تکامل خنثی نیست: مطالعه‌ای جدید نظریه شصت‌ساله زیست‌شناسی را به چالش می‌کشد
از دانشگاه میشیگان
تحقیقات جدید ایدهٔ دیرینهٔ اینکه اکثر جهش‌های ثابت ژنتیکی خنثی هستند را به چالش می‌کشند
سال‌هاست که دانشمندان مطالعه‌کنندهٔ تکامل بر این باورند که بیشتر تغییرات ژنتیکی که بر روند تحول ژن‌ها و پروتئین‌ها تأثیر می‌گذارند، به‌طور اساسی خنثی هستند. این جهش‌ها تصور می‌شد نه مضرند و نه سودمند، بنابراین می‌توانند بدون جلب توجه خاصی از طریق انتخاب طبیعی عبور کنند.
یک مطالعهٔ جدید از دانشگاه میشیگان این دیدگاه ریشه‌دار را زیر سوال می‌برد.
با تکامل گونه‌ها، جهش‌ها بوجود می‌آیند و گاهی ثابت می‌گردند؛ به این معنی که در نهایت همهٔ اعضای یک جمعیت همان تغییر را در بر می‌گیرند. نظریهٔ خنثی تحول مولکولی بر این باور استوار است که اکثر جهش‌های ثابت در این دستهٔ خنثی قرار می‌گیرند. جهش‌های مضر انتظار می‌رود توسط انتخاب طبیعی حذف شوند و جهش‌های سودمند به‌درجةی کم‌پیدا هستند که تغییرات خنثی باید غالب باشند، دکتر جیانزی ژانگ، زیست‌شناس تکاملی، توضیح می‌دهد.
ژانگ و تیم او برای آزمون این فرضیه اقدام کردند. تجزیه و تحلیل آن‌ها نشان داد که جهش‌های سودمند خیلی بیشتر از آنچه نظریهٔ خنثی اجازه می‌دهد ظاهر می‌شوند. در همان زمان، نرخ واقعی ثابت شدن جهش‌ها به‌مراتب پایین‌تر است تا بتواند با تعداد بالای تغییرات مفید که محققان مستند کرده‌اند، همخوانی داشته باشد.
تغییرات محیطی و سرنوشت جهش‌ها
برای توضیح عدم تطابق نتایج، پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند جهشی که در یک محیط به موجود کمک می‌کند، می‌تواند هنگام تغییر شرایط به مضر تبدیل شود. چون محیط‌ها بطور مداوم در حال تغییرند، این جهش‌های مفید ممکن است پیش از اینکه در جمعیتی ثابت شوند، ناپدید گردند. این پژوهش که توسط مؤسسات ملی بهداشت ایالات متحده مالی‌گذاری شده، در نشریهٔ Nature Ecology and Evolution منتشر شده است.
«ما می‌گوییم نتیجه خنثی بود، اما فرآیند خنثی نیست،» دکتر ژانگ، استاد بوم‌شناسی و زیست‌شناسی تکاملی در دانشگاه میشیگان گفت. «مدل ما نشان می‌دهد جمعیت‌های طبیعی به‌طور کامل با محیط‌های خود سازگار نیستند زیرا محیط‌ها به سرعت تغییر می‌کنند و جمعیت‌ها همواره در تعقیب محیط هستند.»
ژانگ می‌گوید نظریهٔ جدید آن‌ها که «پیگیری انطباقی با پلی‌وتروپی متقابل» نام دارد، به ما نکته‌ای دربارهٔ میزان سازگاری تمام موجودات زنده با محیط‌های خود می‌گوید.
«به‌نظر می‌آید این موضوع پیامدهای وسیعی دارد. برای مثال، انسان‌ها. محیط ما به‌قدری تغییر کرده که ژن‌های ما شاید بهترین سازگاری را برای محیط امروز نداشته باشند، زیرا ما از طریق محیط‌های مختلفی عبور کرده‌ایم. برخی جهش‌ها ممکن است در محیط‌های قدیم‌مان مفید بوده باشند، اما برای امروز نامناسب‌اند،» ژانگ افزود.
«در هر زمان که به یک جمعیت طبیعی نگاه می‌کنید، بسته به اینکه آخرین بار چه زمانی تغییر بزرگ محیطی رخ داده، ممکن است جمعیت بسیار کم‌سازگار یا نسبتاً خوب سازگار باشد. اما به‌احتمال زیاد هرگز جمعیتی را نخواهیم دید که کاملاً با محیط خود سازگار باشد، چون یک سازگاری کامل زمان بیشتری می‌طلبد نسبت به دوره‌ای که یک محیط طبیعی می‌تواند ثابت بماند.»
از مورفولوژی تا مولکول
نظریهٔ خنثی تحول مولکولی اولین بار در دههٔ ۱۹۶۰ مطرح شد. پیش از آن، دانشمندان تکامل را بر پایهٔ مورفولوژی و فیزیولوژی، یا ظاهر موجودات، مطالعه می‌کردند. اما از دههٔ ۱۹۶۰ به‌بعد، دانشمندان توانستند پروتئین‌ها را توالی‌یابی کنند و سپس ژن‌ها را. این پیشرفت، پژوهشگران را به مطالعهٔ تکامل در سطح مولکولی سوق داد.
برای اندازه‌گیری نرخ جهش‌های سودمند، ژانگ و همکارانش مجموعه‌های بزرگ دادهٔ اسکن جهشی عمیق (deep mutational scanning) تولید شده توسط آزمایشگاه خود و دیگران را بررسی کردند. در این نوع اسکن، دانشمندان تعداد زیادی جهش را در یک ژن خاص یا ناحیه‌ای از ژنوم موجودات مدل مانند مخمر و E. coli ایجاد کردند.
سپس پژوهشگران موجودات را طی چندین نسل دنبال کردند و آن‌ها را با حالت وحشی (wild type)، یعنی رایج‌ترین نسخه موجود در طبیعت، مقایسه کردند. این مقایسه به آن‌ها اجازه داد تا رشد و نرخ رشد را اندازه‌گیری کنند و بر این پایه اثر جهش را برآورد نمایند.
آن‌ها دریافتند که بیش از ۱٪ جهش‌ها سودمند هستند؛ عددی که چندین مرتبه بزرگ‌تر از آنچه نظریهٔ خنثی پیش‌بینی می‌کند، است. این مقدار جهش‌های سودمند می‌انجامد که بیش از ۹۹٪ ثابت‌سازی‌ها سودمند باشند و نرخ تحول ژن با سرعتی بسیار بالاتر از آنچه در طبیعت مشاهده می‌شود، باشد. پژوهشگران به این نکته پی بردند که فرض ثابت ماندن محیط موجودات اشتباه بوده است.
آزمون محیط‌های در حال تغییر
برای بررسی اثرات محیط در حال تغییر، تیم تحقیقاتی ژانگ دو گروه مخمر را مقایسه کرد. یک گروه به مدت ۸۰۰ نسل (هر نسل ۳ ساعت طول می‌کشید) در یک محیط ثابت تکامل یافت، در حالی که گروه دوم در محیطی متغیر که متشکل از ۱۰ نوع مختلف میدیا (محلول) بود، تکامل یافت. این مخمر دوم برای ۸۰ نسل در اولین میدیا، سپس ۸۰ نسل در میدیا دوم و به همین ترتیب تا مجموعاً ۸۰۰ نسل رشد کرد.
پژوهشگران دریافتند که در گروه دوم جهش‌های سودمند بسیار کمتر از گروه اول بودند. اگرچه جهش‌های سودمند بروز کردند، اما پیش از اینکه محیط تغییر کند، فرصتی برای ثابت شدن نداشتند.
«به همین دلیل ناسازگاری پیش می‌آید. در حالی که ما تعداد زیادی جهش سودمند را در یک محیط خاص می‌بینیم، این جهش‌ها چون فراوانی‌شان به سطحی می‌رسد که محیط تغییر می‌کند، فرصتی برای ثابت شدن ندارند،» ژانگ گفت. «آن جهش‌های سودمند در محیط قبلی ممکن است در محیط جدید مضر شوند.»
با این حال، ژانگ نکته‌ای را مورد تأکید قرار داد: داده‌های مورد استفاده آن‌ها از مخمر و E. coli، دو موجود تک‌سلولی، جمع‌آوری شده است که در آن‌ها اندازه‌گیری اثرات جهش بر تناسب نسبتاً آسان است. جمع‌آوری داده‌های اسکن جهشی عمیق از موجودات چندسلولی می‌تواند نشان دهد آیا نتایج به دست آمده از موجودات تک‌سلولی به موجودات چندسلولی همچون انسان‌ها قابل تعمیم هستند یا خیر. پژوهشگران در برنامه‌ریزی مطالعه‌ای برای درک دلیل طولانی شدن زمان لازم برای سازگاری کامل موجودات با محیط ثابت هستند.
منبع: «پیگیری انطباقی با پلی‌وتروپی متقابل منجر به تکامل مولکولی به‌نظر خنثی می‌شود» توسط سیلیانگ سونگ، پیائوپیائو چن، شیوکانگ شِن و جیانزی ژانگ، ۱۴ نوامبر ۲۰۲۵، Nature Ecology & Evolution.
DOI: 10.1038/s41559-025-02887-1
این تحقیق توسط مؤسسات ملی بهداشت ایالات متحده مالی‌گذاری شد.