تکامل جهت‌دار و جهت‌داری تکامل

روایت طبیعت چه شیرین است؛
خرد مداخله‌گر ما
صورت زیبای چیزها را خدشه‌دار می‌کند-
به منظور کالبدشکافی مرتکب قتل می‌شویم.
علم و هنر بس است؛
این صحف بی‌ثمر را ببند؛
پیش آی و قلبی به همراه آور
که به تماشا می‌نشیند و پذیراست.
ویلیام وُردزوُرث
ابیاتی از ورق‌های برگشته، ۱۷۹۸
یکی از برندگان جایزه نوبل در رشته شیمی سال ۲۰۱۸ فرانسِس آرنولد بود. این پژوهشگر حوزه بیوشیمی و زیست‌مهندسی به سبب فعالیت‌های پیشگامانه‌اش در باب تکامل جهت‌دار نامزد دریافت جایزه نوبل شد. سودبردن از فرايندهای تکاملی به دست انسان برای دستیابی به محصولات زیستی خاص ابداعی نو نیست؛ داروین منشأ گونه‌ها (۱۸۵۹) را با بررسی «انتخاب مصنوعی» می‌آغازد و تلاش می‌کند تا با توصیف شباهت‌های میان گزینش اقسام موردنظر توسط پرورش‌دهندگان کبوتر و اَلَک‌شدن تنوع‌های موجود در جمعیت‌های زیستی، چگونگی عملکرد انتخاب طبیعی را توضیح دهد. فرانسیس آرنولد و پرورش‌دهندگان کبوتر هدف خاصی را در سر داشتند و به منظور نیل به آن از فرايندهای تکاملی (جهش‌زایی برای پدیدآوری اقسام نو و انتخاب طبیعی در قالبی هدف‌دار) سود بردند. اما صفت «جهت‌‌دار» در واژه «تکامل جهت‌دار» به چه معناست؟ مگر تکامل به خودی خود جهت‌دار نیست؟ فهم آنچه شالوده برنامه پژوهشی فرانسِس آرنولد را تشکیل می‌دهد، نیازمند درک شماری از بنیادی‌ترین مفاهیم نظریه نوین تکامل است. تصور چگونگی حرکت جمعیت طی تکامل نقطه شروع مناسبی برای فهم تکامل است. برای فهم این مطلب ابتدا به اندکی آشنایی با رابطه اطلاعات ژنتیکی یک موجود زنده - که ژن‌نمود آن موجود خوانده می‌شود- و خصوصیاتی که بر اساس این اطلاعات شکل می‌گیرند، همان رخ‌نمود آن جاندار، نیاز است. فرض کنید که تمامی ژن‌نمود یک موجود رشته‌ای از جنس دئوکسی ریبونکلوئیک اسید (به اختصار دِنا) به طول ۱۰ واحد است. واحدهای سازنده رشته دنا تنها می‌توانند از میان چهار نوع واحد انتخاب شوند: سیتوزین، گوآنین، تایمین و آدنین. با این حساب، می‌توان ۴۱۰ حالت مختلف را برای رشته‌ای ۱۰واحدی تصور کرد. این يك‌ميليون‌و48هزارو 576 حالت مختلف که یک رشته ۱۰واحدی دنا می‌تواند داشته باشد، تمامی حالات ژنتیکی ممکن برای این رشته است. توالی دنای هر جانداری که از ۱۰ واحد تشکیل شده‌ باشد در این مجموعه يك‌ميليون‌و48هزارو 576 تایی یافت می‌شود. البته حتی ویروس‌ها که برای زندگی به میزبانان پیچیده‌تر خود وابسته بوده و به تنهایی از پس بسیاری از کارکردهای زیستی برنمی‌آیند، حاوی توالی به طول بیش از سه ‌هزار واحد هستند و توالی ژنوم ساده‌ترین باکتری نیز شامل 580 هزار واحد می‌شود. با وجود کوتاه‌توالی ویروسی، دنایی به طول سه‌ هزار واحد به معنای 43 هزار ترکیب مختلف از چهار واحد ممکن در قالب سه‌ هزار جایگاه موجود در چنین ژنومی است. (ژنوم یا ژنگان به معنای کل اطلاعات ژنتیکی یک جاندار است.) اگر تمامی 43 هزار ویروس را تصور کنیم که هر یک حاوی ژنوم متمایز باشد، آن‌گاه می‌توان به هر یک از این ویروس‌ها کمیتی به نام شایستگی زیستی را نسبت داد. شایستگی زیستی نشان می‌دهد که یک موجود زنده چه میزان در تولیدمثل موفق‌تر از همتایانش است. شایستگی زیستی شماری از این 43 هزار ژنوم متفاوت چندان تفاوت معناداری با یکدیگر نخواهند داشت و اگر ویروس‌های حامل این ژنوم‌ها با یکدیگر بر سر منابع محیطی گلاویز شوند، تنها بخت و اقبال مشخص‌کننده برنده خواهد بود. با افزودن بعد شایستگی زیستی به 43 هزار ژنوم، ما منظر شایستگی برای ویروس پدید آوردیم. به‌تصویر‌کشیدن این منظر در ذهن سه‌بعدی ما کمی دشوار است چراکه برای کشیدن آن به
۴۳۰۰۰+۱ بعد نیازمندیم. برای ساده‌سازی می‌توان تصور کرد که تمامی ژن‌نمودهای ممکن برای این ویروس روی صفحه‌ای دوبعدی قرار دارند و ارتفاع هر نقطه روی این صفحه نشان‌دهنده شایستگی زیستی آن ژنوم است. این صفحه به نقشه جغرافیایی‌ای می‌ماند که در آن نقاط هم‌‌ارتفاع با خط‌چین‌هایی به هم متصل شده‌اند. چنین منظری چقدر پستی و ‌بلندی خواهد داشت؟ می‌توان حالتی را تصور کرد که قله‌ای در منظر وجود داشته باشد و تمامی ژن‌نمودهای دیگر شایستگی زیستی پایین‌تر از آن داشته باشند. اگر جمعیتی از موجودات زنده در نقطه‌ای از این منظر سازشی شروع به حرکت کنند، آیا می‌توانند در کمترین سرعت به این نقطه برسند؟ پیش‌بینی مسیر یک جمعیت در این منظر سازشی که تنها یک قله دارد چندان هم آسان نیست چراکه میان‌کنش فرايندهای مختلف تکاملی پدیده‌ای است پیچیده. انتخاب طبیعی آشناترین فرايند تکاملی است که جمعیت‌ها (و نه فرد) را به سوی ژن‌نمودهای شایسته‌تر در این منظر سازشی می‌راند. اگر هیچ فرايند دیگر تکاملی در کار نباشد، انتخاب طبیعی صرفا فراوانی هر ژن‌نمود موجود در جمعیت را متناسب با شایستگی زیستی آن در نسل بعد افزایش می‌دهد، به شکلی که نهایتا افرادی که از منظر زیستی شایسته‌ترند، بیشترین فراوانی را نیز در جمعیت خواهند داشت. اگر جهش را نیز به این جمعیت اضافه کنیم، آن‌گاه در هر نسل انتخاب طبیعی زادگان افراد حامل جهش‌های شایسته‌تر را انتخاب می‌کند. اگر منظر سازشی ما شکلی شبیه به یکی از نقاشی‌های هوکوسای باشد (تصویر ۱)، آن‌گاه انتخاب طبیعی باید نهایتا جمعیت را به بالای قله می‌رساند. اما مسئله‌اي که اثر انتخاب طبیعی را مختل می‌کند، فرايندی است که تحت عنوان رانِش ژنی شناخته می‌شود. رانش ژنی به نقش تصادف در تغییر فراوانی ژن‌نمودهای مختلف در یک جمعیت از نسلی به نسل دیگر اشاره می‌کند. تصور کنید که 10هزار تیله رنگی در دست دارید و می‌خواهید از میان این مجموعه از تیله‌ها، مجموعه‌ای دیگر بسازید. فرض کنید که بخواهیم مجموعه دوم را بدون کاهش اندازه مجموعه اول پدید آوریم؛ در این صورت وجود سطلی از تیله‌ها مشکل ما را حل می‌کند: می‌توان تیله‌ای را از مجموعه 10هزارتایی اولیه انتخاب کرد و با توجه به رنگ‌ آن تیله، تیله‌ای هم‌رنگ را از سطل انتخاب کرد و در مجموعه دوم قرار داد و سپس تیله نخستین را به مجموعه 10هزارتایی بازگرداند. فرض کنید که از 10هزار تیله مجموعه اول، یک‌چهارم آبی‌رنگ، یک‌چهارم سبزرنگ و نیمی زرد هستند. با فرض انتخاب تصادفی تیله‌ها طبق روشی که توصیف شد، نسبت تیله‌ها در مجموعه دوم چه خواهد بود؟ برای حل این مسئله تنها نگاشتن چند خط به زبان رایانه کفایت می‌کند؛ نتیجه یک دور نمونه‌برداری تصادفی از میان 10هزار تیله با نسبت‌های رنگی فوق در رایانه من نسبت‌هایی مشابه نسل قبل بود (آبی-۰.۲۴۰۸، سبز- ۰.۲۵۳۸ و زرد- ۰.۵۰۵۴). اگر تعداد تیله‌ها را از 10هزار به صد کاهش دهیم و نسبت تیله‌های ما در این مجموعه صدتایی همان یک‌چهارم، یک‌چهارم و یک‌دوم باشد، نمونه‌برداری تصادفی چه نسبتی را حاصل می‌شود؟
(آبی- ۰.۲۸، سبز- ۰.۲۷ و زرد- ۰.۴۵). همان‌گونه که آشکار است اثر تصادف در مجموعه‌ای کوچک‌تر، پررنگ‌تر است. اگر ژن‌نمودهای یک جمعیت را مانند تیله‌هایی متفاوت در نظر بگیرد، نمونه‌برداری تصادفی می‌تواند صرفا برحسب تصادف به تغییر فراوانی این ژن‌نمودها در نسل بعد منجر شود. پرسشی که پیش می‌آید این است که دوشیزه طبیعتی وجود ندارد تا به این نمونه‌برداری تصادفی دست بزند و نتایجی که من در اینجا ذکر کردم حاصل نگارش چند خط کد نرم‌افزاری در رایانه شخصی‌ام است. نمونه‌برداری تصادفی به زبان رایانه نمود انتزاعی از حوادثی است که برای افراد در جمعیت رخ می‌دهد که ربطی به شایستگی زیستی آن افراد ندارد. اگر در جمعیتی از موش‌ها، یک موش شایسته‌ترین ژن‌نمود را نیز داشته باشد، اما از بخت بد در تصادف با ماشین از میان رود، آن‌گاه ژن‌نمود شایسته این موش در شن‌های زمان به فراموشی سپرده می‌شود. علاوه بر رانش ژنی، حرکت یک جمعیت در منظر سازشی می‌تواند به سبب شکل توپولوژی آن منظر محدود شود. اگر منظر سازشی ما بیش از آنکه به نقاشی باد آرام و صبح روشن هوکوسای شبیه باشد به یکی از آثار ایوان آیوازوفسکی بنماید، (تصویر ۲) چه؟ در این چنین منظری قلل بسیار با ارتفاع‌های متفاوت وجود دارند. انتخاب طبیعی نیز فرايندی است نزدیک‌بین و نمی‌تواند بلندترین قله در این منظر را «ببیند»؛ چراکه صرفا با ژن‌نمودهای دردسترس سروکار دارد. در بسیاری از مواقع در چنین منظر سازشی جمعیت روی یکی از این قله‌ها گیر می‌افتد و هرگز بر بلندترین قله ممکن در این منظر قدم نمی‌گذارد. می‌بیند که کمی غور و غوص در باب چگونگی تکامل یک جمعیت در فضای ژن‌نمودهای ممکن، دشواری دسترسی به بهترین ژن‌نمود (یا ژن‌نمودهای) ممکن در بسیاری از مواقع برای جمعیت‌های طبیعی ناممکن است. اضافه بر این مسائل، پستی- بلندی‌های یک منظر سازشی در شرایطی خاص تعریف می‌شوند و با تغییر شرایط محیطی (شامل فاکتورهای غیرزنده‌ای چون دما، رطوبت و امثالهم و فاکتورهایی زنده مانند ظهور شکارچی یا شکاری تازه یا دگرگونی پوشش گیاهی) شایستگی ژن‌نمودها را دستخوش تغییر می‌کنند و توپولوژی منظر سازشی را اساسا تغییر خواهند داد. آنچه فرانسس آرنولد و همکارانش در چارچوب روشی که تکامل جهت‌دار خوانده می‌شود در سر می‌پروراندند، رفع این دشواری‌ها در راه رسیدن به شایسته‌ترین ژن‌نمود ممکن بود.
انتخاب مصنوعی و طبیعی
چرا آرنولد دست‌به‌دامان انتخاب طبیعی برای ساخت پروتئین‌هایی با ویژگی‌های دلخواه شد؟ آیا نمی‌شود مهندس‌وار به پروتئین نظر افکند و با توجه به واکنشی که آن پروتئین درگیر آن خواهد شد اجزای پروتئین را چنان تغییر داد که عملکرد پروتئین مورد نظر به بهترین شکل خود درآید؟ با توجه‌ به تعداد دگره‌های مختلف یک ژن‌نمود خاص که پیش‌تر مطرح شد، بررسی تمامی این دگره‌ها برای یافتن بهترین شکل یک پروتئین خاص زمانی را می‌طلبد که در مقیاس زمانی ما ممکن نیست. علاوه بر این صرفا نمی‌توان با دانستن اثر تک‌تکِ جهش‌ها بهترین نسخه از یک ژن خاص را ساخت؛ چراکه دانش‌ کنونی ما از میان‌کنش‌های ژنتیکی نشان می‌دهد که در موارد بسیاری اثر جمعی دو (یا سه یا چهار یا ...) جهش که به تنهایی شایستگی یک پروتئین را افزایش می‌دهند حاصل جمع جبری اثر هر یک از این جهش‌ها نیست و گاهی حتی دو جهش نیکو در کنار یکدیگر محصولی بدتر تولید می‌کند. فضای ژنتیکی ممکن برای یک پروتئین خاص (یا یک موجود زنده) را می‌توان منظری تصور کرد که چنان وسیع و پرپیچ‌و‌خم است که هیچ‌کس با پای پیاده (رویکرد مهندسی) به جایی نخواهد رسید. انتخاب طبیعی اما مانند جرثقیلی عمل می‌کنند و اجازه جابه‌جایی در این فضای وسیع را در زمانی قابل قبول می‌دهد. انتخاب طبیعی را می‌توان یک الگوریتم طبیعی قلمداد کرد. الگوریتمی که در صورت وجود شرایط زیر به خودی ‌خود به راه می‌افتد:
1- تنوع در صفات اعضای یک جمعیت وجود داشته باشد.
2- این تنوع به تفاوت در موفقیت تولیدمثلی افراد منجر شود.
3- این تفاوت‌ها به ارث برسند.
در رویکرد تکامل جهت‌دار، تنوع ژنتیکی با استفاده از روش‌هایی چون واکنش زنجیره‌ای پی‌سی‌آر را که در آن از روی یک مولکول دنا نسخه‌های فراوانی ساخته می‌شود، می‌توان به گونه‌ای تغییر داد تا تعداد زیادی جهش طی همتاسازی دنا پدید آید. پروتئین‌های شایسته را می‌توان با انتقال ژن‌های جهش‌یافته به باکتری و مخمر سنجید و بهترین نسخه را از میان اشکال جهش‌یافته انتخاب کرد. حتی می‌توان به بررسی محصول این ژن‌های جهش‌یافته در لوله آزمایش بسنده کرد و انتخاب شایسته‌ترین شکل این ژن‌ها را از این طریق انجام داد. با تکرار این مراحل (ایجاد تنوع -> بیان اطلاعات ژنی -> اندازه‌گیری شایستگی زیستی -> انتخاب) می‌توان به اشکال شایسته‌ای رسید که به ذهن هیچ‌کس خطور نمی‌کرد. زمانی که وُردزوُرث درخصوص زیبایي و نیکویی روایت طبیعت از دنیای اطراف ما سخن می‌گفت مطمئنا داروینیسم را در سر نمی‌پروراند. بسیاری از هم‌عصران داروین و پس از او از توصیف آلفرد لرد تِنیسون استفاده کردند («طبیعت، با دندان‌ها و پنجه‌هایی آغشته به خون») گرچه شعر تِنیسون ۹ سال پیش از انتشار منشأ انواع (۱۸۵۹) منتشر شد. با وجود روح رمانتیک و طبیعت‌گرای شعر وُردزوُرث، دانش ما از روش طبیعت در حل مسائل و استفاده از این روش برای حل مسائلی که از منظر ما بسیار درهم‌تنیده می‌نمایند، معنایی تازه به این ابیات می‌بخشد. گرچه ساخته‌های دست تکامل لزوما «کامل» نیستند، اما روشی که جرثقیل انتخاب طبیعی برای پویش فضای به ظاهر نامتناهی ژن‌نمودهای ممکن در پیش می‌گیرد در موارد پرشماری بسیار کارآمدتر از مهندسی آگاهانه ما برای حل مشکلاتی مشابه است. شاید از منظری ساده‌انگارانه تکامل و فرايندهای تکاملی چون انتخاب طبیعی و رانش ژنی را در تضاد با رویکردی رمانتیک به طبیعت قلمداد کنید، اما در حقیقت زیبایی و عظمتی در پس این دیدگاه نهفته ‌است و رختی برازنده و پرزرق‌وبرق بر طبيعت می‌پوشاند. از این منظر، طبیعت تنها در سطحی‌ترین و دم‌دستی‌ترین معنا زیبا نیست بلکه شالوده‌ای که منجر به چنین اشکال زیبایی می‌شود عمقی زیبا و دل‌انگیز به طبیعت می‌بخشد. سوای این زیبایی اما، همان‌گونه که آرنولد و همکاران نشان داده‌اند، راه‌حل‌هایی به «ذهن» طبیعت می‌رسد که هرگز، در میلیون‌ها سال، به ذهن‌ ما خطور نمی‌کرد. داروین منشأ گونه‌ها را با فروکاست طبیعت به سازوکارهایی بی‌روح به پایان نمی‌برد، بلکه پاراگراف پایان اثر گران‌سنگ خود را با این جمله شروع می‌کند که «عظمتی در این رویکرد به طبیعت وجود دارد». انتخاب جهت‌دار درستی چنین دیدگاه علم‌ورزانه‌ اما سحرانگیز به طبیعت را بیش از پیش به تصویر می‌کشد.

روایت طبیعت چه شیرین است؛
خرد مداخله‌گر ما
صورت زیبای چیزها را خدشه‌دار می‌کند-
به منظور کالبدشکافی مرتکب قتل می‌شویم.
علم و هنر بس است؛
این صحف بی‌ثمر را ببند؛
پیش آی و قلبی به همراه آور
که به تماشا می‌نشیند و پذیراست.
ویلیام وُردزوُرث
ابیاتی از ورق‌های برگشته، ۱۷۹۸
یکی از برندگان جایزه نوبل در رشته شیمی سال ۲۰۱۸ فرانسِس آرنولد بود. این پژوهشگر حوزه بیوشیمی و زیست‌مهندسی به سبب فعالیت‌های پیشگامانه‌اش در باب تکامل جهت‌دار نامزد دریافت جایزه نوبل شد. سودبردن از فرايندهای تکاملی به دست انسان برای دستیابی به محصولات زیستی خاص ابداعی نو نیست؛ داروین منشأ گونه‌ها (۱۸۵۹) را با بررسی «انتخاب مصنوعی» می‌آغازد و تلاش می‌کند تا با توصیف شباهت‌های میان گزینش اقسام موردنظر توسط پرورش‌دهندگان کبوتر و اَلَک‌شدن تنوع‌های موجود در جمعیت‌های زیستی، چگونگی عملکرد انتخاب طبیعی را توضیح دهد. فرانسیس آرنولد و پرورش‌دهندگان کبوتر هدف خاصی را در سر داشتند و به منظور نیل به آن از فرايندهای تکاملی (جهش‌زایی برای پدیدآوری اقسام نو و انتخاب طبیعی در قالبی هدف‌دار) سود بردند. اما صفت «جهت‌‌دار» در واژه «تکامل جهت‌دار» به چه معناست؟ مگر تکامل به خودی خود جهت‌دار نیست؟ فهم آنچه شالوده برنامه پژوهشی فرانسِس آرنولد را تشکیل می‌دهد، نیازمند درک شماری از بنیادی‌ترین مفاهیم نظریه نوین تکامل است. تصور چگونگی حرکت جمعیت طی تکامل نقطه شروع مناسبی برای فهم تکامل است. برای فهم این مطلب ابتدا به اندکی آشنایی با رابطه اطلاعات ژنتیکی یک موجود زنده - که ژن‌نمود آن موجود خوانده می‌شود- و خصوصیاتی که بر اساس این اطلاعات شکل می‌گیرند، همان رخ‌نمود آن جاندار، نیاز است. فرض کنید که تمامی ژن‌نمود یک موجود رشته‌ای از جنس دئوکسی ریبونکلوئیک اسید (به اختصار دِنا) به طول ۱۰ واحد است. واحدهای سازنده رشته دنا تنها می‌توانند از میان چهار نوع واحد انتخاب شوند: سیتوزین، گوآنین، تایمین و آدنین. با این حساب، می‌توان ۴۱۰ حالت مختلف را برای رشته‌ای ۱۰واحدی تصور کرد. این يك‌ميليون‌و48هزارو 576 حالت مختلف که یک رشته ۱۰واحدی دنا می‌تواند داشته باشد، تمامی حالات ژنتیکی ممکن برای این رشته است. توالی دنای هر جانداری که از ۱۰ واحد تشکیل شده‌ باشد در این مجموعه يك‌ميليون‌و48هزارو 576 تایی یافت می‌شود. البته حتی ویروس‌ها که برای زندگی به میزبانان پیچیده‌تر خود وابسته بوده و به تنهایی از پس بسیاری از کارکردهای زیستی برنمی‌آیند، حاوی توالی به طول بیش از سه ‌هزار واحد هستند و توالی ژنوم ساده‌ترین باکتری نیز شامل 580 هزار واحد می‌شود. با وجود کوتاه‌توالی ویروسی، دنایی به طول سه‌ هزار واحد به معنای 43 هزار ترکیب مختلف از چهار واحد ممکن در قالب سه‌ هزار جایگاه موجود در چنین ژنومی است. (ژنوم یا ژنگان به معنای کل اطلاعات ژنتیکی یک جاندار است.) اگر تمامی 43 هزار ویروس را تصور کنیم که هر یک حاوی ژنوم متمایز باشد، آن‌گاه می‌توان به هر یک از این ویروس‌ها کمیتی به نام شایستگی زیستی را نسبت داد. شایستگی زیستی نشان می‌دهد که یک موجود زنده چه میزان در تولیدمثل موفق‌تر از همتایانش است. شایستگی زیستی شماری از این 43 هزار ژنوم متفاوت چندان تفاوت معناداری با یکدیگر نخواهند داشت و اگر ویروس‌های حامل این ژنوم‌ها با یکدیگر بر سر منابع محیطی گلاویز شوند، تنها بخت و اقبال مشخص‌کننده برنده خواهد بود. با افزودن بعد شایستگی زیستی به 43 هزار ژنوم، ما منظر شایستگی برای ویروس پدید آوردیم. به‌تصویر‌کشیدن این منظر در ذهن سه‌بعدی ما کمی دشوار است چراکه برای کشیدن آن به
۴۳۰۰۰+۱ بعد نیازمندیم. برای ساده‌سازی می‌توان تصور کرد که تمامی ژن‌نمودهای ممکن برای این ویروس روی صفحه‌ای دوبعدی قرار دارند و ارتفاع هر نقطه روی این صفحه نشان‌دهنده شایستگی زیستی آن ژنوم است. این صفحه به نقشه جغرافیایی‌ای می‌ماند که در آن نقاط هم‌‌ارتفاع با خط‌چین‌هایی به هم متصل شده‌اند. چنین منظری چقدر پستی و ‌بلندی خواهد داشت؟ می‌توان حالتی را تصور کرد که قله‌ای در منظر وجود داشته باشد و تمامی ژن‌نمودهای دیگر شایستگی زیستی پایین‌تر از آن داشته باشند. اگر جمعیتی از موجودات زنده در نقطه‌ای از این منظر سازشی شروع به حرکت کنند، آیا می‌توانند در کمترین سرعت به این نقطه برسند؟ پیش‌بینی مسیر یک جمعیت در این منظر سازشی که تنها یک قله دارد چندان هم آسان نیست چراکه میان‌کنش فرايندهای مختلف تکاملی پدیده‌ای است پیچیده. انتخاب طبیعی آشناترین فرايند تکاملی است که جمعیت‌ها (و نه فرد) را به سوی ژن‌نمودهای شایسته‌تر در این منظر سازشی می‌راند. اگر هیچ فرايند دیگر تکاملی در کار نباشد، انتخاب طبیعی صرفا فراوانی هر ژن‌نمود موجود در جمعیت را متناسب با شایستگی زیستی آن در نسل بعد افزایش می‌دهد، به شکلی که نهایتا افرادی که از منظر زیستی شایسته‌ترند، بیشترین فراوانی را نیز در جمعیت خواهند داشت. اگر جهش را نیز به این جمعیت اضافه کنیم، آن‌گاه در هر نسل انتخاب طبیعی زادگان افراد حامل جهش‌های شایسته‌تر را انتخاب می‌کند. اگر منظر سازشی ما شکلی شبیه به یکی از نقاشی‌های هوکوسای باشد (تصویر ۱)، آن‌گاه انتخاب طبیعی باید نهایتا جمعیت را به بالای قله می‌رساند. اما مسئله‌اي که اثر انتخاب طبیعی را مختل می‌کند، فرايندی است که تحت عنوان رانِش ژنی شناخته می‌شود. رانش ژنی به نقش تصادف در تغییر فراوانی ژن‌نمودهای مختلف در یک جمعیت از نسلی به نسل دیگر اشاره می‌کند. تصور کنید که 10هزار تیله رنگی در دست دارید و می‌خواهید از میان این مجموعه از تیله‌ها، مجموعه‌ای دیگر بسازید. فرض کنید که بخواهیم مجموعه دوم را بدون کاهش اندازه مجموعه اول پدید آوریم؛ در این صورت وجود سطلی از تیله‌ها مشکل ما را حل می‌کند: می‌توان تیله‌ای را از مجموعه 10هزارتایی اولیه انتخاب کرد و با توجه به رنگ‌ آن تیله، تیله‌ای هم‌رنگ را از سطل انتخاب کرد و در مجموعه دوم قرار داد و سپس تیله نخستین را به مجموعه 10هزارتایی بازگرداند. فرض کنید که از 10هزار تیله مجموعه اول، یک‌چهارم آبی‌رنگ، یک‌چهارم سبزرنگ و نیمی زرد هستند. با فرض انتخاب تصادفی تیله‌ها طبق روشی که توصیف شد، نسبت تیله‌ها در مجموعه دوم چه خواهد بود؟ برای حل این مسئله تنها نگاشتن چند خط به زبان رایانه کفایت می‌کند؛ نتیجه یک دور نمونه‌برداری تصادفی از میان 10هزار تیله با نسبت‌های رنگی فوق در رایانه من نسبت‌هایی مشابه نسل قبل بود (آبی-۰.۲۴۰۸، سبز- ۰.۲۵۳۸ و زرد- ۰.۵۰۵۴). اگر تعداد تیله‌ها را از 10هزار به صد کاهش دهیم و نسبت تیله‌های ما در این مجموعه صدتایی همان یک‌چهارم، یک‌چهارم و یک‌دوم باشد، نمونه‌برداری تصادفی چه نسبتی را حاصل می‌شود؟
(آبی- ۰.۲۸، سبز- ۰.۲۷ و زرد- ۰.۴۵). همان‌گونه که آشکار است اثر تصادف در مجموعه‌ای کوچک‌تر، پررنگ‌تر است. اگر ژن‌نمودهای یک جمعیت را مانند تیله‌هایی متفاوت در نظر بگیرد، نمونه‌برداری تصادفی می‌تواند صرفا برحسب تصادف به تغییر فراوانی این ژن‌نمودها در نسل بعد منجر شود. پرسشی که پیش می‌آید این است که دوشیزه طبیعتی وجود ندارد تا به این نمونه‌برداری تصادفی دست بزند و نتایجی که من در اینجا ذکر کردم حاصل نگارش چند خط کد نرم‌افزاری در رایانه شخصی‌ام است. نمونه‌برداری تصادفی به زبان رایانه نمود انتزاعی از حوادثی است که برای افراد در جمعیت رخ می‌دهد که ربطی به شایستگی زیستی آن افراد ندارد. اگر در جمعیتی از موش‌ها، یک موش شایسته‌ترین ژن‌نمود را نیز داشته باشد، اما از بخت بد در تصادف با ماشین از میان رود، آن‌گاه ژن‌نمود شایسته این موش در شن‌های زمان به فراموشی سپرده می‌شود. علاوه بر رانش ژنی، حرکت یک جمعیت در منظر سازشی می‌تواند به سبب شکل توپولوژی آن منظر محدود شود. اگر منظر سازشی ما بیش از آنکه به نقاشی باد آرام و صبح روشن هوکوسای شبیه باشد به یکی از آثار ایوان آیوازوفسکی بنماید، (تصویر ۲) چه؟ در این چنین منظری قلل بسیار با ارتفاع‌های متفاوت وجود دارند. انتخاب طبیعی نیز فرايندی است نزدیک‌بین و نمی‌تواند بلندترین قله در این منظر را «ببیند»؛ چراکه صرفا با ژن‌نمودهای دردسترس سروکار دارد. در بسیاری از مواقع در چنین منظر سازشی جمعیت روی یکی از این قله‌ها گیر می‌افتد و هرگز بر بلندترین قله ممکن در این منظر قدم نمی‌گذارد. می‌بیند که کمی غور و غوص در باب چگونگی تکامل یک جمعیت در فضای ژن‌نمودهای ممکن، دشواری دسترسی به بهترین ژن‌نمود (یا ژن‌نمودهای) ممکن در بسیاری از مواقع برای جمعیت‌های طبیعی ناممکن است. اضافه بر این مسائل، پستی- بلندی‌های یک منظر سازشی در شرایطی خاص تعریف می‌شوند و با تغییر شرایط محیطی (شامل فاکتورهای غیرزنده‌ای چون دما، رطوبت و امثالهم و فاکتورهایی زنده مانند ظهور شکارچی یا شکاری تازه یا دگرگونی پوشش گیاهی) شایستگی ژن‌نمودها را دستخوش تغییر می‌کنند و توپولوژی منظر سازشی را اساسا تغییر خواهند داد. آنچه فرانسس آرنولد و همکارانش در چارچوب روشی که تکامل جهت‌دار خوانده می‌شود در سر می‌پروراندند، رفع این دشواری‌ها در راه رسیدن به شایسته‌ترین ژن‌نمود ممکن بود.
انتخاب مصنوعی و طبیعی
چرا آرنولد دست‌به‌دامان انتخاب طبیعی برای ساخت پروتئین‌هایی با ویژگی‌های دلخواه شد؟ آیا نمی‌شود مهندس‌وار به پروتئین نظر افکند و با توجه به واکنشی که آن پروتئین درگیر آن خواهد شد اجزای پروتئین را چنان تغییر داد که عملکرد پروتئین مورد نظر به بهترین شکل خود درآید؟ با توجه‌ به تعداد دگره‌های مختلف یک ژن‌نمود خاص که پیش‌تر مطرح شد، بررسی تمامی این دگره‌ها برای یافتن بهترین شکل یک پروتئین خاص زمانی را می‌طلبد که در مقیاس زمانی ما ممکن نیست. علاوه بر این صرفا نمی‌توان با دانستن اثر تک‌تکِ جهش‌ها بهترین نسخه از یک ژن خاص را ساخت؛ چراکه دانش‌ کنونی ما از میان‌کنش‌های ژنتیکی نشان می‌دهد که در موارد بسیاری اثر جمعی دو (یا سه یا چهار یا ...) جهش که به تنهایی شایستگی یک پروتئین را افزایش می‌دهند حاصل جمع جبری اثر هر یک از این جهش‌ها نیست و گاهی حتی دو جهش نیکو در کنار یکدیگر محصولی بدتر تولید می‌کند. فضای ژنتیکی ممکن برای یک پروتئین خاص (یا یک موجود زنده) را می‌توان منظری تصور کرد که چنان وسیع و پرپیچ‌و‌خم است که هیچ‌کس با پای پیاده (رویکرد مهندسی) به جایی نخواهد رسید. انتخاب طبیعی اما مانند جرثقیلی عمل می‌کنند و اجازه جابه‌جایی در این فضای وسیع را در زمانی قابل قبول می‌دهد. انتخاب طبیعی را می‌توان یک الگوریتم طبیعی قلمداد کرد. الگوریتمی که در صورت وجود شرایط زیر به خودی ‌خود به راه می‌افتد:
1- تنوع در صفات اعضای یک جمعیت وجود داشته باشد.
2- این تنوع به تفاوت در موفقیت تولیدمثلی افراد منجر شود.
3- این تفاوت‌ها به ارث برسند.
در رویکرد تکامل جهت‌دار، تنوع ژنتیکی با استفاده از روش‌هایی چون واکنش زنجیره‌ای پی‌سی‌آر را که در آن از روی یک مولکول دنا نسخه‌های فراوانی ساخته می‌شود، می‌توان به گونه‌ای تغییر داد تا تعداد زیادی جهش طی همتاسازی دنا پدید آید. پروتئین‌های شایسته را می‌توان با انتقال ژن‌های جهش‌یافته به باکتری و مخمر سنجید و بهترین نسخه را از میان اشکال جهش‌یافته انتخاب کرد. حتی می‌توان به بررسی محصول این ژن‌های جهش‌یافته در لوله آزمایش بسنده کرد و انتخاب شایسته‌ترین شکل این ژن‌ها را از این طریق انجام داد. با تکرار این مراحل (ایجاد تنوع -> بیان اطلاعات ژنی -> اندازه‌گیری شایستگی زیستی -> انتخاب) می‌توان به اشکال شایسته‌ای رسید که به ذهن هیچ‌کس خطور نمی‌کرد. زمانی که وُردزوُرث درخصوص زیبایي و نیکویی روایت طبیعت از دنیای اطراف ما سخن می‌گفت مطمئنا داروینیسم را در سر نمی‌پروراند. بسیاری از هم‌عصران داروین و پس از او از توصیف آلفرد لرد تِنیسون استفاده کردند («طبیعت، با دندان‌ها و پنجه‌هایی آغشته به خون») گرچه شعر تِنیسون ۹ سال پیش از انتشار منشأ انواع (۱۸۵۹) منتشر شد. با وجود روح رمانتیک و طبیعت‌گرای شعر وُردزوُرث، دانش ما از روش طبیعت در حل مسائل و استفاده از این روش برای حل مسائلی که از منظر ما بسیار درهم‌تنیده می‌نمایند، معنایی تازه به این ابیات می‌بخشد. گرچه ساخته‌های دست تکامل لزوما «کامل» نیستند، اما روشی که جرثقیل انتخاب طبیعی برای پویش فضای به ظاهر نامتناهی ژن‌نمودهای ممکن در پیش می‌گیرد در موارد پرشماری بسیار کارآمدتر از مهندسی آگاهانه ما برای حل مشکلاتی مشابه است. شاید از منظری ساده‌انگارانه تکامل و فرايندهای تکاملی چون انتخاب طبیعی و رانش ژنی را در تضاد با رویکردی رمانتیک به طبیعت قلمداد کنید، اما در حقیقت زیبایی و عظمتی در پس این دیدگاه نهفته ‌است و رختی برازنده و پرزرق‌وبرق بر طبيعت می‌پوشاند. از این منظر، طبیعت تنها در سطحی‌ترین و دم‌دستی‌ترین معنا زیبا نیست بلکه شالوده‌ای که منجر به چنین اشکال زیبایی می‌شود عمقی زیبا و دل‌انگیز به طبیعت می‌بخشد. سوای این زیبایی اما، همان‌گونه که آرنولد و همکاران نشان داده‌اند، راه‌حل‌هایی به «ذهن» طبیعت می‌رسد که هرگز، در میلیون‌ها سال، به ذهن‌ ما خطور نمی‌کرد. داروین منشأ گونه‌ها را با فروکاست طبیعت به سازوکارهایی بی‌روح به پایان نمی‌برد، بلکه پاراگراف پایان اثر گران‌سنگ خود را با این جمله شروع می‌کند که «عظمتی در این رویکرد به طبیعت وجود دارد». انتخاب جهت‌دار درستی چنین دیدگاه علم‌ورزانه‌ اما سحرانگیز به طبیعت را بیش از پیش به تصویر می‌کشد.