مدل توسعه یافته فرگشتی چیست؟

آیا مدلهای امروزی زیست شناسی فرگشتی از نظریه فرگشتی (Evolutionary theory) نیاز به بازنگری (Revision) دارند؟

مطالعات اخیر در حوزه زیست شناسی فرگشتی (Evolutionary biology) محققین را بر آن داشته که بر مبنای شواهد اخیر استدلال کنند که مدل کنونی نظریه فرگشتی که با عنوان “سنتز مدرن فرگشتی” (Evolutionary modern synthesis) شناخته میشود علی رغم استحکام نظری؛ عمق ریاضیاتی و دست آوردهایی که تاکنون داشته، دارای کاستی هایی زیست شناختی نیز هست. بنابراین سنتز مدرن فرگشتی احتمالا به بازنگری اساسی نیاز دارد. زمانی که برای نخستین بار چارلز داروین در کتاب اصل انواع (۱۸۵۹) اصول مکانیسم های فرگشتی را شرح داد مفاهیم بنیادی علم ژنتیک هنوز ناشناخته بودند. مفهوم بنیادی ژن (واحد منتقل کننده اطلاعات وراثتی) و قوانین وراثتی برای نخستین بار در سال ۱۸۶۵ توسط گرگور مندل توصیف شدند. با وجود آنکه ماهیت زیست شناختی فرایند فرگشت؛ کاملا مولکولی و وابسته به فرایندهای ژنتیکی است اما تا مدتها نخستین تفسیر از نظریه فرگشت که همان تفسیر موجود در کتاب اصل انواع بود مورد بازبینی دانشمندان قرار نگرفت، تا اینکه در دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ عده ای از بزرگ ترین زیست شناسان جهان همچون ارنست مایر (زیست شناس تکاملی و تاکسونومیست)؛ جورج سیمپسون(جانورشناس و دیرین شناس)، رونالد فیشر(ژنتیکدان)؛ جان هالدان (زیست شناس فرگشتی و فیزیولوژیست) و بسیاری از دانشمندان دیگر؛ تئوری فرگشتی داروین را با استفاده از دست آوردهای ژنتیک و حوزه های مختلف زیست شناسی مورد بازنگری قرار دادند و مدل جدیدی از فرایندهای تکاملی با عنوان “سنتز تکاملی مدرن”(Evolutionary modern synthesis) را ارائه کردند. سنتز فرگشتی مدرن مهم ترین اصل موضوعه در “نظریه فرگشتی استاندارد”(Standard evolutionary theory) است. پیشرفت های اخیر در عرصه های زیست شناسی تکوینی (Developmental biology)؛ زیست شناسی مولکولی و بیوشیمی (Biochemistry and Molecular biology) ؛ ژنومیک (Genomics) و خصوصا اپی ژنتیک (Epigenomics) توانسته دیدگاه زیست شناسی امروزی را عمیقا تحت تاثیر قرار دهد؛ در نتیجه گروهی از زیست شناسان بر این اعتقاد هستند که سنتز مدرن فرگشتی عمیقا نیازمند بازنگری است چراکه مکانیسم های بسیار بنیادی که امروزه در زیست شناسی سلولی و مولکولی درباره آنها میدانیم (مانند مکانیسم های اپی ژنتیکی که میتوانند منجر به تغییرات عمیق زیست شناختی شوند) در سنتز مدرن فرگشتی نادیده گرفته شده اند. رویکرد اصلی مدل های امروزی در زیست شناسی فرگشتی مبتنی بر تغییرات ژنتیکی در سطح جمعیت های زیستی و متعاقبا تغییرات توالی نوکئوتیدی ماده ژنتیک در سطح گونه هاست .این تغییرات ژنتیکی میتوانند منجر به واگرایی فرگشتی (Evolutionary divergence) شده و کلادهای جدیدی را ایجاد کنند (Cladogenesis). بنیادی ترین رویکرد مطالعه زیست شناسی فرگشتی رویکرد مبتنی بر فرگشت ماکرومولکولهای زیستی (Biomacromalecules) مانند اسیدهای نوکلئیک یا پرونئینها است؛ که به این رویکرد “تکامل مولکولی”(Molecular evolution) میگویند. چارچوب ریاضیاتی نظریه فرگشتی بر اساس فرایندهای تصادفی (Stochastic process) طرح ریزی شده است و تمام مدلهای ریاضیاتی امروزی نظریه تکاملی از توابع آماری و احتمالاتی برای مدلسازی فرایند فرگشت در سطح بیومولکولها بهره میگیرند؛ مدل “فرگشت خنثی” (Neutral evolution) به خوبی اهمیت فرایندهای تصادفی را در فرایند فرگشت اثبات میکند .فرآیندهای تصادفی(Random process) در ماده ژنتیک که از آنها با نام کلی جهش (Mutation) یاد میشود میتوانند منجر به ایجاد تغییرات بنیادی در برنامه ژنتیکی جانداران شوند که این مهم ترین ماده خام برای وقوع فرایند فرگشت است. مهم ترین نکته در مورد رویکرد کنونی نظریه فرگشتی رویکرد “توالی محور” (Sequence-based) است ، به این معنی که در آنالیز فرآیندهای فرگشتی که به آن آنالیز فیلوژنتیکی (Phylogenetic analysis) نیز گفته میشود، صرفا تغییرات توالی ماکرومولکولهای زیستی مورد بررسی قرار میگیرد مانند توالی نوکلئوتیدی DNA و یا توالی های آمینواسیدی پروتئین ها. اما دست آوردهای جدید در زیست شناسی مولکولی بنیان گر این نکته هستند که فرایندهای زیست شناختی در سطوح مولکولی که بنیادی ترین سطوح رخداد فرایندهای فرگشتی هستند، فراتر از صرفا توالی مولکولیهای زیستی است. مکانیسم های ژنتیکی صرفا محدود به توالی نوکلئیک اسیدها (Genome sequence) نیست بلکه نتیجه بیان ژنها در سلول و مکانیسم های شیمیایی تاثیرگذار بر نوکلئیک اسید در سلول ها میتوانند الگوهای بیان ژنی را دچار تغییر کنند که به این مکانیسم “اپی ژنتیک”(Epigenetics) گفته میشود. فرایندهای فرا-ژنتیکی (اپی ژنتیکی) میتوانند بدون تغییر توالی نوکلئیک اسیدها و صرفا با مکانیسم های بیوشیمیایی منجر به تغییر در الگوی بیان ژنها شوند و در نتیجه پروفایل بیان ژنی را تحت تاثیر قرار دهند، این مکانیسم در جانداران نوعی Plasticity محسوب میشود به همین علت مکانیسم های ژنومیک تنها برنامه های زیستی برای کنترل جانداران نیستند بلکه فرایندهای عمیق تری نیز بر پروسه های زیست شناختی تاثیر گذارند. با توجه به این که رویکرد “سنتز مدرن فرگشتی” صرفا فرایندهای ژنومیک را در نظر میگیرد و فرایندهای به شدت تاثیرگذار اپی ژنتیکی را نادیده میگیرد بنابراین مدل امروزی نظریه فرگشتی نیازمند یک بازنگری اساسی در پرتو یافته های جدیدی زیست شناسی مولکولی خصوصا اپی ژنتیک است. به گفته Kevin Laland و همکارانش نظریه فرگشتی نیاز به یک بازنگری اساسی (Paradigm shift) دارد. به علت اینکه این نظریه در حال حاضر پروسه های مهمی که در فرایندهای فرگشتی تاثیرگذار هستند را نادیده گرفته است. زیست شناسانی همچون Kevin Laland و همکارانش استدلال میکنند به خاطر کاستی های موجود در مدل کنونی نظریه فرگشتی این قالب نیاز به بازبینی داشته تا بتوانیم دست آوردهای زیست شناسی مولکولی مدرن را نیز به آن اضافه کنیم. مدل جدید نظریه فرگشتی Extended evolutionary synthesis نام دارد. ذکر این نکته ضروری است که منتقدین سنتز مدرن فرگشتی آن را “اشتباه” نمیدانند بلکه معتقدند فرایندهای زیست شناختی بیشتری باید در مدلسازی نظریه فرگشتی مورد توجه قرار گیرند. یکی از مهمترین اصول بنیادی در این چشم انداز نوین، تکیه بر این حقیقت مهم علمی است که تنها مکانیسم ایجاد کننده تحول زیستی (Transformation) در جانداران صرفا برنامه ژنتیکی نهفته در ژنها و توالی ماده ژنتیکی نیست بلکه فرآیندهایی همچون فرایندهای تکوینی (Developmental process) نیز تاثیرات عمیقی بر جانداران دارند. جانداران در جهت سازش برای زیستن در محیطی که از قبل وجود داشته (Pre-existing environment) فرگشت نمیابند بلکه فرگشت نتیجه برهم کنش میان جانداران و محیطی است که در آن زندگی میکنند که در طی این بر هم کنش هر دو عنصر دچار تغییر و تحول خواهند شد، فرآیندی که به آن Co-construction & Co-evolution گفته میشود. ذکر این نکته که تفسیر کنونی زیست شناسان فرگشتی از فرایند فرگشت دچار کاستی هایی است عمدتا واکنشهای هیجانی توام با خشم و تهمت ها را ایجاد میکند.این واکنش احتمالا به خاطر ترس از طرفداران طراحی هوشمند است. چون احتمال دارد که طرفداران طراحی هوشمند از نظریه Extended evolutionary synthesis سوءاستفاده کرده و آن را دلیلی بر انکار صحت وقوع فرایند فرگشت بدانند. روایت مدل Standard evolutionary theory از فرایند فرگشت بر اساس وقوع جهش های تصادفی در ماده ژنتیکی است که میتوانند منجر به ایجاد تنوع (Diversity) شوند؛ و ساختارهای ژنتیکی سازگارتر با محیط توسط انتخاب طبیعی گزینش شوند.در دیدگاه جدیدتر (Extended evolutionary synthesis) معتقدیم تفکر ژن-محور (Gene-centered theory of evolution) نمیتواند تمامی سازوکارهای مربوط به فریندهای فرگشتی را توضیح دهد. به عنوان مثال چهار سوال کلیدی زیر که هر یک نشانگر فرآیندهای مهم فرگشتی هستند را در نظر بگیرید:
۱–چگونه فرایندهای تکوینی فیزیکی میتوانند بر تنوع تاثیر گذار باشند؟ (Developmental bias)
۲-چگونه محیط میتواند ویژگیهای زیست شناختی گونه ها را تغییر دهد؟ (Plasticity)
۳- چگونه جانداران میتوانند محیط را دچار تغییر کنند؟ (Niche construction)
۴- چگونه جانداران چیزی فراتر از ژنها را به نسلهای بعد منتقل میکنند؟ (Extra-genetic inheritance)
در تفسیر Standard evolutionary theory مکانیسم های ذکر شده در بالا “نتیجه فرایندهای فرگشتی” هستند اما در مدل توسعه یافته فرگشتی ((Extended evolutionary synthesis این مکانیسم ها “علت وقوع فرایندهای فرگشتی” هستند. بنابراین فرایندهای زیست شناختی تکوینی (Developmental bioprocess)، فرایندهای زیست شناختی فرگشتی-تکوینی (Evolutionary-Developmental bioprocess) و فرایند های وراثتی فرا-ژنتیکی (Extra-genetic inheritance) میتوانند رویکرد جدیدی را به زیست شناسی فرگشتی عرضه کنند که تاکنون در سنتز مدرن فرگشتی از آنها غافل بوده ایم. مدل جدید نظریه فرگشتی (Extended evolutionary synthesis) در واقع رویکردی کاملا مادی گرایانه (Materialistic) و یا طبیعت گرایانه ((Naturalistic به فرایندهای فرگشتی است که دقیقا اساس فرایندهای فرگشتی را محدود به ماده ژنتیکی میداند اما مکانیسم های مولکولی دیگری را نیز در کنار مکانیسم های شناخته شده امروزی مسئول پیش برد این فرایند میداند. فرایندهای فرگشتی همچنان در رویکرد جدید نیازی به “طراح” یا “هادی” ندارند و کاملا فرایندهایی تصادفی و بدون نیاز به طراح هستند. تنها تفاوت نگرش جدید در زیست شناسی فرگشتی نسبت به نگرش قدیمی تر؛ در نظر گرفتن فاکتورهای زیست شناختی دیگری است که تاکنون این مکانیسم ها را چندان مورد توجه قرار نمیدادیم.

منابع:
۱-http://www.nature.com/news/does-evolutionary-theory-need-a-rethink-1.16080
۲-Bock, Walter J. (July 1981). “Reviewed Work: The Evolutionary Synthesis. Perspectives on the Unification of Biology”. The Auk. McLean, VA: American Ornithologists’ Union. 98 (3): 644–۶۴۶٫ ISSN 0004-8038
۳-Dawkins, Richard (2006). The Selfish Gene (3 ed.). Oxford University Press. p. 88. ISBN 978-0-19-929115-1
۴-Dietrich, Michael R. (1998). “Paradox and Persuasion: Negotiating the Place of Molecular Evolution within Evolutionary Biology”. Journal of the History of Biology. 31 (1): 85–۱۱۱٫ doi:10.1023/A:1004257523100. PMID 11619919
۵-King, J.L. & Jukes, T.H. (1969). “Non-Darwinian Evolution” (PDF). Science. 164 (3881): 788–۷۹۸٫ Bibcode:1969Sci…164..788L. doi:10.1126/science.164.3881.788. PMID 5767777
۶-Jukes TH & Cantor CR (1969). Evolution of Protein Molecules. New York: Academic Press. pp. 21–۱۳۲
۷-Felsenstein J (1981). “Evolutionary trees from DNA sequences: a maximum likelihood approach”. Journal of Molecular Evolution. 17 (6): 368–۳۷۶٫ doi:10.1007/BF01734359. PMID 7288891
۸-West-Eberhard, M. J. Developmental Plasticity and Evolution (Oxford Univ. Press, 2003).