود زنده ساخته شود.
اگر سازگاری‏های پیچیده، آن طور که متخصصان زیست شناسی تکاملی می‏پندارند، گام به گام تکامل یافته باشند، باید بتوان شواهدی از مراحل میانی تکامل هر یک از این صفات در اختیار داشت. دو نوع از این شواهد در دست است: وجود مراحل میانی در پیشینه‏های سنگواره‏ای‏ و هم چنین گونه‏های امروزی که حد واسط کیفیت‏های ساده و پیچیده‏اند‏.
برخی از سنگواره‏های حد واسط که میان قالب‏های حیاتی گوناگون رابطه برقرار می‏کنند، سنگواره‏ها موید اصل تغییرات تکاملی گام به گام‏اند‏. البته، در بسیاری موارد هیچ گونه شاهدی مبنی بر این مراحل میانی، به ویژه هر چه به گذشته‏های دور باز می‏گردیم، وجود ندارد. به خصوص، هیچ گونه شواهد سنگواره‏ای‏ در مورد نیاکان مهم‏ترین گروه‏های جانوری پریاخته، از جمله نرم تنان، بندپایان و مهره داران در دست نیست که همگی به نحوی ناگهانی در دوره‏ی کامبرین (بیش از 500 میلیون سال پیش) پدیدار شده‏اند‏. از مطالعات اخیر توالی DNA برای آشکارسازی روابط بین این موجودات، قویاً چنین بر می‏آید که ‏این موجودات بسیار پیش از عصر کامبرین از هم واگرا شده‏اند‏، اما هیچ اطلاعاتی در مورد اشکال زیستی آن‏ها‏ در آن دوره وجود ندارد، زیرا احتمالاً همگی نرم‏تن و بنابراین فاقد شرایط سنگواره شدن بوده‏اند‏. اما نقص اطلاعات سنگواره‏ای‏ در این مورد به معنی فقدان مراحل میانی آن‏ها‏ نیست. مراحل میانی جدید بی‏وقفه در حال کشف شدن هستند.
یکی از آخرین آن‏ها‏، سنگواره‏ی یک پستان دار با پیشینه‏ی 125 میلیون ساله در چین است که ویژگی‏های آن مشابه پستان داران جفت دار امروزی ولی 40 میلیون سال کهن‏تر از قدیمی‏ترین سنگواره‏ی مربوط به ‏این گروه از جانوران است.
شواهد دسته‏ی دوم که حاصل مقایسه‏ی قالب‏های زیستی است، تنها منبع اطلاعاتی ما در مورد ویژگی‏هایی به شمار می‏آیند که سنگواره‏ای‏ از آن‏ها‏ در دست نیست. پرواز، یکی از نمونه‏های ساده، اما قاطع در این مورد است که داروین آن را در فصل ششم کتاب خاستگاه گونه‏ها ارائه کرده است. هیچ نوع پیشینه‏ی سنگواره‏ای‏ که حاکی از وجود ارتباط بین خفاش‏ها و سایر پستان داران باشد، وجود ندارد؛ در نخستین سنگواره‏های خفاش که در رسوب‏های بیش از 60 میلیون سال پیش کشف شد،‏ اند‏ام حرکتی آن‏ها‏ شبیه ‏اند‏ام‏های حرکتی کاملاً تغییر یافته‏ی خفاش‏های امروزی است. اما نمونه‏های بسیاری در پستان داران امروزی یافت می‏شود که توانایی پریدن در آن‏ها‏ وجود دارد، اما قادر به پرواز نیستند. آشناترین مثال این جانوران، سنجاب‏های «پرنده» هستند که بسیار شبیه سنجاب‏های معمولی‏اند‏ و تنها تفاوت آن‏ها‏، داشتن باله‏هایی از جنس پوست است که به‏ اند‏ام حرکتی جلو و عقب‏شان متصل است. این‏ها به شکل بال‏هایی ناقص عمل می‏کنند که به ‏این سنجاب‏ها امکان می‏دهد بتوانند در فواصل کوتاه بپرند و خود را در هوا حفظ کنند. چنین سازش‏هایی پریدنی به طور مستقل نزد پستان دارانی دیگر، مانند لمورهای (2) مرسوم به پرنده (که لمورهای حقیقی نیستند و هیچ خویشاوندی‏ای نیز با سنجاب‏های پرنده ندارند) و کیسه داران پرنده تکامل یافته است. گونه‏های قادر به پریدن در مارمولک‏ها، مارها و قورباغه‏ها نیز وجود دارد. تصور این موضوع آسان است که ‏این توانایی پریدن موجب کاهش مخاطرات زیستی جانورانی می‏شود که روی درختان می‏زیند و توسط جانوران شکارچی، صید می‏شوند، و این توانایی می‏تواند در آن‏ها‏ با تغییر تدریجی‏ اند‏ام این جانوران برای پریدن از این شاخه به شاخه‏ی دیگر، تکامل یابد. روشن است که افزایش تدریجی سطح پوستی که برای پریدن به کار گرفته می‏شود و تغییرات‏ اند‏ام حرکتی جلویی برای حمایت از این افزایش سطح پوست، برای این موجودات زنده سودمند بوده است. لمور پرنده دارای یک غشای توسعه پذیر بزرگ است که از سر تا دم این حیوان کشیده شده است. این غشا بسیار شبیه بال خفاش عمل می‏کند، هر چند این میمون‏ها فقط قادر به پریدن هستند و نمی‏توانند پرواز کنند. هنگامی ‏که ساختار یک بال به شکلی تکامل یابد که امکان پریدن کارآمد را برای حیوان فراهم آورد، ماهیچه‏های بال نیز به شکلی تغییر می‏کنند که بتوانند از این کارکرد پروازی پشتیبانی کنند.
تکامل چشم از موارد دیگری است که توجه داروین را به خود فراخواند. چشم مهره داران، سازه‏ای‏ بسیار پیچیده است که دارای یاخته‏های حساس نوری در شبکیه، قرنیه‏ی شفاف و عدسی‏هایی که امکان تمرکز تصویر را روی شبکیه فراهم می‏کنند، و ماهیچه‏های تنظیم کننده‏ی تمرکز می‏باشد. طرح چشم همه‏ی مهره داران شبیه است، اما جزئیات آن‏ها‏ با یکدیگر فرق می‏کند که ناشی از سازگاری به شیوه‏های گوناگون حیات این جانوران است. چگونه‏ این سازه‏ی پیچیده می‏توانسته تکامل یافته باشد، در حالی که اگر شبکیه وجود نداشت، عدسی کارکردی نداشت و بر عکس؟ پاسخ این است که شبکیه بدون وجود عدسی نیز کار می‏کند. چشم بسیاری از بی‏مهرگان ساده و فاقد عدسی است. این جانوران نیازی به دیدن شفاف و واضح اجسام ندارند. فقط کافی است نور و تاریکی را درک کنند تا از حضور شکارگران آگاه شوند. در واقع، حد واسط‏های فراوانی بین گیرنده‏های نوری ساده و انواع پیچیده‏ی آن‏ها‏ وجود دارند که تصویری دقیق از جهان پیرامون موجود زنده فراهم می‏آورند. حتی یوکاریوت‏های تک یاخته نیز با استفاده از‏ ترکیبات گیرنده‏ای‏ که از مجموعه‏ای‏ از مولکول‏های پروتئین رودوپسین (3) تشکیل شده و به نور حساس است، قادر به تشخیص نور و واکنش به آن هستند. رودوپسین در چشم تمام جانوران به کار رفته و در باکتری‏ها نیز دیده می‏شود. با علم به ‏این توانایی ساده‏ی یاخته‏ها در تشخیص نور، تصور این موضوع چندان دشوار نیست که مراحل متعددی وجود داشته است که طی آن توانایی جذب نور یاخته‏ها به شکل گام به گام افزایش یافته و در نهایت موجب تکامل عدسی‏های قوی امروزی شده است که قادر به تمرکز روی اشیا و ارائه‏ی تصویری دقیق از آن‏ها‏ هستند به قول داروین:
در موجودات زنده، تنوع موجب تغییرات ملایمی ‏می‏شود،..... و گزینش طبیعی با مهارتی خطاناپذیر، هر پیشرفتی را بر می‏گزیند. اجازه دهیم این فرایند میلیون‏ها سال و هر سال در میلیون‏ها فرد از گونه‏های مختلف ادامه ‏یابد؛ و ممکن است ما باور نداشته باشیم که ‏یک ابزار نوری زنده‏ این چنین شکل گرفته باشد... بهتر از هر دوربین دیگری؟

پی‌نوشت‌ها:

1- این کلمه که در متون تکامل و زیست شناسی از آن با «سازگاری» یاد می‏شود دارای معانی دیگری نیز هست که البته همگی بر یک مفهوم کلی دلالت دارند. از جمله‏ی این معانی می‏توان به تعدیل، جور کردن و تغییر اشاره کرد. (م.).
2- Lemur= میمون‏های ماداگاسکار.
3- rhodopsin.

منبع مقاله :
چارلزورث، برایان و دبورا؛ (1390)، تکامل،‏ عبدالحمید مهدوی دامغانی، تهران: بصیرت، چاپ دوم.