دگرگشت زیستی

دگرگشت زیستی

فرایند تغییر و تنوع در موجودات زنده، در طول زمان، دگرگشت زیستی نام دارد. دگرگشت زیستی بر روی جنبه‌های مختلف زندگی جانداران از جمله مورفولوژی، فیزیولوژی، اکولوژی و رفتار آن‌ها اثر میگذارد. زمینه‌ساز اين تغييرات، تغيير در ماده‌ي وراثتي يا DNA است.

مفهوم دگرگشت زیستی

دگرگشت زیستی به معنای تغییر در فرآوانی آلل‌های یک جمعیت، در طول زمان است. در دگرگشت زیستی، تغییرات ژنتیکی در بین نسلهاي يک جمعيت رخ مي‌دهد. موجودات مختلف طی این فرآیند با محیط زیست خود سازگارتر می‌شوند و دگرگشت میابند. لازم به ذکر است که دگرگشت در سطح جمعيت رخ مي‌دهد و نه در سطح فرد.

دو مکانیسم اصلی دگرگشت زیستی، انتخاب طبیعی و تنوع ژنتیکی هستند. تنوع ژنتیکی توسط عواملی مانند نوترکیبی و جهش رخ می‌دهد. انتخاب طبیعی نیز فرآیندی است که طی آن برخی از صفات در جمعیت افزایش یا کاهش میابند. این افزایش و کاهش فراونی صفات، بر اساس میزان اثر آن‌ها بر بقا و موفقیت تولید مثلی جاندار، رخ می‌دهد. به کمک این دو مکانیسم افراد سازگارتر، ژن‌های خود را به میزان بیشتری نسب به سایرین، به نسل بعد انتقال می‌دهند. بنابراین با گذر زمان فرآوانی این صفات مفید در جمعیت افزایش میابد.

تنوع ژنتيکي، اساس دگرگشت

چارلز داروين همواره بر اهميت وجود تفاوت‌هاي وراثتي بين افراد تاکيد داشت. داروين مي‌دانست که وجود صفات وراثتی متفاوت بین افراد است که انتخاب طبیعی را ممکن می‌سازد، اما او نمی‌دانست که جانداران چگونه صفات خود را به فرزندانشان منتقل می‌کنند. چند سال پس از انتشار کتاب خاستگاه گونه‌هاي داروين، مندل در مقاله‌ی خود در مورد وراثت در گیاه نخود فرنگی، الگوی وراثتی خاصی را مطرح کرد. طبق این الگو، جانداران صفات را از طریق واحدهای وراثتی، که امروزه ژن نامیده میشوند به فرزندانشان منتقل می‌کنند.

هر فرد ژنوم مخصوص به خود را دارد. طبق این ژنوم، فنوتیپ‌هایی مثل قد، رنگ پوست و صدا بروز پیدا می‌کنند. این تنوع فردی در جمعیت‌هاي مربوط به تمام گونه‌ها ديده مي‌شود. برخي صفات وراثتي مانند گروه خوني نيز وجود دارد که در سطح مولکولي قابل مشاهده هستند. بايد توجه داشت که تمام فنوتيپ‌ها وراثتی نیستند. فنوتیپ محصول برهمکنش ژنتیک و عوامل محیطی است و تنها صفات ژنتیکی به نسل بعدی منتقل می‌شود. برای مثال افراد بدنساز فنوتیپ خود را تا حد زیادی تغییر می‌دهند، ولی نمی‌توانند عضلات حجیم خود را به نسل بعد منتقل کنند.

تنوع ژنتيکي چگونه به‌وجود مي‌آيد؟

تنوع ژنتیکی زمانی به‌وجود می‌آید که آلل‌ها و ژن‌هاي جديدي از طريق جهش به وجود بیایند. توليدمثل جنسي نيز مي‌تواند باعث ايجاد چيدماني جديد در ژن‌ها شود که همین امر باعث تنوع ژنتیکی می‌شود.

در صورتی که تغییر ژنتیکی در حد یک باز آلی در ژن رخ دهد، جهشِ رخ داده، جهش نقطه‌ای نام دارد. این جهش گاهی تاثیر مهمی بر روی فنوتیپ دارد. اما احتمال کمی وجود دارد که فنوتیپ را در جهت بهتر شدن تغییر دهد. اما در موارد نادری آلل‌هاي جهش يافته، سازگاری جاندار را افزايش ميدهند و موجب افزايش موفقيت توليدمثلي آن مي‌شوند.

جهش‌هايي که تعداد يا جايگاه ژن را تغيير مي‌دهند، جهش‌های کروموزومی نام دارند. اغلب این جهش‌ها مضر هستند. اما در موارد نادری ممکن است مفید واقع شوند. مضاعف شدن ژن(Gene duplication) از جمله جهش‌های کروموزومی است و یکی از منابع مهم ایجاد گوناگونی به شمار می‌رود.

مضاعف شدن ژنی میتواند ناشی از خطاهای میوزی مثل کراسینگ اور نامساوی، خطا حین همانندسازی و یا فعالیت ترنسپوزون‌ها باشد. در صورتي که مضاعف شدگي در مقياس کوچک رخ دهد و آثار شديدي بر روي جاندار نداشته باشد، مي‌تواند در نسل‌هاي بعدي نيز حفظ شود. ممکن است این ژن، بر اثر انتخاب‌هايي که در آينده صورت مي‌گيرد، عملکرد تازهای پیدا کند. این چنین افزایش‌هاي مفيد نقش مهمي در دگرگشت دارند. براي مثال، اجداد دور پستانداران حامل ژن منحصربه‌فردي براي تشخیص بوها بودند. اين ژن به واسطه‌ی انواع مکانیسم‌هاي جهشي چندين بار مضاعف شده است. در نتيجه امروزه، انسان و موش به ترتيب حدود 1000 و 13000 ژن گيرندهي بويايي دارند.

در جانداراني که توليد مثل جنسي دارند، بخش اعظمي از تنوع ژنتيکي بر عهده‌ي توليدمثل جنسي است. مکانيسم‌های تولیدمثل جنسی آلل‌های موجود را مخلوط کرده و آنها را در جهت ایجاد افراد با ژنوتیپ متفاوت، به طور تصادفی توزیع میکند. سه مکانیسم مسئول این مخلوط کردن هستند. کراسینگ اور، جور شدن مستقل کروموزوم‌ها و لقاح. در جریان میوز، کروموزوم‌های همتا برخی از آلل‌هایشان را از طریق کراسینگ اور مبادله می‌کنند.

سپس کروموزوم‌ها و آللهايي که حمل مي‌کنند به طور تصادفي بين گامت‌ها توزيع مي‌شوند. هنگام لقاح، هزاران حالت آميزشي متفاوت بين گامت‌ها وجود دارد. اين امر گامت‌های افراد با زمینه‌ی ژنتیکی متفاوت را گرد هم میآورد. مجموع این سه مکانیسم باعث بازآرایی آلل‌ها به صورت ترکيبات تازه در هر نسل مي‌شود و بخش اصلي تنوع ژنتيکي براي وقوع دگرگشت را فراهم مي‌سازد.

دگرگشت در سطح ژن

دگرگشت در کوچکترين مقياس خود، دگرگشت خرد نام دارد. دگرگشت خرد عبارت است از تغيير فرآواني آلل‌ها در يک جمعيت در طي چندين نسل. سه مکانيسم اصلي انتخاب طبيعي، رانش ژنتيکي و شارش ژن، سبب تغيير در فراواني آلل‌ها مي‌شوند. در بين اين سه مکانيسم، تنها انتخاب طبيعي مي‌تواند سبب بهبود سازگاري بين جانداران و محيط شوند. دو مکانسيم شارش ژن و رانش ژنتيکي نيز مي‌توانند فراواني آلل‌هاي سازگار با محيط را افزایش دهند، اما اين عمل در آنها پيوسته نيست. رانش ژنتيکي به همان اندازه که مي‌تواند فراواني آلل مفيد را افزايش دهد، ميتواند فراواني آن را کاهش نيز بدهد. به همين صورت شارش ژن ممکن است آللهاي مفيد و يا آللهای زیان‌بار را وارد جمعیت کند.

رانش ژنتیکی

رانش ژنتیکی تغییر در فراوانی یک ژن موجود، به دلایل تصادفی است. به مثال زیر توجه کنید. در این تصویر دو گروه از یک گونه حشره را می‌بینیم. لگدمال شدن باعث مرگ برخی از افراد این جمعیت می‌شود. همانطور که در تصویر پیداست، در اینجا رنگ سبز حشرات به سازگاری آنها کمکی نمی‌کند ولی به طور تصادفی بقا در این رنگ بیشتر شده است. بنابراین حشرات سبز رنگ، بیشتر می‌توانند ژنهای خود را به نسل بعد منتقل کنند. در نسل‌های بعد نیز احتمالا، صفات مربوط به حشرات سبز رنگ، فراوانی بیشتری در جمعیت دارند.

شارش ژن

شارش ژن به انتقال مواد ژنتیکی از جمعیتی به جمعیتی دیگر گفته می‌شود. طی این پدیده، یک جمعیت می‌تواند تعدادی آلل بدست بیاورد و یا از دست بدهد. اگر بین دو جمعیت شارش ژنی زیادی برقرار باشد، به‌تدریج تفاوت بین دو جمعیت کمتر می‌شود. در شرایطی ممکن است رانش ژنی آللی را منتقل کند که سازگاری جمعیت با محیط را افزایش می‌دهد. به عنوان مثال شارش ژنی موجب گسترش چندین آلل مقاومت به حشره‌کش در حشرهی Culex pipiens (ناقل انواع بیماری‌های ویروسی) در سراسر جهان شده‌است.

انتخاب طبيعي و ژن‌ها

دگرگشت ترکيبي از تصادف و انتخاب است. تصادف(شانس) باعث ايجاد تنوعات ژنتيکي مي‌شود. انتخاب نيز همان انتخاب طبيعي است که برخي آلل‌ها را به ديگر آلل‌ها ترجیح می‌دهد. به دلیل وجود این فرآیند ترجیحی، نتیجه‌ی انتخاب طبیعی تصادفی نیست. بلکه انتخاب طبیعی به طور پیوسته فرآوانی آلل‌هاي توليدمثلي مفيد را افزايش داده و باعث دگرگشت سازشي مي‌شود. برتری سازشی منجر به شایستگی نسبی می‌شود. سهمی که هر فرد نسبت به دیگر افراد در خزانه‌ی ژنی نسل بعد دارد، شایستگی نسبی نام دارد. ما اغلب به شایستگی نسبی یک ژنوتیپ اشاره می‌کنیم، در صورتی که انتخاب طبیعی بر روی فنوتیپ‌ها اثر میگذارد. ژنوتیپ بر روی فنوتیپ اثر میگذارد پس انتخاب طبیعی به صورت غیرمستقیم بر روی ژنوتیپ عمل می‌کند.

انتخاب جنسی، نوعی انتخاب طبیعی است. طی انتخاب جنسی، افرادی که برخی صفات وراثتی را دارا هستند نسبت به سایر افراد، شانس بیشتری برای یافتن جفت دارند. در برخی موجودات انتخاب جفت رخ می‌دهد. در این حالت یک جنس(معمولا ماده) میتواند جفت خود را از بین افراد جنس مخالف انتخاب کند. این انتخاب در بسیاری از حالات به خودنمایی و رفتار جنس مخالف ربط دارد. بر اساس تئوریgood genes ، ماده‌ها صفاتی را در نرها ترجیح می‌دهند که در ارتباط با ژن‌هاي خوب باشند. اگر صفاتي که ماده‌ها ترجيح مي‌دهند نشان‌دهنده‌ي کيفيت ژنتيکي بالاي فرد نر باشد، فرآواني صفات فرد نر و خود فرد ماده افزايش ميابد. براي مثال در برخي پرندگان، ماده‌ها صفاتي در نرها را ملاک قرار مي‌دهند که نشان‌دهنده‌ی سلامت آن‌ها باشد. پژوهش‌هایی مشخص کرده‌اند که این نرها حامل ژن‌هايي هستند که وجود يک سيستم ايمني قوي را تضمين مي‌کند. مثال ديگر فنچ‌هاي(Carpodacus mexicanus) هستند. فنچ‌هاي ماده، نرهايي با رنگ روشن و رنگارنگ را ترجيح مي‌دهند. اين نرها در طول زمستان احتمال بقاي بيشتري دارند. اين انتخاب ماده‌ها باعث افزايش بقاي فرزندان مي‌شود.

برتری هتروزیگوتی

ممکن است افرادی که برای یک جایگاه ژنی خاص هتروزیگوت هستند، شایستگی بیشتری نسبت به هوموزیگوت‌ها داشته باشند. در این صورت انتخاب طبیعی میل به حفظ دو یا چند آلل موجود در آن جایگاه ژنی دارد. برتری هتروزیگوتی در ژنوتیپ رخ می‌دهد. یک مثال معروف در این مورد، مقاومت هتروزیگوت‌ها در برابر مالاریا است. این مثال مربوط به جایگاه ژنی است که زیرواحد بتا هموگلوبین در آن رمز می‌شود. در افراد هوموزیگوت بیمار، آلل مغلوب منجر به داسی شدن گلبول قرمز می‌شود که عوارضی جدی را در پی دارد. در افراد هتروزیگوت این داسی شدن در مقیاس کمتر و در شرایط خاصی صورت می‌گیرد. افراد هتروزیگوت در برابر عوارض حاد مالاریا مقاوم‌تر هستند. بنابراین در مناطقی که مالاریا شایع است، فراوانی آلل داسی شکل بالا است.

ژن‌های سودمند

در اینجا چند مثال از ژن‌هاي سودمند و سهم آن‌ها در دگرگشت موجودات را بررسي مي‌کنيم:

• ژن تداوم تولید لاکتاز

لاکتوز قند موجود در شير است. ژن خاصی باعث توانايي هضم لاکتوز توسط فرد مي‌شود. در جوامعي که براي مدت طولاني داراي صنعت دامداري بوده‌اند، جهشی باعث شده تا لاکتاز(آنزيم تجزيه‌کننده‌ي لاکتوز) در بزرگسالي نيز در بدن توليد شود. به اين صورت افراد مي‌توانند لاکتوز را هضم کنند و از فوايد غذایی شير و لبنيات بهره ببرند.

• ژن مقاومت به آنتی‌بيوتيک در باکتري‌ها

باکتری‌ها از طریق مکانیسم‌هایی مثل جهش، میتوانند ژن‌هایی را بدست بیاورند که آنها را در برابر برخي آنتي‌بيوتيک‌ها مقاوم مي‌کنند. باکتری‌های حامل این ژن‌ها، در حضور آنتی بیوتیک به بقا ادامه می‌دهند در صورتی که دیگر باکتری‌ها از بين مي‌روند. در اين شرايط امکان تقسيم و توليدمثل براي باکتري مقاوم بيشتر است. بنابراين فراواني اين ژن‌ها در نسل‌هاي بعد افزایش ميابد.

• ژن توليد ملاتونين

ملاتونين رنگدانه‌ي موجود در پوست، چشم و موهاي انسان است. ژن‌هاي دخيل در توليد ملاتونين نقش مهمي در دگرگشت انسان داشته‌اند. توليد ملاتونين انسان‌هاي اوليه‌ی مناطق آفتابي را در برابر نور فرابنفش خورشيد حفظ می‌کرد. اين رنگدانه احتمال بروز سرطان پوست را نيز کاهش مي‌دهد.

• ژن‌هاي تحمل به سرما

موجودات ساکن مناطق سرد مانند قطب جنوب و قطب شمال، از طريق دگرگشت ژن‌هاي مقاومت به سرما، با اين محيط‌ها سازگار شده.اند. این ژ‌ن‌ها پروتئين‌هاي ضدانجماد و گرماشوک(heat-shock) را کد مي‌کنند. همچنين مي‌تواند باعث به راه انداختن مکانيسم‌هايي شوند که منجر به تداوم فعاليت‌هاي سلولي در دماهاي پايين می‌شوند.

نویسنده: مبینا جاویدی

منابع:

1. بیولوژی کمپل؛ ترجمه‌ی خانه‌ی زیست‌شناسی

2. The Evolution of Antibiotic Resistance” by Michael Baym et al. (Nature Reviews Genetics, 2016)

3. Human Lactase Persistence: A Recent Acquisition” by Sarah A. Tishkoff et al. (American Journal of Human Genetics, 2007)

4. The Genetic Basis of Cold Tolerance in Plants” by Michael F. Thomashow (Science, 2010)

5. Human Skin Pigmentation as an Adaptation to UV Radiation” by Nina G. Jablonski and George Chaplin (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010)

6. https://www.encyclopedia.com/science-and-technology/biology-and-genetics/biology-general/biological-evolution