ساعت مولکولی چیست؟

زینب شاه مرادی - مرکز یادگیری تبیان

به گزارش بیگ بنگ، امروزه، روش های استفاده شده برای ردیابی شاخه‌ های فرگشت در زمان پای فراتر از انتظارات داروین گذاشته اند. دانشمندان در طی یک سری اصول های زیست شناسی از روشی موسوم به ساعت مولکولی استفاده می کنند. بر این اساس، امکان رمزگشایی از گذشته با خواندن داستان های نگاشته شده در ژن های موجودات زنده فراهم می آید. در بزرگترین مقیاس، ساعت مولکولی دیرینه شناسان را مقدور ساخته تا از رازهای فرآیند فرگشت در طول میلیون ها سال پرده بردارند. و در کوچک ترین مقیاس، متخصصان واگیر شناسی توانایی بررسی سرعت بیماری را در طول چند دهه بدست می آورند.

منشأ گونه ها
ساعت مولکولی که گاهی اوقات از آن به “ساعت تکاملی” یا “ساعت ژنی” یاد می شود، ریشه در مفهوم زیستی وراثت دارد. کلیه موجودات اطلاعات را در قالب مولکول های ژنتیکی (معمولا DNA) از نسل قبلی به ارث می برند. از آن جا که این ماده بطور تدریجی در طول زمان دست خوش تغییر قرار می گیرد، امکان استفاده از آن برای اندازه گیری زمان وقوع رویدادهای فرگشتی پدید می آید.
این گفته که اطلاعات در طول زمان انتقال می یابد، می تواند مفهوم فرگشتی را توضیح دهد. کتابی قدیمی را تصور کنید که توسط نسل هایی از انسان ها رونوشت می شود و در مکانی نگهداری می شود. بالاخره یکی از انسان ها به جستجو پرداخته، مکانی جدیدی را می یابد تا نسخه ای از کتاب را برای خودش بردارد. او به رونویسی از کتاب ادامه می دهد تا در طول زمان نسخه هایی از آن موجود باشد و همین عامل باعث بروز خطاهای جزئی می شود. این خطاها تغییری در معنا و مفهوم کتاب ایجاد نمی کنند، پس به چشم نیامده و تصحیح نمی شوند و نسخه های بعدی بصورت تدریجی مملو از تغییرات می شوند.

قرن ها بعد، پژوهش گری با دو مکان دیگر مواجه شده و نتیجه می گیرد که آن ها روزی دارای منشأ مشترکی بودند، هر کدام کتابی دارند که شباهت چشم گیری بین آن ها دیده می شود. این پژوهش گر درصدد بررسی قدمت تاریخی هر یک از کتاب ها برآمده و تفاوت های بین آن دو را مورد مطالعه‌ قرار می دهد. او با مطالعات متون بسیاری در می یابد که این تفاوت ها (عمدتاً تفاوت های املایی) در بازه زمانی نسبتا پایداری پدید آمده اند.
بر اساس یافته های این پژوهشگر، ۱۰۰ مورد تغییر در هر صفحه از کتب اعمال شده است و بدین ترتیب، او نتیجه می گیرد که کُتُب منشأ مشترکی در پانصد سال گذشته داشتند. زمان بروز هر تغییر در حدود ۱۰ سال تخمین زده می شود. این تفاوت ها در دو سطربندی متفاوت از کتاب حاصل آمده اند. کتاب نمادین ما نشان دهنده ژنوم بوده و هر فصل آن را میتوان یک ژن در نظر گرفت که از زنجیره های نوکلئوتیدی A، T، C، G تشکیل یافته است. انسان ها در نقش گونه ها ظاهر شده و مکان نگه داری کتاب اعضای ِ آن گونه به شمار می روند. منظور از تغییرات هم “جهش های ژنتیکی” است.
تغییراتی که تاثیری بر معنای DNA نمی گذارند را جهش های طبیعی می گویند که می توانند بدون تصحیح شدن یا حذف شدن از طریق انتخاب طبیعی، در رمز ژنتیکی جمع شوند. از آنجا که ما رمزهای ژنتیکی را می خوانیم، امکان مقایسه گونه ها در این سطح بنیادی و گردآوری اطلاعاتی در خصوص قدمت فرگشتی آن ها برای ما فراهم می شود.

تیک تاک نامشخص در DNA
با این حال، پیچیدگی زیست شناسی بر دشواری های پیرامون بررسی ساعت مولکولی می افزاید. سه جنبه از فرگشت می تواند مفهوم ساعت مولکولی را دچار اختلال و گمراهی کند. فرگشت (تکامل) می تواند همگرا باشد، گونه های مختلف بطور مستقل تکامل می یابند تا مشابه بنظر آیند. پس ما در شناسایی رابطه تنگاتنگ آن ها به سادگی دچار اشتباه می شویم. برای مثال، این طرز فکر نادرست است که کوسه ها و دلفین ها خویشاوندی نزدیکی با یکدیگر دارند چرا که شبیه هم اند. آن ها از زیستگاه ها، طعمه ها و فشارهای مشابهی برای بقا برخوردارند و به همین دلیل، شباهت هایی میان این دو شکل گرفته است. همین مورد می تواند برای DNA هم رخ بدهد.
بعضی از ژن ها می توانند سریع تکامل یابند و هم چنین احتمال دارد رابطه نسبی میان مقدار تغییر و مقدار زمان در اثر اشباع شدگی نفی گردد. بخش هایی از ژنوم رونوشت شده، از دست رفته یا حتی میان موجوداتی که رابطه دوری با هم دارند انتقال می یابد (انتقال ژن افقی) که مقایسه “شبیه با شبیه” را به امری دشوار تبدیل می کند. انتخاب دقیق داده ها چنین خطاهایی را از میان بر میدارد.

درخت مهره داران هکل- کشید شده در سال ۱۸۷۹

عدم سازگاری همیشگی میزان تغییر ژنتیکی یکی دیگر از مشکلات می باشد. بخش های مختلف ژنوم با سرعت های مختلفی تکامل می یابند و میزان سرعت هم با گذشت زمان تغییر یافته است. تنظیم مقادیر مشخص تغییر ژنتیکی متناسب با مدت زمان سپری شده بعنوان یکی از راه حل ها شناخته شده است. ما از این مسئله آگاهی داریم که برخی دودمان ها چه زمانی دارای اجداد مشترکی بودند چرا که فسیل آن ها موجود است و ما با بهره‌گیری از روش هایی نظیر تعیین قدمت پرتو سنجی، به زمان زندگی آن پی می بریم.
با درک رابطه میان زمان بندی یک واگرایی و مقدار تغییر ژنتیکی میان دو تبار (دودمان)، امکان استنتاج از این رابطه برای بقیه درخت فرگشتی و تخمین زمان رخداد سایر واگرایی ها فراهم می آید. به دلیل عدم قطعیت در تعیین قدمت فسیل و سرعت تغییر فرگشتی، ساعت مولکولی نمی تواند با دقت بالایی عمل کند، اما در صورت استفاده صحیح می تواند عملکرد بسیار دقیقی بر جای بگذارد. پس عدم دقت کافی بازتاب دهندهء عدم اطمینان ما در مورد گذشته است. خود گونه زایی بصورت آنی اتفاق نمی افتد، بلکه وقوع آن به بازه های زمانی بسیار طولانی احتیاج دارد.
برای مثال، اگر بگوئیم شامپانزه ها و انسان ها ۸۰۲۸۵۱۹ سال پیش از هم جدا شده و تفاوت هایی بین آن ها ظاهر شد، احتمال و سودمندی اش از این گفته کمتر است اگر بگوئیم آن ها تقریبا هشت میلیون سال پیش از هم جدا شدند. در صورت استفاده موثر از ابزارهای درجه بندی و استفاده احسن از داده های موجود می توان از شدت عدم اطمینان تا حد زیادی کاست.

98 درصد ژنوم انسان و شامپانزه به هم شباهت دارد. انسان ها و شامپانزه ها دارای جد مشترکی بودند که در حدود هشت میلیون سال پیش زندگی می کرد.

برنامه ها و پیشرفت ها
ساعت مولکولی در مقیاس های زمانی کوتاه و بلند توضیحاتی در خصوص فرگشت ارائه می دهد. محققان در سال ۲۰۱۲ میلادی به این نتیجه رسیدند که ایدز فراگیر در کشور هند دارای جدی مشترک در ۴۰ سال پیش بود و از این نکته می توان شیوع و گسترش بیماری را استنباط کرد. این عامل به سیاست های پزشکی آگاهی بخشید و نقش مهمی در پیش بینی محل گسترش بیماری ایفا کرد. علاوه براین، منجر به استفاده موثر منابع گردید و نهایتا عده بی شماری از مرگ نجات پیدا کردند.
دیرینه شناسان از روش ساعت مولکولی برای موشکافی تاریخ گذشته و غالبا در گروه هایی با داده های فسیلی ناکافی استفاده می کنند. برای نمونه، یافته نشان داده که پنگوئن ها جدی در حدود ۲۰ میلیون سال پیش داشتند، در حالیکه نخستین حیات سلولی پیچیده از دودمان باکتریائی متعلق به بیش از ۱٫۲ میلیارد سال قبل نشأت می گیرد. این نمونه‌ها بینش ما را نسبت به شرایط اکولوژیکی و محیط زیست گذشته افزایش داده و دانش مان را پیرامون دینامیک فرگشت ارتقأ می بخشد.
با ارتقای بینش و درک ما از فرگشت، چشم انداز چارلز داروین از نقشه جامع درخت زندگی برای ما بیش از پیش شفاف تر می شود. اگر او بار دیگر به حیات باز می گشت، قطعا با بررسی جزئیات خویشاوندی کرگدن ها و وال ها یا پیوندهای باستانی عمیق میان باکتری و میتوکندری از دستاوردهای امروز اظهار خوشحالی می کرد. ما با بهره‌گیری از ساعت مولکولی نه تنها بعنوان مبنای درخت زندگی استفاده می کنیم، بلکه گسترش شاخه‌های آن و عمق ریشه های آن را مورد بررسی موشکافانه قرار می دهیم.


منبع: http://bigbangpage.com