تکامل؛ سرعت بیشتر در بازه‌ی زمانی کوچک‌تر؟

در دهه‌ی ۱۹۵۰، بیولوژیست فنلاندی، بی‌یرن کرتن^۱ متوجه شد در فسیل اسب‌هایی که در حال مطالعه‌ی آن‌هاست، پدیده‌ای غیرطبیعی وجود دارد؛ زمانی که شکل استخوان‌های یک گونه را در طول چند نسل مقایسه کرد، می‌توانست تغییرات کوچک اما فراوانی را تشخیص دهد اما مورفولوژی اسب‌هایی که میلیون‌ها سال با هم اختلاف داشتندتفاوت کمتری با یکدیگر داشت.

پژوهش‌هایی که در ۵۰ سال بعد انجام شد نیز نشان می‌دادند که زمانی که بیولوژیست‌ها ارگانیسم‌ها را در بازه‌های زمانی کوتاه‌تری بررسی می‌کنند، تکامل‌یافته‌تر به نظر می‌آیند.

سپس، در اواسط دهه‌ی بیست میلادی، بیولوژیت تکاملی سایمون هو^۲ از دانشگاه سیدنی، با پدیده‌ی مشابهی هنگام بررسی ژنوم‌ها مواجه شد. هنگامی که سرعت رخ‌دادن جهش در ژن‌های پرندگان و پریمات‌ها را در طول چندهزار سال محاسبه کرد، دریافت که ژنوم‌ها سرشار از جهش‌های کوچک هستند. این امر، یک ساعت سریع تیک‌تاک کننده برای تکامل بود! زمانی که او بررسی ژن‌هایی با فاصله‌ی زمانی میلیون‌ها سال را آغاز کرد، نتایج کاملاً متفاوت بود؛ ساعت تکامل آهسته‌تر شده‌بود.
او که از این نتایج شوکه شده‌بود، تلاش را برای فهمیدن علت این اتفاق شروع کرد.

^{سایمون هو، بیولوژیست دانشگاه سیدنی که متفاوت بودن سرعت‌های تکامل را کشف کرد.
امتیاز عکس: Courtesy of University of Sydney}

سپس، دست‌آورد‌های پژوهش کرتن در سال ۱۹۵۹ را یافت و فهمید که تغییراتی که در ژنوم کشف کرده‌است، دارای نمودهای فیزیکی نیز می‌باشند.
به عنوان یک بیولوژیست، غرایز او خبر از صحت نمونه‌های جهش ژنوم در بازه‌های زمانی کوتاه را می‌دادند. این ژنوم‌ها تنها در برخی نقاط با یکدیگر متفاوت بودند اما این تفاوت‌ها، به وضوح لکه‌های رنگی وی یک دیوار سفید بودند؛ زمانی که تعداد این لکه‌ها افزایش یابد، اندک‌امدک رنگ اصلی پس‌زمینه پنهان می‌شود. تکامل و انتخاب طبیعی نیز روی تغییراتی که در بازه‌ی زمانی کوتاه رخ می‌دهند را می‌پوشاند. در طی میلیون‌ها سال، یک A در DNA ممکن است به T تبدیل شود اما در فاصله‌ی بین A و T، A می‌تواند در زمان‌هایی به C یا G نیز تبدیل شده‌باشد.
هو باور دارد که این اشباع جهشی، دلیل اصلی چیزی است که آن را پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان^۳ می‌نامد.

هو می‌گوید:

یک بازار بورس را در نظر بگیرید؛ به تغییرات و نوسان‌های ساعتی یا روزانه‌ی آن دقت کنید، کاملاً ناپایدار به نظر می‌رسد اما زمانی که از زاویه‌ی بالاتری به آن می‌نگرید، این بازار بسیار پایدارتر به نظر می‌رسد. مشابه نیروهای دخیل در انتخاب طبیعی که تغییرات مهم‌تر و اساسی‌تر را در طول زمان برمی‌گزینند.

دست‌آورد‌های هو در زمینه‌ی پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان، مفاهیم گسترده‌ای را برای بیولوژیست‌‌ها به ارمغان آورد. این امر به معنای آن بود بسیاری از اطلاعاتی که برای تحلیل موجودات زنده استفاده می‌کردند؛ همه‌چیز، از اولین تفاوت بین یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها تا ظهور دوباره‌ی ویروس ایبولا در سال ۲۰۱۴،  می‌تواند اشتباه باشد!
راب لَنفی‌یِر^۴، بیولوژیست تکامل از دانشگاه ملی کانبرا، استرالیا می‌گوید:

زمانی که نتایج این کار منتشر شد، همه می‌گفتند: اوه، خدای من!

کشف پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان در ابتدا چندان مورد قدردانی واقع نشد. یکی از دلایل آن، عظمت و پیچیدگی این مفهوم بود و بیولوژیست‌ها به زمانی برای فهم کامل آن نیاز داشتند.
دلیل دیگری نیز وجود داشت؛ این مفهوم غیرقابل استفاده بود. بیولوژیست‌ها نمی‌توانستند تخمین بزنند دقیقاً چقدر محاسبات و فرضیات آن‌ها باید برای انطباق با این یافته‌ها تغییر کند. بدون یک بتون محکم برای اعمال تغییر بر سرعت تکامل در طول زمان، داشنمندان نمی‌توانستند زمان‌های مختلف را باهم مقایسه کنند.

اخیراً، آریس کاتزوراکیس^۵، ویروس‌شناسی از دانشگاه آکسفورد، توانسته است که پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان را بر سیرتکاملی ویروس‌ها اعمال کند. با این‌کار، او نه‌تنها منشأ برخی از کلاس‌های رتروویروس‌ها را به نیم‌بیلیون سال پیش، بسیار پیش‌تر از ورود اولین حیوانات از دریا به خشکی، منتقل کرده‌است، بلکه توانسته است یک الگوی ریاضی برای به‌کارگیری پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان فراهم کند. این کار برای بیولوژیست‌ها، تاریخ‌های دقیق‌تری را برای بررسی حوادث تکاملی فراهم می‌کند. سایر دانشمندان نیز از این دیدگاه شگفت‌زده‌اند.

^{آریس کاتزوراکیس، ویرولوژیستی که تاریخ پیدایش ویروس‌ها را جابه‌جا کرد؛ امتیاز عکس: Gillman & Soame}

پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان بیان می‌‌کند که سرعت تکامل یک ارگانیسم به قاب زمانی که بیننده از درون آن به ارگانیسم می‌نگرد، بستگی دارد. با توجه به نسبیت نیز، محققان اکنون می‌توانند میزان آن را تعیین کنند.

سباسشن دوشین^۶، بیولوژیست تکامل محاسبه‌ای از داشنگاه ملبورن^۷ اظهار دارد:

این پدیده همانند تئوری نسبیت انیشتین است؛ اما برای ویروس‌ها!

شکار فسیل‌ ویروسی

کاتزوراکیس تمام حرفه‌ی خود را صرف پیدا کردن منشأ ویروس HIV و سایر ویروس‌هایی که رِتروویروس (Retrovirus) نامیده می‌شوند، کرده‌است.
زمانی که سرعت جهش در HIV را بررسی کرد، متوجه شد بین ویروس‌هایی که تاکنون مورد بررسی قرار داده‌است، یکی از سریع‌ترین‌ها می‌باشد. این روند سریع تکامل منطقی بود؛ مولکول‌های دورشته‌ای نظیر DNA، دارای مولکول‌های اصلاح‌کننده هستند که اغلب، تغییراتی که در این مولکول هنگام جهش پدید می‌آیند را اصلاح می‌کنند. اما HIV و سایر ارگانیسم‌هایی که دارای RNA تک‌رشته‌ای هستند، از چنین مولکول‌های اصلاح‌کننده‌ای بی‌بهره‌اند. خطا پشت‌سر خطا در آنان رخ می‌دهد.
به همین علت، ویرولوژیست‌ها به شکل مستقیم، تنها می‌توانند جهش‌هایی ک اخیراً در RNA آن‌ها رخ‌داده‌است را بررسی کنند.
نمونه‌های قدیمی‌تر به میزان اشباعی رسیده‌اند، تعداد فراوانی از خطاهای خواندن که داشنمندان قادر به درنظر گرفتن همه‌ی آن‌ها نیستند. کاتزوراکیس از تکنیک جدیدی استفاده کرده‌است. او برای پیدا کردن چیزی شبیه فسیل ویروس درون DNA میزبان آن‌ها را جستجو کرد!
رتروویروس‌ها اغلب کپی‌هایی از مواد ژنتیکی خود را درون سلول‌های میزبان باقی‌ می‌گذارند. این اطلاعات اغلب با مردن میزبان، از بین می‌روند اما در موارد نادری، رتروویروس می‌تواند روند تکامل را شکست دهد و درون ژنوم یک اسپرم یا تخمک خود را جای دهد و به شکل مطمئنی به درون DNA میزبان منتقل شود. این ویروس توسط نسل‌های بعد نیز حمل خواهد شد.
کاتزوراکیس از این آثار ویروسی برای مطالعه‌ی منشأ باستانی رتورویروس‌ها استفاده کرد. سرعت تکامل این ویروس‌ها پس از یک دوره‌ی زمانی طولانی، به نظر می‌رسد که کاهش شدیدی داشته است. تا حدی که به اندازه‌ی سرعت تکامل انسان و سایر ارگانیسم‌های دارای DNA دورشته‌ای رسیده است. درصورتی که ویروس‌ها در حال تکامل‌یافتن با سرعتی کمتر از آن‌چه دانشمندان پیش‌بینی کرده‌اند، باشند می‌تواند نشان‌دهنده‌ی این باشد که بسیار قدیمی‌تر از آن‌چه تصور می‌شده است هستند.
بنابراین او پژوهشی برای پیداکردن تاریخ دقیق پیدایش رتروویروس‌ها را آغاز کرد. برای این‌کار، روی به قدیمی‌ترین انواع رتروویروس‌ها آورد که با نام ویروس‌های فومی^۷ شناخته می‌شوند و می‌توانند تقریباً همه‌چیز را، از گاو تا میمون‌ها، آلوده کنند. این بی‌قاعدگی کاتزوراکیس را قادر می‌ساخت تا ساعت تکاملی خود را کالیبره کند و به منشأ دقیق زمان پیدایش آن‌ها دست پیدا کند. در صورتی که دو گونه، توالی یک ویروس فومی را داشته باشند، این ویروس با احتمال فراوانی جدی مشترکی از آنان را آلوده ساخته است، پیش‌از جدا شدن این دو گونه از جد خود.

کاتزوراکیس می‌گوید:

این امر سبب می‌شود بتوانیم مستقل از توالی حوادث تاریخی، وقایع درون تکامل را تاریخ‌گذاری کنیم.

محققان در سراسر دنیا، آهسته‌آهسته تاریخ پیدایش ویروس‌های فومی را تا ۱۰۰میلیون سال گذشته به عقب رانده‌‌اند اما کاتزوراکیس نشانه‌هایی یافته است که این ویروس‌ها خزندگان، آمفیبیان و حتی ماهی‌ها را، پیش‌از ۱۰۰میلیون سال، مبتلا کرده‌اند.
برای قطعی کردن پیدایش رتروویروس‌ها پیش از ۱۰۰میلیون سال گذشته که داشنمندان پذیرفته‌اند، کاتزوراکیس نیاز داشت که خود ویروس را تاریخ‌گذاری کند. او پژوهش‌های هو را درباره‌ی پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان مورد بررسی قرار داده و امیدوار بود راهی برای اعمال بر ویروس‌ها بیابد. او هم‌چنین می‌خواست مدلی عمومی که پژوهشگران امکان استفاده از مقیاس‌های زمانی که مطالعه می‌کنند را بدهد و بتوانند آنان را به جزئیات تکامل‌ ارگانیسم‌هایی که مطالعه می‌کند بازگرداند.
کاتزوراکیس و دانشجویش، پاکورن آیوسکان^۸، چهار را متفاوت را برای پیدا کردن چگونگی تغییر میزان سرعت تکامل بنا بر مقیاس‌های زمانی امتحان کردند. آن‌ها دریافتند یک مدل تابع توانی، بهترین مدل برای اطلاعات آن‌ها است. به‌علاوه، سرعت تکامل به شکل نمایی، با افزایش مقیاس زمانی کاهش می‌یابد.

پژوهش‌ بعد روی ۳۹۶ ویروس انجام شد و نشان داد که کاهش سرعت تکامل در بین همه‌ی انواع ژنوم‌ها و شیوه‌های مختلف همانندسازی مشابه است. ساعت تکامل حاضر، که پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان را لحاظ نمی‌کند، به‌شکل نادرستی تاریخ پیدایش ویروس‌ها را جلو می‌کشد.
کاتزوراکیس و آیوسکان سپس از فریم ریاضی جدیدی برای محاسبه‌ی مجدد پیدایش ویروس‌های فومی استفاده کردند و توانستند نشان دهند نخستین بار، در ۴۶۰-۵۵۰میلیون سال پیش این ویروس‌ها ظاهر شده‌اند.
کار مستقلی از ویرولوژیست‌ دانشگاه آریزونا، مایکل وروبی^۹، تقریبا در زمانی مشابه در رابطه با تکامل ویروس‌ها منتشر شد و نشان می‌داد پیدایش این ویروس‌ها مربوط به زمانی پیش‌از آن‌چه تصور می‌شد می‌باشد.
این نتایج، اهمیتی بسیار بیشتر از تنها کسب مدال اکتشاف قدیمی‌ترین ویروس‌ دارند.
همگرایی در تاریخ مشابه پیدایش ویروس‌های فومی مدرکی دال بر این‌که پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان تنها یک یادگار آماری یا روشی که محققان برای تاریخ‌گذاری گونه‌ها استفاده می‌کنند، نمی‌باشد
مدل کاتزوراکیس برای دانشمندان ابزاری جهت سنجش تاثیر پدیده‌ی سرعت وابسته به زمان فراهم می‌کند که نتیجه‌ی آن، فهم فاکتورهای است که این رخداد را سبب می‌شوند.
به‌علاوه، کاری که کاتزوراکیس و هو انجام دادند، ایده‌ی ساعت زمانی پایدار تکامل را به چالش می‎کشد.

دانشن می‌گوید:

این یافته‌ها، چگونگی استنباط از تکامل مولکولی را دستخوش تغییر می‌کنند و نشان می‌دهد هیچ سرعت ثابت جهانی، حتی برای یک ارگانیسم ثابت، در طول زمان وجود ندارد.

هم‌چنین به این معنا است که دانشمندان ممکن است نیاز داشته باشند که در تاریخ‌های تکاملی بسیاری تجدید نظر کنند چرا که ممکن است قدمت آن‌را دست‌کم گرفته باشد.

^{پی‌نوشت}

^{۱  Björn Kurtén
۲ Simon Ho
۳ time-dependent rate phenomenon
۴ Rob Lanfear
۵ Aris Katzourakis
۶  Sebastián Duchêne
۷ Melbourne
۸  Pakorn Aiewsakun
۹  Michael Worobey}