اصل «صرفه‌جویی» در تکامل
چرا موجودات زنده به هم شباهت دارند؟
عرفان خسروی. دیرینه‌شناس
ماهیت ترمودینامیک حیات نشان می‌دهد موجودات زنده ذاتا در معرض تغییر و تحول هستند. بنابراین انتظار داریم از نسل والدی یگانه، زادگانی متفاوت پیدا شوند و در نسل‌های بعد، این تفاوت‌ها بیشتر و بیشتر شوند، تا جایی که پس از نسل‌های متمادی، جاندارانی به کلی متفاوت پیدا شوند. با وجود این، جانداران زمین شباهت‌های بسیار زیادی با یکدیگر دارند و برخی از ویژگی‌ها میان همه جانداران زمین مشترک است.
ساختار ژنوم مبتنی بر اسیدهای نوکلئیک، ساختار ریبوزوم، غشای فسفولیپیدی دربرگیرنده ژنوم و باقی سازوکارهای پیرامونی آن که در اصطلاح سلول یا یاخته نامیده می‌شود، رمزگان ژنتیک تقریبا یکسان میان همه باکتری‌ها، آرکی‌ها و یوکاریوت‌ها، ترجیح و رواج انانتیومر L اسیدهای آمینه و انانتیومر D قندها از جمله ویژگی‌های مشترک میان تقریبا همه جانداران زمین هستند. جز اینها بسیاری ویژگی‌های دیگر میان گروه‌هایی از جانداران اشتراک دارند. مثلا گروهی از جانداران یاخته‌هایی با ساختارهای درونی متعدد دارند و ژنوم آنها درون غشای مضاعفی قرار گرفته که آن را هسته می‌نامیم. به این گروه از جانداران واجد هسته «یوکاریوت‌ها» می‌گوییم. میان یوکاریوت‌ها شباهت‌های فراوان دیگری هم وجود دارد. مثلا همه آنها ژنوم خطی دارند (خلاف ژنوم سایر جانداران که ساختار حلقوی دارد) و در ژنوم همه آنها، ژن‌هایی وجود دارند که مخصوص هدایت و برنامه‌ریزی عملکرد اندامکی به نام میتوکندری است. میتوکندری در اغلب یوکاریوت‌ها مسئول تنفس یاخته‌ای است. جالب است حتی یوکاریوت‌های بدون میتوکندری، ژن‌های مخصوص هدایت میتوکندری را دارند.
اگر به گروه‌های کوچک‌تر جانداران نگاه کنیم، فهرست شباهت‌های میان اعضای این گروه‌ها همچنان بیشتر می‌شود. مثلا شباهت‌های بسیار زیادی میان همه مهره‌داران وجود دارد که وجود ستون مهره‌ها، فقط یکی از این شباهت‌هاست. از آنجا که ساختار و جزئیات یاخته‌ها و بدن همه جانداران بر اساس ژنوم آنها شکل می‌گیرد، می‌توان با نگاهی به توالی ژنوم متوجه میزان شباهت جانداران شد. مثلا همه انسان‌ها با یکدیگر 99.9 درصد شباهت ژنتیک دارند. شباهت ژنتیک انسان و شمپانزه 98.5 درصد است. شباهت ژنتیک انسان و گربه حدود ۹۰ درصد است، ۶۵ درصد با پرندگان مشابهت ژنتیک داریم، ۴۴ درصد با زنبور عسل، ۲۵ درصد با برنج و ۱۸ درصد با مخمر. اگر قرار است جانداران به مرور زمان با یکدیگر متفاوت شوند، چرا همچنان شباهت‌های زیادی میان جانداران وجود دارد؟
می‌توان سه فرضیه متفاوت برای دلیل این شباهت‌ها در نظر گرفت؛ فرضیه اول: این ویژگی‌های مشابه به صورت جداگانه و اتفاقی پیدا شده‌اند؛ یعنی جانداران خاستگاه‌های متفاوت دارند، اما به دلایلی همه آنها راه‌حل‌های مشابهی برای زنده‌ماندن یافته‌اند. فرضیه دوم: این ویژگی‌ها به واسطه انتقال عرضی ژنوم میان جانداران ایجاد شده است؛ یعنی جانداران خاستگاه‌های متفاوت دارند، اما به واسطه تغذیه از هم یا رابطه انگلی یا حتی مجاورت، ژن‌های همدیگر را جذب کرده و شبیه شده‌اند. فرضیه سوم: جانداران خاستگاه یگانه دارند و شباهت‌های میان آنها، میراث بازمانده از نیاکانی مشترک است.
لزومی ندارد فقط یکی از این سه فرضیه درست باشد. می‌توان فرض کرد هر سه آنها محتمل و ممکن هستند. مثلا برخی شباهت‌ها محصول پیدایش اتفاقی یک صفت در دو جاندار مختلف هستند؛ برخی جانداران با یکدیگر ژن مبادله می‌کنند و برخی جانداران با یکدیگر شبیه هستند، چون نیاکان مشترک دارند. اما قطعا احتمال رخ‌دادن این سه فرضیه با هم برابر نیست. اینجاست که اصلی منطقی به نام صرفه‌جویی (Parsimony) به فریاد می‌رسد. به زبان ساده، اصل صرفه‌جویی می‌گوید وقتی احتمال رخ‌دادن اتفاقی باشد، احتمال اینکه آن اتفاق دو بار به صورت مستقل رخ دهد، خواهد بود. به این ترتیب، احتمال اینکه صفتی (مثلا پروتئین کلاژن) به صورت جداگانه در هر کدام از میلیون‌ها گونه جانوران (از اسفنج‌ها بگیرید تا کیسه‌تنان، نرم‌تنان، کرم‌ها، بندپایان و مهره‌داران) پیدا شده باشد، تقریبا معادل صفر خواهد شد. اگر بقیه صفت‌های مشترک میان جانوران را نیز به این حساب و کتاب بیفزایید، قطعا احتمال پیدایش جداگانه و مستقل تک‌تک آنها بیشتر و بیشتر به صفر میل خواهد کرد. بنابراین صفات مشترکی که به طور گسترده در بسیاری جانداران دیده می‌شوند، به صورت مستقل پیدا نشده‌اند و خاستگاهی مشترک
دارند. یعنی این صفات در جانداری واحد پیدا شده‌اند و همه جانداران بعدی که از نسل آن نیای مشترک پدید آمده‌اند، با وجود تفاوت‌های متعدد، همچنان صفات به ارث‌رسیده از نیای قدیمی خود را حفظ کرده‌اند. به این ترتیب، حتی اگر همچنان فرض کنیم برخی مشابهت‌های معدود میان برخی جانداران ممکن است جداگانه پیدا شده باشند، انبوه صفت‌های مشابه میان جانداران، نشان‌دهنده خاستگاه یگانه همه جانداران است.
ماهیت ترمودینامیک حیات نشان می‌دهد موجودات زنده ذاتا در معرض تغییر و تحول هستند. بنابراین انتظار داریم از نسل والدی یگانه، زادگانی متفاوت پیدا شوند و در نسل‌های بعد، این تفاوت‌ها بیشتر و بیشتر شوند، تا جایی که پس از نسل‌های متمادی، جاندارانی به کلی متفاوت پیدا شوند. با وجود این، جانداران زمین شباهت‌های بسیار زیادی با یکدیگر دارند و برخی از ویژگی‌ها میان همه جانداران زمین مشترک است.
ساختار ژنوم مبتنی بر اسیدهای نوکلئیک، ساختار ریبوزوم، غشای فسفولیپیدی دربرگیرنده ژنوم و باقی سازوکارهای پیرامونی آن که در اصطلاح سلول یا یاخته نامیده می‌شود، رمزگان ژنتیک تقریبا یکسان میان همه باکتری‌ها، آرکی‌ها و یوکاریوت‌ها، ترجیح و رواج انانتیومر L اسیدهای آمینه و انانتیومر D قندها از جمله ویژگی‌های مشترک میان تقریبا همه جانداران زمین هستند. جز اینها بسیاری ویژگی‌های دیگر میان گروه‌هایی از جانداران اشتراک دارند. مثلا گروهی از جانداران یاخته‌هایی با ساختارهای درونی متعدد دارند و ژنوم آنها درون غشای مضاعفی قرار گرفته که آن را هسته می‌نامیم. به این گروه از جانداران واجد هسته «یوکاریوت‌ها» می‌گوییم. میان یوکاریوت‌ها شباهت‌های فراوان دیگری هم وجود دارد. مثلا همه آنها ژنوم خطی دارند (خلاف ژنوم سایر جانداران که ساختار حلقوی دارد) و در ژنوم همه آنها، ژن‌هایی وجود دارند که مخصوص هدایت و برنامه‌ریزی عملکرد اندامکی به نام میتوکندری است. میتوکندری در اغلب یوکاریوت‌ها مسئول تنفس یاخته‌ای است. جالب است حتی یوکاریوت‌های بدون میتوکندری، ژن‌های مخصوص هدایت میتوکندری را دارند.
اگر به گروه‌های کوچک‌تر جانداران نگاه کنیم، فهرست شباهت‌های میان اعضای این گروه‌ها همچنان بیشتر می‌شود. مثلا شباهت‌های بسیار زیادی میان همه مهره‌داران وجود دارد که وجود ستون مهره‌ها، فقط یکی از این شباهت‌هاست. از آنجا که ساختار و جزئیات یاخته‌ها و بدن همه جانداران بر اساس ژنوم آنها شکل می‌گیرد، می‌توان با نگاهی به توالی ژنوم متوجه میزان شباهت جانداران شد. مثلا همه انسان‌ها با یکدیگر 99.9 درصد شباهت ژنتیک دارند. شباهت ژنتیک انسان و شمپانزه 98.5 درصد است. شباهت ژنتیک انسان و گربه حدود ۹۰ درصد است، ۶۵ درصد با پرندگان مشابهت ژنتیک داریم، ۴۴ درصد با زنبور عسل، ۲۵ درصد با برنج و ۱۸ درصد با مخمر. اگر قرار است جانداران به مرور زمان با یکدیگر متفاوت شوند، چرا همچنان شباهت‌های زیادی میان جانداران وجود دارد؟
می‌توان سه فرضیه متفاوت برای دلیل این شباهت‌ها در نظر گرفت؛ فرضیه اول: این ویژگی‌های مشابه به صورت جداگانه و اتفاقی پیدا شده‌اند؛ یعنی جانداران خاستگاه‌های متفاوت دارند، اما به دلایلی همه آنها راه‌حل‌های مشابهی برای زنده‌ماندن یافته‌اند. فرضیه دوم: این ویژگی‌ها به واسطه انتقال عرضی ژنوم میان جانداران ایجاد شده است؛ یعنی جانداران خاستگاه‌های متفاوت دارند، اما به واسطه تغذیه از هم یا رابطه انگلی یا حتی مجاورت، ژن‌های همدیگر را جذب کرده و شبیه شده‌اند. فرضیه سوم: جانداران خاستگاه یگانه دارند و شباهت‌های میان آنها، میراث بازمانده از نیاکانی مشترک است.
لزومی ندارد فقط یکی از این سه فرضیه درست باشد. می‌توان فرض کرد هر سه آنها محتمل و ممکن هستند. مثلا برخی شباهت‌ها محصول پیدایش اتفاقی یک صفت در دو جاندار مختلف هستند؛ برخی جانداران با یکدیگر ژن مبادله می‌کنند و برخی جانداران با یکدیگر شبیه هستند، چون نیاکان مشترک دارند. اما قطعا احتمال رخ‌دادن این سه فرضیه با هم برابر نیست. اینجاست که اصلی منطقی به نام صرفه‌جویی (Parsimony) به فریاد می‌رسد. به زبان ساده، اصل صرفه‌جویی می‌گوید وقتی احتمال رخ‌دادن اتفاقی باشد، احتمال اینکه آن اتفاق دو بار به صورت مستقل رخ دهد، خواهد بود. به این ترتیب، احتمال اینکه صفتی (مثلا پروتئین کلاژن) به صورت جداگانه در هر کدام از میلیون‌ها گونه جانوران (از اسفنج‌ها بگیرید تا کیسه‌تنان، نرم‌تنان، کرم‌ها، بندپایان و مهره‌داران) پیدا شده باشد، تقریبا معادل صفر خواهد شد. اگر بقیه صفت‌های مشترک میان جانوران را نیز به این حساب و کتاب بیفزایید، قطعا احتمال پیدایش جداگانه و مستقل تک‌تک آنها بیشتر و بیشتر به صفر میل خواهد کرد. بنابراین صفات مشترکی که به طور گسترده در بسیاری جانداران دیده می‌شوند، به صورت مستقل پیدا نشده‌اند و خاستگاهی مشترک
دارند. یعنی این صفات در جانداری واحد پیدا شده‌اند و همه جانداران بعدی که از نسل آن نیای مشترک پدید آمده‌اند، با وجود تفاوت‌های متعدد، همچنان صفات به ارث‌رسیده از نیای قدیمی خود را حفظ کرده‌اند. به این ترتیب، حتی اگر همچنان فرض کنیم برخی مشابهت‌های معدود میان برخی جانداران ممکن است جداگانه پیدا شده باشند، انبوه صفت‌های مشابه میان جانداران، نشان‌دهنده خاستگاه یگانه همه جانداران است.