سبب غير متوقع لوجود أشكال الحياة المعقدة
لم يكن تشارلز داروين في الثلاثين من عمره عندما تمكن بالفعل من تشكيل أسس نظرية التطور. لكنه لم يكشف عن منطقه للعالم حتى بلغ الخمسين من عمره. وعلى مدى عقدين من الزمن ، جمع بشكل منهجي أدلة على نظريته وأخرج إجابات على جميع الحجج المضادة المتشككة التي يمكن أن يتخيلها. وكانت الحجة المضادة الأكثر توقعًا هي أن العملية التطورية التدريجية لا يمكن أن تؤدي إلى ظهور بعض الهياكل المعقدة.خذ عين الإنسان. يتكون من العديد من الأجزاء - الشبكية ، العدسة ، العضلات ، الهلام ، إلخ. - ويجب أن يتفاعلوا جميعًا لتوفير الرؤية. إتلاف جزء واحد ، وهذا يمكن أن يؤدي إلى العمى. تعمل العين فقط إذا كان لجميع أجزائها الحجم والشكل المناسبين للعمل معًا. إذا كان داروين على حق ، فإن العين المعقدة تطورت من أسلاف أبسط. في كتاب أصل الأنواع ، كتب داروين أن هذه الفكرة "تبدو ، وأنا أعترف بها صراحة ، سخيفة بشكل لا يصدق."لكن داروين كان قادراً على رؤية مسار تطور التعقيد. في كل جيل ، اختلفت خصائص الأفراد. زادت بعض الخيارات من بقائهم وسمح لهم بترك المزيد من الذرية. على مر الأجيال ، أصبحت هذه المزايا أكثر انتشارًا - أي أنها "تم اختيارها". في الظهور والانتشار ، يمكن لعب المتغيرات الجديدة بالتشريح وتوليد الهياكل المعقدة.جادل داروين بأن العين البشرية يمكن أن تتطور من رقعة بسيطة من الأنسجة تستجيب للضوء ، مثل الديدان المفلطحة اليوم. الانتقاء الطبيعي يمكن أن يحول هذه المنطقة إلى عطلة قادرة على التعرف على اتجاه الضوء. بعد ذلك ، ستعمل خاصية إضافية مع التعمق بشكل أكبر ، لتكييف الكائن الحي مع الظروف المحيطة ، وسوف ينتقل هذا السلف الوسيط للعين إلى الأجيال اللاحقة. خطوة بخطوة ، سيؤدي الانتقاء الطبيعي إلى زيادة التعقيد ، لأن كل شكل وسيط سيكون له ميزة على الشكل السابق.وجد تفكير داروين حول أصل التعقيد دعمًا في علم الأحياء الحديث. اليوم ، يمكن لعلماء الأحياء فحص العين والأعضاء الأخرى بالتفصيل ، وعلى المستوى الجزيئي العثور على بروتينات معقدة للغاية تتحد لتكوين هياكل تتشابه بشكل مدهش مع الأحزمة الناقلة والمحركات والصمامات. يمكن أن تأتي أنظمة البروتين المعقدة هذه من أنظمة أبسط عندما يلعب الانتقاء الطبيعي لصالح المتغيرات المتوسطة.ولكن في الآونة الأخيرة ، اقترح بعض العلماء والفلاسفة أن التعقيد يمكن أن يظهر بطرق أخرى. يجادل البعض في أن الحياة تميل إلى أن تصبح أكثر تعقيدًا بمرور الوقت. يقترح آخرون أنه في عملية حدوث الطفرات العشوائية ، يكون التعقيد أثرًا جانبيًا ، حتى بدون مساعدة الانتقاء الطبيعي. يقولون أن التعقيد ليس فقط نتيجة ملايين السنين من الضبط الدقيق من خلال الانتقاء الطبيعي ، وهي عملية أطلق عليها ريتشارد داوكينز "صانع الساعات الأعمى". يمكن القول أن هذا يحدث فقط.مجموع الأجزاء القابلة للتغيير
لقد فكر علماء الأحياء والفلاسفة في تطور الهياكل المعقدة لعقود ، ولكن وفقًا لدانيال دبليو ماكشي ، عالم الحفريات القديمة في جامعة ديوك ، فقد أعاقتهم غموض التعريفات. المشكلة ليست فقط أنهم لا يعرفون كيفية تحديد ذلك. يقول ماكشي ، إنهم لا يعرفون ماذا يقصدون بهذه الكلمة.يعمل ماكشي منذ عدة سنوات مع روبرت ن. براندون في جامعة ديوك. يقترح ماكشي وبراندون الانتباه ليس فقط إلى عدد الأجزاء التي تتكون منها الكائنات الحية ، ولكن أيضًا إلى أنواع هذه الأجزاء. تتكون أجسامنا من 10 تريليون خلية. إذا كانوا جميعًا من نفس النوع ، فسنكون أكوامًا من البروتوبلازم بدون ميزات. بدلاً من ذلك ، لدينا خلايا عضلية وخلايا الدم الحمراء وخلايا الجلد ، إلخ. حتى في عضو واحد يمكن أن يكون هناك أنواع مختلفة من الخلايا. هناك 60 نوعًا مختلفًا من الخلايا العصبية في شبكية العين ، يؤدي كل منها مهمته. يسمح لنا هذا النهج بالقول أن الناس أكثر تعقيدًا بشكل فريد من حيوان مثل الإسفنج ، الذي يحتوي على ستة أنواع فقط من الخلايا.إحدى مزايا هذا التعريف هي القدرة على قياس التعقيد بعدة طرق. توجد في الهياكل العظمية لدينا أنواع مختلفة من العظام ، لكل منها شكل معين. حتى العمود الفقري يتكون من أجزاء مختلفة ، من الفقرات في الرقبة التي تحمل الرأس إلى تلك التي تدعم الصدر.في كتابهم لعام 2010 ، وصف قانون الأحياء الأول ، ماكشي وبراندون طريقة يمكن بها إنشاء الهياكل المعقدة التي يتم تعريفها بهذه الطريقة. يجادلون بأن عدة أجزاء ، متشابهة إلى حد ما في البداية ، يجب أن تبدأ في الاختلاف مع مرور الوقت. عندما تتكاثر الكائنات الحية ، يمكن أن يتحول واحد أو أكثر من جيناتها. في بعض الأحيان ، بسبب الطفرات ، تظهر أنواع جديدة من الأجزاء. إذا كان الجسم يحتوي على المزيد من المكونات ، فلديه فرصة للبدء في الاختلاف. بعد نسخ الجين عن طريق الخطأ ، يمكن لنسخته التقاط طفرات ليست في الجين الأصلي. لذلك ، بدءًا بمجموعة من الأجزاء المتطابقة ، يمكنك أن ترى كيف تبدأ تدريجياً في الاختلاف أكثر فأكثر عن بعضها البعض. أي أن تعقيد الجسم يزداد.زيادة التعقيد يمكن أن يساعد الجسم على البقاء على قيد الحياة بشكل أفضل ، أو ترك المزيد من النسل. في هذه الحالة ، سوف ينتقي الانتقاء الطبيعي هذا الاتجاه وينشره على السكان. على سبيل المثال ، في الثدييات ، يعمل حاسة الشم عن طريق ربط جزيئات الرائحة بمستقبلات على النهايات العصبية في الأنف. لقد تم تكرار جينات المستقبل بشكل مستمر لملايين السنين. تتحول نسخ جديدة وتسمح للثدييات برائحة المزيد من الروائح. الحيوانات التي تعتمد على الروائح ، مثل الفئران والكلاب ، لديها أكثر من 1000 جين لهذه المستقبلات. من ناحية أخرى ، يمكن أن يكون التعقيد عبئا. يمكن للطفرات ، على سبيل المثال ، تغيير شكل الفقرات ، مما يجعل دوران الرأس صعبًا. سوف يمنع الانتقاء الطبيعي هذه الطفرات من الانتشار على السكان. تموت الكائنات الحية بهذه الخصائص عادة قبل التكاثر ،وبالتالي إزالة الخصائص الضارة من التداول. في هذه الحالات ، يعمل الانتقاء الطبيعي ضد التعقيد.على عكس نظرية التطور المعتادة ، تظهر نظرية ماكسي وبراندون زيادة في التعقيد حتى في غياب الانتقاء الطبيعي. يعتبرون هذا قانونًا أساسيًا في علم الأحياء - ربما القانون الوحيد. أطلقوا عليه قانون تطور القوة الصفرية.اختبار ذبابة الفاكهة
في الآونة الأخيرة ، قام ماكشي وليونور فليمنج ، وهو طالب دراسات عليا في جامعة ديوك ، باختبار قانون تطور القوة الصفرية. أصبح الذباب ذبابة الفاكهة الموضوعات. لأكثر من مائة عام ، قام العلماء بزراعة أسراب من هذه الذباب لاستخدامها في التجارب. في بيوت المختبرات ، يعيش الذباب حياة مدللة ، ولديهم مصدر ثابت للغذاء ومناخ دافئ ودافئ. على أقاربهم المتوحشين التعامل مع الجوع والحيوانات المفترسة والبرودة والحرارة. يتدخل الانتقاء الطبيعي بنشاط في حياة الذباب البري ، ويقضي على الطفرات التي لا تسمح له بالتعامل مع تجاربه العديدة. في بيئة مختبرية محمية ، يتجلى الانتقاء الطبيعي بشكل سيء للغاية.المختبر ذبابة الفاكهة أكثر تعقيدًا من تلك البرية ، لأنه حتى الطفرات غير الناجحة تنتشر في بيئة محمية. هذه الذبابة لها عيون على شكل مستطيلات ،
أصغر من الذباب العادي.يعطي قانون تطور القوة الصفرية تنبؤًا واضحًا: على مدى المائة عام الماضية ، خضع الذباب المختبري لإضعاف الطفرات الضائرة ، وبالتالي كان يجب أن يصبح أكثر تعقيدًا من الطفرات البرية.درس فليمينغ ومكشي المؤلفات العلمية حول 916 أنساب الذباب المختبري. لقد أجروا العديد من الأبعاد لتعقيد كل مجتمع. أفادوا مؤخرًا في مجلة Evolution & Development أن الذباب المختبري كان بالفعل أصعب من الذباب البري.على الرغم من أن بعض علماء الأحياء يدعمون قانون تطور القوة الصفرية ، إلا أن دوغلاس إروين ، عالم الحفريات الرائد في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي ، يعتقد أن لديه عيوبًا خطيرة. قال: "إن أحد الافتراضات الأساسية له لا ينجح". وفقا للقانون ، يمكن أن يزداد التعقيد في غياب الاختيار. لكن هذا لن يكون صحيحًا إلا إذا كانت الكائنات الحية موجودة خارج تأثير الانتقاء. في الحياة الواقعية ، حتى إذا تم الاعتناء بهم بشكل أعمى من قبل العلماء الذين يعشقونهم ، فإن الاختيار لا يزال يعمل. لكي يتطور حيوان مثل الذبابة بشكل صحيح ، يجب أن تتفاعل المئات من الجينات في نظام معقد ، وتحويل خلية واحدة إلى العديد ، وتنمو الأعضاء المختلفة ، إلخ. يمكن أن تؤدي الطفرات إلى تعطيل هذا الكوريغرافيا وتمنع الذباب من النمو في البالغين القادرين على الحياة.يمكن أن يوجد كائن حي بدون اختيار خارجي - بدون أن تحدد البيئة من فاز ومن خسر في السباق التطوري - لكنه سيظل يخضع لانتقاء داخلي يحدث داخل الكائنات الحية. يعتقد إروين أنه في العمل الجديد ، لا يقدم Maxey و Fleming أدلة على قانونهما ، لأنهما "يدرسان خيارات البالغين فقط". لا يأخذ الباحثون في الاعتبار المسوخ الذي مات بسبب إعاقات في النمو قبل بلوغهم مرحلة النضج ، على الرغم من الابتعاد عن العلماء.بعض الحشرات لها أرجل غير مستوية. البعض الآخر لديه أنماط جناح معقدة. يتغير شكل أجزاء هوائياتها. تحررا من الانتقاء الطبيعي ، ساروا في التعقيد.اعتراض آخر من إروين ونقاد آخرين - خيار التعقيد من Makshe و Brandon لا يتفق مع كيفية تعريف معظم الناس له. بعد كل شيء ، يتم تحديد العين ليس فقط من خلال وجود عدة أجزاء. هذه الأجزاء ، تعمل معًا ، تقوم ببعض الأعمال ، ولكل منها مهمته الخاصة. لكن ماكسي وبراندون يعتقدون أن التعقيد الذي يدرسونه يمكن أن يؤدي إلى أنواع أخرى من التعقيد. يقول ماكشي: "التعقيد الذي نلاحظه في سكان ذبابة الفاكهة يخدم كأساس لظواهر مثيرة للاهتمام للغاية يمكن أن يدفعها الانتقاء" لبناء هياكل معقدة تعمل على ضمان البقاء.التعقيد الجزيئي
بصفته عالمًا في علم الحفريات القديمة ، يتم استخدام مكشي للتفكير في التعقيد الموجود في الحفريات - على سبيل المثال ، العظام التي يتكون منها الهيكل العظمي. في السنوات الأخيرة ، بدأ العديد من علماء الأحياء الجزيئية بشكل مستقل في التكهن بأسباب التعقيد في نفس الوريد مثله.في التسعينات ، بدأت مجموعة من علماء الأحياء الكنديين في دراسة حقيقة أنه لم يكن هناك تأثير واضح لطفرات معينة على الجسم. في لغة البيولوجيا التطورية ، يطلق عليهم المحايد. اقترح العلماء ، من بينهم مايكل جراي من جامعة دالهوزي في هاليفاكس ، أن هذه الطفرات يمكن أن تؤدي إلى ظهور هياكل معقدة ، متجاوزة الخيارات المتوسطة المختارة لمساعدتهم في تكييف الجسم مع البيئة. وقد أطلقوا على هذه العملية "التطور المحايد البناء".استلهم جراي من الدراسات الحديثة التي تقدم أدلة مثيرة للاهتمام للغاية لوجود تطور محايد بناء. أحد قادة هذه الدراسة هو جو ثورنتون من جامعة أوريغون. وجد هو وزملاؤه مثالاً على هذا التطور في الخلايا الفطرية. في الفطر مثل الفطر ثنائي الشرف ، تحتاج الخلايا إلى تحريك الذرات من مكان إلى آخر للحفاظ على الحياة. لهذا ، يستخدمون ، على وجه الخصوص ، مضخات جزيئية تسمى "مجمع أدينوزين ثلاثي الفوسفات الفراغي" [V-ATPase]. ترسل الحلقة البروتينية الدوارة الذرات من جانب واحد من الغشاء في الفطريات إلى الجانب الآخر. من الواضح أن هذا الخاتم هو هيكل معقد. يحتوي على ستة جزيئات بروتين. أربعة منها تتكون من بروتين Vma3 ، الخامس - Vma11 ، السادس - Vma16. وجميع الأنواع الثلاثة من البروتينات ضرورية لدوران الحلقة.مثال على كيفية تطور بنية معقدة دون مساعدة الاختيار. أ) يرمز الجين (أ) إلى بروتين بهيكل يسمح لثمانية من نسخه بالتجمع في حلقة. ب) يتم نسخ الجين بشكل عشوائي. في البداية ، يمكن تحويل نوعين من البروتينات إلى حلقة بأي ترتيب. ج) الطفرات تزيل بعض الأماكن التي تربط البروتينات. يمكن الآن دمج البروتينات بطريقة معينة فقط. أصبحت الحلقة أكثر صعوبة ، ولكن ليس بسبب الانتقاء الطبيعي.لمعرفة كيفية ظهور هذا الهيكل المعقد ، قارن ثورنتون وزملاؤه البروتينات مع إصداراتها ذات الصلة في الكائنات الحية الأخرى ، على سبيل المثال ، في الحيوانات (كان لدى الفطر والحيوانات سلف مشترك عاش قبل مليار سنة).في الحيوانات ، تتكون مجمعات V-ATPase أيضًا من حلقات دوارة تتكون من ستة بروتينات. لكن لديهم اختلافًا أساسيًا: بدلاً من الأنواع الثلاثة من البروتينات هناك نوعان فقط. تتكون كل حلقة حيوان من خمس نسخ من Vma3 و Vma16 واحدة. ليس لديهم Vma11. من خلال تعريف التعقيد من ماكشي وبراندون ، فإن الفطر أكثر تعقيدًا من الحيوانات - على الأقل في منطقة V-ATPase.لقد درس العلماء عن كثب الجينات التي ترميز بروتينات الحلقات. تبين أن Vma11 ، الفريد من نوعه للفطريات ، هو قريب قريب من Vma3 في الحيوانات والفطريات. أي أن جينات Vma3 و Vma11 يجب أن يكون لها أسلاف مشتركة. خلص ثورنتون وزملاؤه إلى أنه في مكان ما في بداية تطور الفطريات ، تم نسخ جين سلف بروتين الحلقة بطريق الخطأ. تطورت هاتان النسختان إلى Vma3 و Vma11.بدراسة الاختلافات بين جينات Vma3 و Vma11 ، أعاد ثورنتون وزملاؤه إنشاء جين سلفهم. ثم استخدموا تسلسل الحمض النووي هذا لإنشاء البروتين المقابل - إحياء بروتين قبل 800 مليون سنة. أطلقوا عليه اسم Anc.3-11 ، اختصارًا لـ "سلف Vma3 و Vma11". كانوا يتساءلون كيف ستعمل حلقة البروتين مع هذا البروتين. أدخلوا الجين Anc.3-11 في DNA الخميرة وأوقفوا أيضًا نسل هذا الجين ، Vma3 و Vma11. في ظل الظروف العادية ، فإن تعطيل هذه الجينات سينتهي بشكل سيء بالنسبة للخميرة ، حيث لن يتمكنوا من إنشاء حلقاتهم الخاصة. ولكن اتضح أن الخميرة يمكن أن تعيش باستخدام Anc.3-11 بدلاً من ذلك. قاموا بدمج Anc.3-11 مع Vma16 لإنشاء حلقات وظيفية بالكامل.
إصلاح الخلل
اكتشف جراي مثالًا آخر على التطور المحايد البناء في الطريقة التي تعدل بها العديد من الأنواع جيناتها. عندما تحتاج الخلايا إلى تكوين بروتين ، فإنها تنسخ DNA من جيناتها إلى RNA ، وهي نسخة مفردة من DNA ، ثم تستخدم إنزيمات خاصة لاستبدال بعض أجزاء من ILV (النيوكليوتيدات) بأخرى. تحرير RNA ضروري للعديد من الأنواع ، بما في ذلك نحن - RNAs غير المعدلة تنتج بروتينات غير عاملة. لكن هذا لا يزال غريبًا - لماذا ببساطة ليس لدينا جينات بالتسلسل الصحيح في البداية من شأنه أن يلغي الحاجة إلى تحرير الحمض النووي الريبي؟سيناريو تطور الحمض النووي الريبي الذي اقترحه جراي هو كما يلي: يتغير الإنزيم بطريقة تجعله قادرًا على الانضمام إلى الحمض النووي الريبي وتغيير نيوكليوتيدات معينة. هذا الإنزيم لا يتلف ولا يساعد الخلية - على الأقل ليس في البداية. في غياب الأذى ، تستمر. تحدث طفرة ضارة لاحقًا في الجين. لحسن الحظ ، تحتوي الخلية بالفعل على إنزيم يرتبط بـ RNA يمكنه تعويض هذه الطفرة عن طريق تحرير RNA. يحمي الخلية من ضرر الطفرة ، ويسمح بنقلها إلى الجيل التالي والانتشار في جميع السكان. يقول جراي إن تطور إنزيم تحرير الرنا ، والطفرة التي تم إصلاحها من قبله ، لم يكن نتيجة للانتقاء الطبيعي. بل على العكس ، نشأ هذا المستوى الإضافي من التعقيد من تلقاء نفسه - "محايد". بعد انتشاره ، لم يعد من الممكن التخلص منه.يعتقد ديفيد سبايجر ، عالِم الكيمياء الحيوية في جامعة أمستردام ، أن جراي وزملاؤه فضلوا علم الأحياء من خلال التعبير عن فكرة التطور المحايد البنّاء ، وخاصة إلقاء الشكوك حول النقطة القائلة بأن كل التعقيد يجب أن يكون قابلاً للتكيف. لكن سباير قلق من أنه في بعض الحالات يدفعون بفكرتهم أكثر من اللازم. من ناحية ، يعتقد أن المضخات في الفطر هي مثال جيد على التطور المحايد البناء. "أي شخص عاقل سيوافق تماما على ذلك" ، يقول. في حالات أخرى ، مثل تحرير الحمض النووي الريبي ، لا ينبغي للعلماء ، في رأيه ، تجاهل إمكانية المشاركة في الانتقاء الطبيعي ، حتى لو بدا هذا التعقيد عديم الفائدة.يدرك جراي وماكشي وبراندون الدور المهم للانتقاء الطبيعي في زيادة التعقيد من حولنا ، من الكيمياء الحيوية الكامنة في الريش إلى مصانع التمثيل الضوئي الموجودة في أوراق الشجر. لكنهم يأملون في أن تقنع أبحاثهم علماء الأحياء الآخرين بتجاوز الانتقاء الطبيعي ورؤية إمكانية أن الطفرات العشوائية يمكن أن تغذي بشكل مستقل تطور التعقيد. يقول جراي: "نحن لا نتجاهل دور التكيف في هذه العملية". "نحن فقط لا نعتقد أنها تستطيع شرح كل شيء." Source: https://habr.com/ru/post/ar401953/
All Articles