«بازی کردن نقش خدا در زیست‌شناسی» نوشته‌ی برایان کلاس

بازی کردن نقش خدا در زیست‌شناسی

نویسنده: برایان کلاس

مترجم: عارف عبادی

متن زیر ترجمه و تلخیص بخش کوتاهی است از کتاب «اتفاق: شانس، آشوب و چرا هرآنچه می‌کنیم مهم است» (2024) نوشتۀ برایان کلاس (Brian Klaas). محور اصلی کتاب کلاس تاثیرات رخدادهای کوچک و به ظاهر ناپیدا در شکل‌دهی به روندهای بزرگ است. گزیدۀ زیر دربارۀ یکی از طولانی‌ترین آزمایش‌های زیست‌شناسی است که در آن دانشمندان با مطالعۀ ده‌ها هزار نسل از باکتری ای. کُلی (E. coli) در محیط آزمایشگاهی تلاش می‌کنند تا نشان دهند چه میزان از تغییرات در دوازده سویۀ این باکتری حاصل اتفاق است و چه میزان حاصل همگرایی.

.

---

.

فهم ما از تاریخ بشرکشمکشِ میان همگرایی (convergence) و اتفاق (contingency) است. یعنی آیا این جریان‌های قدیمی و ثابت‌اند که تغییرات را به پیش می‌رانند یا تاریخ متکی بر کوچکترین جزئیات است؟ از آنجا که نمی‌توان گذشته را به شکل تجربی آزمود، چاره‌ای جز گمانه‌زنی دربارۀ این دو جهان‌بینی نداریم.

اما چه می‌شد اگر می‌توانستیم جهان‌های گوناگون خلق کنیم و درون هر یک از آنها، نه تنها کنترل اتفاقات بلکه اختیار زمان را هم در دست بگریم؟ تصور کنید جایگاه خداوند را داشتید و می‌توانستید هر وقت که اراده کنید زمان را از حرکت باز نگه‌ داشته و گاهی برای پخش مجدد لحظات مهم، آن را به عقب بر‌گردانید. اینگونه می‌شد با دقتی بی‌سابقه نظری بر رازهای پنهان علت و معلول انداخت و دریافت که تغییر و دگرگونی چطور رخ می‌دهد – و در نهایت چیرگی با اتفاق است یا همگرایی. این آزمایش فکری سرمست‌کننده‌ای است. اما آیا شدنی است؟

چند دهۀ پیش دانشمندی به نام ریچارد لنسکی (Richard Lenski) دریافت که می‌توان چنین کرد بی‌آنکه نیاز به داستان‌های علمی-تخلی باشد. در آن زمان لنسکی، که ریش داروینی فرد اعلایی هم دارد، به عنوان زیست‌شناس تکاملی در حال انجام پژوهشی میدانی بر روی رفتار تهاجمی سوسک‌های زمینی جنوبی در روستاهای ایالت کارولینای شمالی بود. لنسکی از کار در دامن طبیعت لذت می‌برد اما مطالعه‌اش به آرامی پیش می‌رفت، مارهای سمی فراوانی وجود داشتند که باید مراقب‌شان می‌بود، سوسک‌های مورد نظرش گاهی در رگبارها غرق می‌شدند و از همه مهم‌تر اینکه پیچیدگی دنیای واقعی چنان متغییرهای متعددی را در پژوهش دخیل می‌کرد که عملاً آزمودن دقیق جذاب‌ترین ایده‌هایش را ناممکن می‌ساخت. لنسکی با خود اندیشید که چه خوب می‌شد اگر می‌توانست آزمایش بر روی تغییرات تکاملی را نه در طبیعت سرکش و دست‌نخورده بلکه در محیط کنترل‌شدۀ آزمایشگاه علمی انجام داد. این شد که در سال 1988 لنسکی یکی از مهمترین و در عین حال طولانی‌ترین آزمایش‌های تاریخ علم را شروع کرد.

آزمایش لنسکی در عین زیبایی، ساده است. دوازده فلاسک یا ظرف آزمایشگاهی یکسان بردارید و دوازده سویۀ یکسان باکتری اشرشیا کُلی (ای. کولی) به آن اضافه کنید، سوپ کلوکوزی دقیقاً یکسانی به آنها بخورانید و بگذارید تکامل یابند. از آنجایی که باکتری ای. کولی به سرعت تولیدمثل می‌کند، در هر روز 6.64 نسل تولید می‌شوند. هر نسل در میان انسان‌ها تقریبا 26.9 سال طول می‌کشد، این یعنی یک روز در دنیای باکتری ای. کولی معادل 178 سال در زمان ما انسان‌هاست. شاید باورش سخت باشد اما از سال 1988، لنسکی شخصاً شاهد تکامل 70000 نسل باکتری ای. کولی بوده است که برابر با 1.9 میلیون سال تغییرات در معادل انسانی آن است. در سال 2004، دانشمند فوق‌العاده دیگری به نام زکری بلانت (Zachary Blount) به آزمایشگاه لنسکی پیوست. این دو در کنار هم، مدت‌هاست که بر دوازده جهان میکروبی نظارت دارند که هریک در فلاسک به دور خود می‌چرخد.

من به ملاقات این دانشمندان رفتم و بنابراین ‌توانستم به جهان‌های کنترل‌شده نگاهی بیندازم. آزمایشگاه لنسکی و بلانت که در دانشگاه ایالتی میشیگان قرار دارد چندان قابل‌توجه نیست. قفسه‌های آزمایشگاه پر است از بِشِر، مزور، پتری دیش و بطری‌های سفید مواد شیمیایی. لنسکی به انکوباتور مربع‌شکلی در نزدیکی در ورودی اشاره کرد که روی دمای 37 درجه سانتی‌گراد، یعنی همان دمای بدن انسان، تنظیم شده بود. انکوباتور همانطور که فرفر می‌کرد فلاسک‌های میکروب را به آرامی می‌چرخاند و تکان می‌داد.

بلانت با شور و شوق آزمایش را توضیح می‌دهد. هر روز باکتری‌ها در سوپ گلوکوزی یکسانی رشد می‌کنند که حاوی قند و سیترات است و ما آن را به عنوان «اسیدی که به آب پرتقال بوی راحیه تیز می‌دهد» می‌شناسیم. جانداران کوچک آزمایش ما در سیترات شنا می‌کنند اما تنها می‌توانند قند بخورند. برای تولیدمثل باکتری ای. کولی به جای اینکه رابطه جنسی داشته باشد، به دو سلول تقریبا یکسان تقسیم می‌شود. بنابراین، تنوعی که در فلاسک شاهدش هستیم بیشتر حاصل جهش، یا خطاهایی است که هنگام کپی کردن DNA رخ می‌دهد.

ویژگی اساسی آزمایش این است که از یک نیای مشترک، دوازده جمعیت مختلف در شرایط یکسان آزادانه تکامل یابند. بنابراین این آزمایش رابطۀ جنسی، تغییرات محیطی و شکارچیان را از معادله حذف می‌کند و باعث می‌شود تا دانشمندان تکامل را در خالص‌ترین شکل آن مطالعه کنند.

از این رو، لنسکی و بلانت می‌توانند آزمایش کنند که همگرایی حاکم است یا اتفاق. اگر تغییر حاصل همگرایی باشد، باید تمام دوازده فلاسک حتی در دراز مدت تقریبا یکسان بوده و صرفاً تغییرات ناچیزی در آنها وجود داشته باشد. ممکن است هریک از این فلاسک‌ها مسیر تکاملی خاص خود را داشته باشد اما در نهایت همگی آنها تقریباً به یک جا خواهند رسید. اما اگر برتری با اتفاق باشد، در نهایت دوازده جمعیت مورد نظر باید به شیوه‌های مهمی از هم جدا شوند زیرا اتفاقات شانسی به خلق موجودات میکروبی عجیب و غریب می‌انجامد که برای همیشه مسیر تکاملی را تغییر می‌دهند.

علاوه بر این، لنسکی و بلانت چیزی در اختیار دارند که اکثر دانشمندان از آن بی‌بهره‌اند: ماشین زمان. می‌توان باکتری ای. کولای را بی‌آنکه آسیب ببیند منجمد کرد. این یعنی فریزر‌ها مثل دکمۀ «مکث» بر روی دستگاه پخش فیلم عمل می‌کنند. برای آنکه مجددا دکمه «پخش» را بزنید کافی است باکتری را از فریزر خارج کنید. از ابتدای این آزمایش، لنسکی و تیم‌اش هر پانصد نسل یک‌بار، جمعیت‌های هر فلاسک را منجمد کردند. این یعنی آنها می‌توانند هر بخش از آزمایش را از هر زمانی که بخواهند «بازپخش» کنند. می‌خواهید از روزی که اتحاد جماهیر شوروی فروپاشید یا 11 سپتامبر رخ داد باکتری‌ها بازپخش شوند؟ هیچ مشکلی نیست. در این دوازده جهان، این لنسکی و بلانت هستند که بر زمان حکم می‌رانند.

بیش از یک دهه این طور به نظر می‌رسید که آزمایش موید فرضیۀ همگرایی تکاملی است. البته از آنجایی که گریزی از تغییر و دگرگونی نیست، دوازده محیط کشت تا حدی از هم متفاوت بودند. اما ظاهراً تمام آنها در مسیرهای مشابهی تغییر می‌کردند. هر یک از دودمان‌های باکتری، هر روز در خوردن قند بهتر می‌شدند و به تعبیر داروینی «شایستگی» بیشتری پیدا می‌کرند. همه چیز کاملاً منظم بود و به نظر می‌رسید جهش‌هایی که رخ می‌داد چندان مهم نیست. گویی تمام دوازده جمعیت بر روی یک ریل قطار به سوی مقصدی مشابه در حرکت بودند.

اما یک روز در ژانویه 2003، تیم کوپر که در آن زمان پژوهشگر پستا دکترا بود برای سر زدن به دوازده جمعیت به آزمایشگاه رفت. این کاری بود که او تا بحال صدها بار انجام داده بود اما اینبار چیزی فرق می‌کرد. یازده جمعیت باکتری به نظر عادی می‌رسیدند «درست مانند فلاسک‌های آبی که یکی دو قطره شیر در آنها حل شده باشند. تنها نشانۀ اینکه میلیون‌ها باکتری در آنها زندگی می‌کنند، کمی کدری بود». اما فلاسک دوازدهم، به تمامی با بقیه فرق داشت. این فلاسک تا حدی تیره و کدر بود در صورتی که می‌باید نسبتاً صاف و شفاف باشد. کوپر به من گفت «خیال کردم اشتباهی شده اما مطمئن بودم چیز جالبی در حال رخ دادن است».

کوپر با لنسکی تماس می‌گیرد.

لنسکی گفت «گمان کردم خطای آزمایشگاهی است. برای دوری از آلودگی، شعار ما در آزمایشگاه این است "شک داری، بریزش دور"». به لطف ماشین زمان میکروبی‌شان، اصلاح خطاها کار آسانی است برای همین لنسکی تصمیم گرفت آن خط باکتری را از آخرین نمونۀ منجمد شده مجدداً شروع کند. چند هفتۀ بعد، آن فلاسک دوباره کدر شد. روشن بود خطا نیست و ماجرایی در کار هست.

دانشمندان که سردرگم شده بودند تصمیم به انجام آزمایش توالی DNA  باکتری‌های آن فلاسک مخصوص را گرفتند و با این کار، به چیزی شگفت‌انگیز رسیدند. در میان باکتری‌ها، توانایی تکامل یافته بود که به آنها اجازه می‌داد سیتراتی که در آن شناور بودند را بخورند . قابلیتی که نباید امکان‌پذیر می‌بود. در قرن بیستم تنها یک نمونۀ ثبت‌شده هضم سیترات توسط باکتری ای. کولی وجود داشت. اینکه چنین چیزی تصادفاً رخ داده باشد به خودی خود کشف بزرگی بود. اما این تازه شروع ماجرا بود.

برای آنکه این خط باکتری‌های «عجیب و غریب» بتوانند سیترات را هضم کنند، باید دست‌کم دستخوش چهار جهش نامرتبط شده باشند که هیچ فایدۀ روشنی برای جمعیت آنها ندارد–یعنی به عبارتی خطاهای ظاهراً بی‌معنا. اما اگر این چهار خطا، به ترتیبی مشخص رخ ندهند، پنجمین جهش که توانایی خوردن سیترات است، ممکن نخواهد شد. پنج جهش اتفاقی روی هم انباشته شده‌اند که به تمامی غیرمحتمل بودند. این یعنی سر تا پا اتفاق.

اما این جهش‌ها تا چه میزان اتفاقی بودند؟ برای پاسخ به این پرسش، بلانت سال‌ها وقت خود را صرف مطالعۀ جمعیت باکتری‌های عجیب و غریب کرد. او نمونه‌های مراحل مختلف دودمان جهش‌یافته را از انجماد خارج کرد تا بوسیلۀ این فسیل‌های یخ‌زدۀ باکتری‌ ببیند توانایی خوردن سیترات دوباره ظاهر خواهد شد یا نه. پس از تحلیل تقریبا 40 تریلیون سلول درخلال سه سال آزمایش، بلانت توانست تنها هفده بار جهش مرتبط با هضم سیترات را تکرار کند. اما اگر در تاریخ تکاملی باکتری زیاد به عقب بازمی‌گشت، جهش سیترات هرگز رخ نمی‌داد. ماجرا سرتاسر اتفاق بود.

تا به امروز، یعنی با گذشت 70000 نسل – برابر با 1.9 میلیون سال تکامل از منظر انسان – تنها یکی از دوازده دودمان قادر به هضم سیترات است. برای باکتری‌های آن یک نمونه، تغییری کوچک به معنای عوض شدن کل آینده‌شان بود و تمام این‌ها حاصل جهشی اتفاقی بود که از طریق چهار تصادف نامرتبط ممکن شده بود. یازده جهان باکتریایی دیگر همچنان مشغول خوردن قند هستند و بی‌خبر از همه‌جا آسوده در حال شنا کردن در چیزی هستند که لنسکی آن را «دسر لیمویی» می‌خواند.

بلانت مدعی است آزمایش تکاملی طولانی مدت، منطقی پیشرفته و دقیق برای اندیشیدن در مورد نقاط عطف جوامع بشری در اختیارمان قرار می‌دهد. برای مثال برخی تاریخ‌نگاران بر این باورند که کلید موفقیت متفقین در جنگ جهانی دوم D-Day بود. اگر می‌شد این ادعا را به صورت تجربی به آزمون درآورد، تاریخنگاران نیز همان طرح پژوهش لنسکی و بلانت را پیاده می‌کردند. فرض کنید هزار کرۀ زمین یکسان دارید که می‌توانید در زمان‌های مختلف در حین جنگ جهانی دوم آنها را متوقف کنید. اگر شمار جهان‌هایی که در آن متفقین پس از D-Day پیروز می‌شوند بیشتر باشد، تاریخنگاران منطقاً می‌توانند نتیجه بگیرند که D-Day نقطه عطفی در پیروزی آنها در جنگ جهانی دوم بوده است. اما اگر متفقین فارغ از اینکه جهان از ژوئن 1942 شروع شود یا ژوئن 1944 (یعنی D-Day) در 75 درصد موافق پیروز شوند آنگاه بدیهی است که تاریخنگاران اشتباه کرده‌اند. D-Day چندان اهمیتی نداشته و در هر صورت احتمال برد نیروی متفقین بیشتر بوده است.

اما متاسفانه تنها یک کرۀ زمین داریم و نمی‌توانیم زمان را به عقب برگردانیم و آزمایش‌های همگرایی دربرابر اتفاق، تنها در آزمایشگاه‌های علمی و بر روی میکروب‌ها ممکن است. با این حال به نظر می‌آید که فعلاً لنسکی و بلانت – و تیم بزرگ پژوهشگرانی که بر روی آزمایش تکامل طولانی-مدت کار می‌کردند – مسئلۀ همگرایی یا اتفاق را حل کردند: جهان نزد ما به نظر همگرا می‌آید، تا اینکه روزی با شگفتی دریابیم که اینگونه نیست.

.

---

.