فرگشت – بخش نخست – فصل نخست – تکامل در سیستم های زنده

بخش نخست تعريف انسان

فصل نخست: سيستم‌هاي پيچيده

تكامل در سيستم‌های زنده

موجود زنده، سيستمی باز است كه بر زمینه‌ای از ماده/ انرژی/ اطلاعات می‌‌‌چرخد و نظم درونی خود را تا سطح بحرانی لازم برای توليدمثل بالا می‌‌‌برد. وقتی موجود به اين مرحله‌‌‌ی بحرانی رسيد، نظم درونی ساختارش عمری درازتر از خودِ ساختارش پيدا می‌‌‌كند و اين امكان را می‌‌‌يابد كه پس از نابود شدن سيستم نخستين، در قالب جديدِ سيستم فرزندی به بقا ادامه دهد. اين تناسخ پياپی اطلاعات در زنجيره‌‌‌ی كالبدهای خودسازماندهِ كوتاه عمر، جريانی پايدار در طول زمان را رقم می‌‌‌زند كه آن را همان پويايی جهان زنده می‌‌‌ناميم‌‌‌. اين زنجيره‌‌‌ی رويدادهای بيوشيميايی می‌‌‌تواند با تمركز بر هر يك از زوايای گوناگونش به اشكال گوناگون معنا شود. می‌‌‌توان موجودات زنده را ماشين‌هايی ساخته‌شده از مواد آلی دانست كه توسط هسته‌‌‌ای مركزی از اطلاعات جاويدان ــ ولی نه تغييرناپذيرِ ــ كدشده در DNA برای تكثير همين اطلاعات به‌‌‌كار گرفته می‌‌‌شود. و می‌‌‌توان از سوی ديگر ژنوم را بهانه‌ای برای پيدايش فردی جديد در نظر گرفت كه در برهه‌‌‌ی كوتاه موج عمر زندگی می‌‌‌كند و به بسط اطلاعات اكتسابی و ميرای مخصوص به خود می‌‌‌پردازد.

افزايش اطلاعات درونی سيستم تا سطحی كه به تكثير خودِ سيستم بينجامد، به منابعی وابسته است كه تغذيه شدن سيستم توسط ماده/ انرژی/ اطلاعات را تضمين نمايند. مقدار مشخصی انرژی، نوع تخصص‌يافته‌‌‌ای از ماده و حجمی مشخص از اطلاعات بايد در محيط وجود داشته باشد تا سيستم زنده بتواند در تكثير خود كامياب شود. به عبارت ديگر، تكثير موجود زنده نيازمند صرف هزينه‌‌‌ای از سوی محيط است. شرايط اوليه‌‌‌ی موجود بر كره‌‌‌ی زمين در چهار ميليارد سال پيش برای پرداخت چنين هزينه‌‌‌ای مناسب بود و به همين دليل هم نخستين جانداران در قالب مولكول‌های همانندسازی پديدار شدند كه نظم درونی خود را در قالب مولكول‌هايی شبيه با خود بازتوليد می‌‌‌كردند. تكثير اين موجودات، در شرايط مساعد محيطی به شكلی نامحدود ادامه می‌‌‌يافت تا آنجا كه منابع موجود در محيط برای پشتيبانی از تمام نسخه‌‌‌های تكثيرشده بسنده نباشد. نخستين چالشِ موجود بر سر سيستم‌های زنده، اين بود كه با زياد شدن تعداد همانندسازهای فرزند، منابع موجود برای حفظ و تغذيه‌‌‌ی همه‌‌‌شان وجود نداشت. به اين شكل بود كه قدرت دستيابی به منابع، تعيين‌كننده‌‌‌ی بخت همانندسازی ــ و بنابراين بقا ــ شد و انتخاب طبيعی ــ يعنی سومين شرط سيستم‌های تكاملی ــ ظهور كرد. قحطی، در اين ساده‌‌‌ترين شكلش، نخستين رانه‌‌‌ی تكاملی است، چرا كه رقابت بين همانندسازها را ممكن می‌‌‌كند و به اين ترتيب همانندسازهايی را كه نمی‌‌‌توانند با بازده و توانايی بيشتر توليدمثل كنند از دور مسابقه‌‌‌ی تكاملی حذف می‌‌‌كند.

رقابت بر سر منابع، و انقراض‌های اجتناب‌‌‌ناپذيرِ ناشی از آن، آنگاه كه با جهش‌‌‌پذيری اطلاعات درونی سيستم زنده تركيب شود، شانس پيچيده‌‌‌تر شدن موجود زنده را فراهم می‌‌‌كند.^[1] همانندسازها در تلاش برای بهينه كردن سرعت توليدمثل خود و بيشينه كردن تعداد نسخه‌‌‌های تكثيرشده از اطلاعات درونی‌‌‌شان ناچار می‌‌‌شوند تغيير كنند. جهش‌‌‌يافتگانی كه توانايی‌‌‌شان در بيشتر تكثير شدن، بهتر صرف كردن منابع يا کمتر كردن انرژی هدر رفته، اندكی بيشتر از ديگران اين امكان را دارند كه فرزندانِ خود را به تدريج جايگزين فرزندان همانندسازهای ديگر كنند، و به اين ترتيب تركيب اطلاعاتِ ژنومی در جمعیت‌‌‌های گوناگون مرتب دگرگون می‌شود. از آنجا كه اين مسابقه‌‌‌ی تكاملی در بين گونه‌‌‌های دارای روابط پيچيده با يکديگر صورت می‌‌‌پذيرد، ما با تغييراتی در بافت جمعيتی بوم‌های گوناگون روبه‌رو هستيم، و نه با همانندسازهايی كه در خلأ با هم رقابت كنند. روابط گوناگون همانندسازها ــ از شكارگری گرفته تا همزيستی ــ شبكه‌‌‌هايی به هم پيوسته از همانندسازهای مختلف را پديد می‌‌‌آورد كه به يكديگر تبديل می‌‌‌شوند، توسط اشكال نوظهوری جايگزين می‌‌‌شوند و در نهايت، همگی به نوبه‌‌‌ی خود منقرض می‌‌‌گردند.^[2]

موجوداتی كه در مسابقه‌‌‌ی دستيابی به منابع شكست می‌‌‌خورند می‌‌‌توانند دو سرنوشت پيدا كنند. ساده‌‌‌ترين و رايج‌‌‌ترين امكان، آن است كه منقرض شوند و جای خود را به گونه‌‌‌ها و نسخه‌‌‌های ژنومی تواناتر دهند. اين، اتفاقی است كه دير يا زود رخ می‌‌‌دهد. يعنی به عنوان يك قاعده، اگر به اندازه‌‌‌ی كافی صبر كنيم، همه‌‌‌ی گونه‌‌‌ها منقرض می‌‌‌شوند.

اما يك امكان ديگر هم برای سيستم‌های شكست خورده وجود دارد. سيستم‌هايی كه در رقابت ناكام مانده‌‌‌اند و از دستيابی به منابع مورد نيازشان محروم مانده‌‌‌اند، می‌‌‌توانند نمايشنامه‌‌‌ی كهن‌سالِ خودسازماندهی را در تماشاخانه‌ای بزرگ‌تر به پرده برند و به جای نابود شدن، نيازهای خود را دگرگون سازند و با منابعی جديد سازش يابند و پشتيبانی بخش‌هايی ناشناخته از محيط را به دست آورند.

به اين ترتيب، شكست‌خوردگان مرتب به دنبال منابعی جديد و فضاهايی تازه برای زيستن می‌‌‌گردند. در اين ميان، آن جاندارانی پيروز می‌‌‌شوند كه اطلاعات درونی‌‌‌شان امكان سازگار شدن با محیط‌‌‌های جديد را براي‌شان فراهم نمايد. كدهای ژنتيكی، كه به طور تصادفی جهش می‌‌‌كنند، امكان پديدار ساختن الگوهايی نوظهور از ساختاربندی موجودات زنده را به دست می‌‌‌دهند. اين ساختارهای نوظهور معمولاً در بخش‌های غيرمجاز از فضای حالت سيستم قرار می‌‌‌گيرند و به همين دليل جهش‌‌‌ها معمولاً به مرگ فرزندانِ ناهنجار منتهی می‌‌‌شود؛ اما همين تحولات تصادفی گه‌گاه امكان تجربه‌‌‌ی بخش‌هايی مجاز ــ اما ناشناخته ــ از فضای حالت را برای سيستم زنده فراهم می‌‌‌كند. در چنين شرايطی فرزندان جهش يافته می‌‌‌توانند در صورت مساعد بودن شرايط محيطی، به فتح بوم‌هايی نو و تسخير فضاهايی دست‌نخورده از محيط اميدوار باشند. فضاهايی كه سرشار از منابع سودمند و قابل ‌‌‌استفاده هستند، و تنها به دليل بی‌‌‌سابقه بودن حضور همانندسازهای مصرف‌كننده‌‌‌شان، هم‌چنان تجربه‌ناشده باقی مانده‌‌‌اند.

شرايط نوظهوری كه موجود جهش‌يافته با آن دست و پنجه نرم می‌‌‌كند، معمولاً، از محيطی كه توسط والدين شكست خورده‌‌‌اش تجربه می‌‌‌شده دشوارتر است. بخش‌های غنی، آسان‌‌‌ياب و در دسترسِ محيط، كه منابع مورد نياز سيستم زنده را به سادگی برايش فراهم می‌‌‌كنند، در مسير تكامل زودتر تجربه می‌‌‌شوند و سریع‌‌‌تر توسط همانندسازهای رقيب اشغال می‌‌‌گردند. آن جاندارانی كه از اين محیط‌‌‌های مساعد و آرام رانده می‌‌‌شوند و ورود به محيطی نو را بر انقراض ترجيح می‌‌‌دهند، ناچارند با مجموعه‌ای پيچيده‌‌‌تر از شرايط دشوار محيطی رويارو شوند و چالش‌هايی بغرنج‌‌‌تر را حل نمايند. به همين دليل هم معمولاً جهش‌‌‌هايی بخت بقای شكست‌خوردگان را زياد می‌‌‌كند كه به پيچيدگی بيشترشان بينجامد.

به اين شكل، همانندسازها در مسير زمان برای دستيابی به بهره‌‌‌وری بالاتر از منابع موجود پيچيده‌‌‌تر می‌‌‌شوند تا منابعی را كه در بخش‌هايی دشوارتر و دست‌نخورده‌‌‌تر از فضای حالت‌شان قرار دارند، مورد استفاده قرار دهند. اين رانده شدن تدريجی شكست‌خوردگانِ رقابت به محیط‌‌‌ها و كنام‌های دشوارتر و پيچيده‌‌‌تر شدن‌شان برای سازگاری با اين محیط‌‌‌ها را در بوم‌‌‌شناسی تكاملی «طرد رقابتی»^[3] می‌‌‌نامند.

اصل طرد رقابتی، جدايی تدريجی كنام موجوداتِ دارای منابع مورد نياز يكسان را بيان می‌‌‌كند. بر اين مبنا، برخی از موجودات به دليل غيرقابل تحمل شدن فشار رقابت بر سر منابع موردنيازشان مرتباً از محيط بهينه‌‌‌ی اوليه‌‌‌شان خارج می‌‌‌شوند. تك‌‌‌ياخته‌‌‌ای‌‌‌هايی كه روزگاری در درياها از محيطی با رطوبت، دما، فشار اسمزی و مواد غذايی دلخواه برخوردار بودند، ناچار شدند برای دستيابی به كنامی كه اين شرايط را داشته باشد با هم رقابت كنند.

برخی از رقيبانی كه در اين مسابقه شكست می‌‌‌خوردند، موفق شدند به زندگی در شرايطی دشوارتر ــ مثلاً در خشكی ــ خو بگيرند و هزينه‌‌‌ی بالای نامساعد بودن شرايط را با سودِ سبک‌تر بودنِ بار رقابت جبران كنند. زيستن در شرايط دشوار به پيچيدگی بیشتری نياز دارد و اين پيچيدگی بيشتر خود موجب تشديد رقابت در بومِ تازه فتح‌شده می‌‌‌شود. به اين ترتيب، چرخه‌‌‌ی بسته‌‌‌ی مقابل به بروز بازخوردی مثبت می‌‌‌انجامد كه در نهايت پيچيدگی و تنوع جانداران را به طور مستمر افزايش می‌‌‌دهد و اين همان است كه سير تكامل جانداران خوانده می‌‌‌شود.^[4]

به عنوان يكی از روش‌های تعريف پيچيدگی، می‌توان از تعداد متغيرهای مؤثر بر رفتار سيستم ياد كرد. هرچه موجود پيچيده‌‌‌تر باشد، تعداد شاخص‌های تعيين‌كننده‌‌‌ی پويايی آن نيز بيشتر خواهد شد. بنابراين بالا رفتن يك سيستم تكاملی از نردبان سلسله‌مراتب پيچيدگی، مترادف افزايش تعداد ابعاد فضای حالت آن هم محسوب می‌‌‌شود. يك اسب از يك آميب پيچيده‌‌‌تر است و به همين دليل هم شاخص‌های بیشتری در تعيين رفتارش نقش دارند. بنابراين اگر بخواهيم پويايی سيستم يك اسب را بر فضای حالتی نشان دهيم به تعداد بیشتری بُعد نيازمند خواهيم بود. اين حرف مترادف آن است كه تعداد ابعاد فضاي حالت سيستم اسب را از ابعاد مشابه آميب بيشتر بدانيم.

بنابراين، وقتی می‌‌‌گوييم در مسير تكامل، و به دليل كاركرد هم‌زمان رقابت و انتخاب طبيعی، پيچيدگی افزايش می‌‌‌يابد در واقع مشغول بيان اين نكته هستيم كه در طول زمان تعداد ابعاد فضای حالت سيستم‌های پيچيده بيشتر می‌‌‌شود. تكامل، در اين معنا، عبارت است از افزوده شدن تدريجی بر تعداد ابعاد فضای حالت موجودات زنده‌‌‌ای كه می‌‌‌كوشند تا به بخش‌های مجاز ولی تسخيرناشده‌‌‌ی اين فضا چنگ بيندازند و بخش‌های جديدی از بوم را اشغال كنند.

روند تكثير، رقابت و انقراض به پيچيده‌‌‌تر شدن موجودات در طول زمان می‌‌‌انجامد. پيچيدگی بيشتر به معنای حساس‌تر بودن به شرايط محيطی هم هست. موجودات پيچيده‌‌‌تر در خط‌راهه‌ي پويايی سيستم‌های زنده، شاخه‌‌‌هايی فرعی‌‌‌تر و دوردست‌‌‌تر را تشكيل می‌‌‌دهند. از آنجا كه پيدايش يك بوم زيست‌‌‌شناختی تنها در حضور شبكه‌‌‌ی جاندارانی كه آن را اشغال كرده‌‌‌اند تعريف‌‌‌شدنی است، می‌‌‌توان به سادگی به اين نتيجه رسيد كه جانداران تنها به اشغال كردن بوم‌های خالی نمی‌‌‌پردازند؛ بلكه آن‌ها، با تغييرات تصادفی ژنوم‌شان و با به دست آوردن امكان بهره‌‌‌برداری از منابعی كه در محیط‌‌‌هايی متفاوت وجود دارند، در واقع كنام و بوم مخصوص به خود را می‌‌‌آفرينند.^[5]

جهان زنده، شبكه‌‌‌ای در هم تنيده از میلیون‌ها گونه‌‌‌ی زنده است. مجموعه‌‌‌ی درهم‌‌‌بافته‌ای از الگوهای متنوع ژنومی كه حدود 7/3 ميليارد سال پیش از يك نسخه‌‌‌ی بسيار ساده‌‌‌ی باستانی مشتق شده‌‌‌اند و شاخه‌‌‌های بي‌شماری را از آن بذر اوليه پديد آورده‌‌‌اند.^[6]

این نیای مشترک اولیه را واپسین نیای عمومی (LUA)^[7] یا واپسین نیای عمومی مشترک (LUCA)^[8] می‌نامند و داروین بود که برای نخستین بار به شکلی علمی از آن سخن به میان آورد.^[9] ردیابی تبار ژنتیکی جانداران امروزین نشان می‌دهد که چنین نیای مشترکی به راستی وجود داشته و در دوران پالئوآرکین^[10] می‌زیسته است.^[11] شباهت خزانه‌ی ژنومی جانداران به قدری است که نشان می‌دهد همه‌ی سیستم‌های زنده‌ی کنونی خویشاوند هستند و ساختار اولیه‌ی اطلاعات وراثتی خود را از نیای مشترکی به ارث برده‌اند.^[12]

برخی از دانشمندان قرن نوزدهم به وجود اجدادی متکثر باور داشتند و فکر می‌کردند شاخه‌های گوناگون جانداران ــ مثلاً باکتری‌های پروکاریوت و پرسلولی‌های یوکاریوت ــ از چند نیای متفاوت مشتق شده باشند، اما امروز توافقی عمومی در مورد یکتا بودن این نیای مشترک وجود دارد. در واقع محاسبه‌ها نشان می‌دهد که احتمال دارا بودن نیای مشترک 10²⁸⁶⁰ بار بیشتر از تکامل موازی از چند نیای بی‌ربط است!^[13] یعنی تقریباً قطعی است که حیات بر زمین به درختی می‌ماند که ساقه و ریشه‌ی مشترکی در گذشته‌های بسیار دور دارد. تمام جاندارانی که امروز می‌بینیم، نتیجه‌ی تکثیر اطلاعات ژنتیکی این نیای آغازین هستند و با یک خط پیوسته‌ی دودمانی به آن متصل می‌شوند،^[14] اما در گذر زمان چندان دگردیسی یافته‌اند که دیگر شباهتی با آن خاستگاهِ آغازین ندارند. یعنی آن نیای مشترک، نیای هیچ‌یک از گونه‌هایی که امروز بر زمین حضور دارند نبوده است. آزمون‌ها و پژوهش‌های فراوان نشان می‌دهد^[15] که آنچه ما در پیرامون خویش می‌بینیم شاخه‌های روییده بر درختی کهن است که از ریشه‌اش بسیار فاصله دارد.

هر از چند گاه، يكی از شاخه‌‌‌های اين درخت تنومند جوانه‌ای تازه پيدا می‌‌‌كند و گونه‌‌‌ای نوظهور زير فشار رقابت با اطرافيانش به دامان بومی ناشناخته و دشوار پرتاب می‌‌‌شود. اگر اين شاخه‌‌‌های تصادفی خط‌راهه‌ي پويايی حيات زير فشار شرايط محيطی نابود نشوند و پيچيدگی لازم برای جذب منابع از محيط را به دست آورند، اين بخت را خواهند داشت كه خود به مرتبه‌‌‌ی شاخه‌ای اصلی ارتقا يابند و به تدريج شاخه‌‌‌های فرعی‌‌‌تر ديگری را به داخل قسمت‌های دورافتاده‌‌‌تر فضای حالت‌شان گسيل سازند.^[16] حلقه‌‌‌هايی از اين بافتنی شگفت‌‌‌انگيز، كه در رقابت با ديگران از خود ضعف نشان دهند، به تدريج از كل بافت بوم‌‌‌شناختی اطراف‌شان حذف می‌‌‌شوند و اين روند انتخاب‌ها و حذف‌های پياپی تكاملِ كلِ زيست‌‌‌كره‌‌‌ی^[17] سياره‌‌‌ی ما را رقم می‌‌‌زند.

600px-Tree_of_life_SVG