کشف دی‌ان‌ای و لچکی‌های کلیسای سن مارکو

من تمایل به برداشت اخلاقی ندارم در هنگامه شک علمی در باب حقایقی که طبیعت رخت معما بر آنان می‌پوشاند چراکه فیلسوفی نیستم اهل روشن‌سازی فرزانه تنها از آنچه رخ می‌دهد صحبت می‌کنم براساس مشاهدات ساده جیمز ویتکوم رایلی (1849-1916) کلیسای سن مارکو، سمبل ثروت و مکنت شهر ونیز، که به کلیسای طلا نیز مشهور است، کلیسای جامعی است که صورت کنونی‌اش به قرن یازدهم بازمی‌گردد. همان‌طور که انتظار می‌رود، تصاویر و نقش‌های ملون مزین درون چنین کلیسایی هستند، به‌ویژه می‌توان نقش‌های زیبایی را در لچکی‌های سقف این کلیسا مشاهده کرد. لچکی همان مثلثی است که در محل برخورد دو قوس قرار دارد (تصویر شماره یک و بالای صفحه). این مثلث‌های منقش چنان زیبا و هم‌خوان با ساختار‌های معماری اطراف خود هستند که نمی‌شود تصور کرد معماران و طراحان، چنین مثلث‌هایی را پیش از ساخت کلیسا در سر نمی‌پروراندند. «استیوِن جِی گولد» و «ریچارد لیونتین» اما در اثر خود لچکی‌های کلیسای سن مارکو و پارادایم پانگِلوسی (۱۹۷۹) چنین تفسیری در رابطه با این لچکی‌ها را آشکارا غلط و گمراه‌کننده می‌انگارند؛ وجود این مثلث‌ها در محل برخورد دو قوس امری اجتناب‌ناپذیر است و تزئین این مثلث با نقشی خوش‌آب‌ورنگ تنها در جهت پنهان‌کردن این ساختار ناخواسته است. گولد و لیونتین چنین تفسیری را حاصل تفکر پانگلوسی قلمداد می‌کنند. پروفسور «پانگلوس» شخصیتی در هجونامه کاندید (۱۷۵۹) اثر «ولتر» است؛ شخصی که «بزرگ‌ترین فیلسوف امپراتوری مقدس روم» خوانده می‌شود و آشکارا کاریکاتوری از لایبنتز است که ولتر به منظور تمسخر آرای این فیلسوف آلمانی پدید آورد. عقاید پروفسور پانگلوس نوعی خوش‌بینی کودکانه را به نمایش می‌گذارند: «می‌توان نشان داد که تمامی اشیا نمی‌توانستند شکلی غیر از شکل کنونی‌شان داشته باشند، چراکه همه‌چیز برای هدفی پدید آمده و ضرورتا آن هدف بهترینِ اهداف است. برای مثال، مشاهده کن که بینی برای عینک پدید آمده و ازهمین‌روست که ما عینک می‌زنیم». از منظر گولد و لیونتین، چنین رویکرد پانگلوسی در زیست‌شناسی به نوعی سازگاری‌گرایی افسارگسیخته انجامیده که تمامی صفات و خصوصیات موجودات زنده را حاصل اثر انتخاب طبیعی در پاسخ به شرایط محیطی (محیط به معنای عناصر زنده و غیرزنده موجود در زیستگاه جاندار) می‌انگارد. اهدف در دیدگاه سازگاری‌گرایانه سنخیتی با اهداف غایی موردنظر پروفسور پانگلوس ندارند و بیشتر اهدافی کوته‌نظرانه‌اند؛ اهدافی کوته‌بینانه متناسب با کوته‌بینی انتخاب طبیعی. این کوته‌بینی به این معناست که انتخاب طبیعی زیر بار صفتی که در آینده به بال‌درآوردن می‌انجامد، اما اکنون بسیار هزینه‌بر است، نمی‌رود. لچکی‌های کلیسای سن مارکو و پارادایم پانگلوسی به یکی از بحث‌برانگیزترین مقالات در حوزه زیست‌شناسی تکاملی بدل شد و نقدها و تفاسیری بسیار توسط تکامل‌دانان برجسته بر آن نگاشته شد. «دِنِت» (در ایده خطرناک داروین، ۱۹۹۵) اساسا لچکی‌ها را مثالی نامناسب دانست و متذکر شد که چندین راه برای حل فضای مثلثی بین قوس‌ها وجود داشته و آنچه در کلیسای سن مارکو دیده می‌شود عملا حاصل گزینش از میان راه‌های ممکن و نه‌تنها راه ممکن به‌واسطه محدودیت‌های فیزیکی بوده است. علاوه‌براین، رویکرد سازگاری‌گرایانه تنها رویکرد ممکن در پاسخ به برخی پرسش‌های زیستی است؛ رمزگشایی چگونگی پدیدآمدن حیات روی این کره خاکی، در نبود ماشین زمان برای بازگشت به حوالی 3.5 ‌میلیارد سال پیش، نیازمند مهندسی معکوس و فرض گام‌هایی سازگار است تا بتوان مسیرهای محتملی را که به حیات منتهی می‌شدند فهرست کرد. از کشف دی‌ان‌ای تا تفسیر دی‌ان‌ای فرایند کشف ساختار دی‌ان‌ای، حاصل سال‌ها پژوهش به دستان پژوهشگران مختلف که در نهایت به اعلام کشف «راز حیات» در میانه وقت ناهار در میخانه عقاب در کمبریج توسط «فرانسیس کریک» انجامید، تنها نقطه آغازی بر فهم این راز بود. آگاهی از ساختار سه‌بُعدی دی‌ان‌ای به‌تنهایی گره از معمای انتقال ژنتیکی از والد (در جاندارانی که به صورت غیرجنسی تولیدمثل می‌کنند) یا والدین به فرزندان نمی‌گشاید.خصوصیات شیمیایی بازهای آلی سازنده «دی‌ان‌ای» - سیتوزین (C)، گوآنین (G)، آدنین (G) و تیامین (T)- برخی ویژگی‌های مارپیچ دوگانه دی‌ان‌ای را هویدا می‌کنند؛ برای مثال اگر یک رشته AGCT باشد، رشته مقابل ‌باید TCGA باشد؛ اما رشته‌ TAACCTGAA حاوی چه نوع اطلاعاتی است؟ چگونه موجود زنده اطلاعات موجود در این رشته را استخراج می‌کند؟ با‌توجه به عملکرد وسیع پروتئین‌ها در درون یاخته، می‌شود حدس زد که این رشته به نحوی به رشته‌ای آمینواسیدی (زیرواحدهای سازنده پروتئین) «ترجمه» می‌شود، اما دقیقا به چه نحوی این «ترجمه» به وقوع می‌پیوندد؟ سال‌های پس از کشف ساختار «دی‌ان‌ای» به پاسخ به این پرسش‌های بنیادین زیستی درباره راز حیات سپری شد. نگاهی به فهرست برندگان جایزه نوبل در فیزیولوژی و پزشکی در نیمه دوم قرن بیستم انعکاسی از فهم رو‌به‌رشد ما از سازوکارهای مولکولی است که اطلاعات ژنتیکی را به رخنمون موجود زنده ترجمه می‌کنند. تصویری که از فرایند انتقال اطلاعات ژنتیکی به دست آمد، از شارشی تقریبا یک‌سویه از «دی‌ان‌ای» به پروتئین حکایت داشت. یافتن سازوکار تنظیم ژنتیکی نیز خود تحولی عظیم در زیست‌شناسی مدرن پدید ‌آورد؛ تحولی که به کشف اُپِران (واحد تنظیمی شامل قطعات دی‌ان‌ای رمزگذار پروتئین و قطعات ژنتیکی تنظیمی به همراه پروتئین‌های مرتبط) توسط «فرانسوا ژاکوب» و «ژاک مونو» در دهه ۵۰ میلادی بازمی‌گردد. درخت حیات و ساعت حیات تنها تصویری که در منشأ گونه‌های (۱۸۵۹) داروین یافت می‌شود، درختی تکاملی است (تصویر شماره دو). این تصویر به‌خوبی بخش‌های مهمی از نظریه تکامل داروین را در معرض دید قرار می‌دهد: گونه‌های مختلف به‌تدریج از گونه‌های پیشین مشتق می‌شوند. «لامارک» تصور می‌کرد تمامی موجودات امروزی هریک دودمان مجزای خود را دارند که آنان را در طول تاریخ تکاملی به نیای ویژه خود متصل می‌کند؛ اما «داروین» حیات را درختی می‌دانست که از یک ریشه نشئت گرفته است. در صورت درستی چنین تصویری از رابطه موجودات، تنوع موجود در اطلاعات مورد نیاز برای ساخت این موجودات ‌باید ماهیتی نسبتا یکسان داشته باشد. اگر جنس ماده ژنتیکی و سازوکار مولکولی در میان موجودات مختلف تفاوت بسیاری داشته باشد، آن‌گاه اصطلاح «درخت حیات» بی‌معنا خواهد بود. یگانگی زبان انتقال اطلاعات حیات بهترین شاهد بر پیوستگی و رابطه خویشاوندی میان اشکال حیاتی است که امروز روی این کره خاکی وجود دارند. (البته همان‌طورکه انتظار هم می‌رود زبان و سازوکار و ترجمه و تفسیر این زبان در میان تمامی اشکال حیات که در درازنای تاریخ تکاملی پدید آمده‌اند، دقیقا یکسان نیست و بین اشکال مختلف حیاتی تفاوت‌های اندکی وجود دارد و در حقیقت ضرورتی ندارد تا تنها یک نقطه را به‌عنوان ریشه درخت حیات در نظر آوریم؛ درخت تناور حیات می‌تواند به شبکه یا چرخه‌ای از اشکال نیایی منجر شود)؛ اما اگر می‌توانستید تمامی دی‌ان‌ای اعضای دوگونه برای مثال یک کانگورو و یک موش را استخراج کنید، چگونه رابطه تکاملی این دو گونه را محاسبه می‌کردید؟ با تأملی کوتاه درخواهید یافت که نمی‌توان هر قطعه از ژنوم (کل دی‌ان‌ای موجود در یاخته یک جاندار) را برحسب تصادف برگزید و تفاوت این دو قطعه را بین کانگورو و موش اندازه ‌گرفت و آن را فاصله تکاملی میان این دو خواند؛ تفاوت‌های برجسته ریختی میان موش و کانگورو ملغمه‌ای است از اثر انتخاب طبیعی و فرایندهای تصادفی که در تاریخچه تکاملی این دو دودمان رخ داده‌اند. برای تخمین دقیق باید در پی بخش‌هایی از ژنوم بود که با نرخی کم‌وبیش ثابت در طی زمان تغییر می‌کند؛ بخش‌های ساعت‌وار که مانند زمان‌سنجی طبیعی، شبیه به واپاشی هسته‌ای عناصر عمل می‌کنند. پیش‌بینی وجود چنین قطعاتی به پیش از فناوری‌های مدرن و استخراج انبوهی از داده‌های زیستی برمی‌گردد؛ به دانشمندی ژاپنی به نام «موتو کیمورا» (۱۹۲۴-۱۹۹۴) که در دهه 50 و در فضایی که همچنان ژاپنی‌ها را برنمی‌تابید، قدم به خاک آمریکا گذارد تا به پژوهش در حوزه ژنتیک بپردازد. در ایالات متحده او دوست و مرادی در قامت «جیمز کِرو» (۱۹۱۶-۲۰۱۲) یافت. زندگی در عصری تهی از اطلاعات ژنتیکی، درک و دریافت ژنتیک در سطح جمعیت‌ها و گونه‌ها را به‌سوی مدل‌های ریاضی سوق داد و کیمورا در این عرصه توانایی بی‌بدیلی از خود برجای گذاشت. آزمایش‌های تجربی در دهه ۴۰ میلادی، مانند کار «مَکس دِلبروک» (۱۹۰۶-۱۹۸۱) و «سالوادور لوریا» (۱۹۱۲-۱۹۹۱)، استاد راهنمای «جیمز واتسون»، روی مقاومت باکتری نشان داده بود جهش‌ها به‌صورت تصادفی پدید می‌آیند و سپس صافی انتخاب طبیعی منجر به بقای برخی از این جهش‌ها در جمعیت و ازمیان‌رفتن برخی دیگر می‌شود. می‌توان در ساده‌ترین شکل اثر جهش‌ها را به سه نوع تقسیم کرد: جهش‌های مضر، جهش‌های خنثی و جهش‌های مفید. برای فهم این تقسیم‌بندی، آزمایشی ذهنی سودمند خواهد بود: اگر بخواهیم مصنوعات دست خود را دستخوش جهش کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟ کافی است مغز رایانه خانگی خود را گشوده و با هویه به بخش‌های مختلفی از صفحه‌ اصلی که پردازنده و حافظه و سایر اجزای مهم را در خود جای می‌دهد حمله‌ور شویم و به‌صورت تصادفی اتصالاتی ایجاد و اتصالات دیگر را از میان ببریم؛ تصور حاصل چنین عملیاتی دشوار نیست. مصنوعات دست بشر خود حاصل سال‌ها پژوهش و توسعه به دست توانمند طراحان هوشمندی‌ هستند که این مصنوعات را برای حل مسئله‌ای خاص طراحی کرده‌اند. گاری که با اسب رانده می‌شد، در طول تاریخ با دگرگونی تصادفی و عمل انتخاب طبیعی به خودرو بدل نشد، بلکه طراحی و هدفمندی پیش‌شرط این تغییرات بودند.پیچیدگی موجودات زنده نیز ما را بر آن می‌دارد تا تصور کنیم که غالب جهش‌ها مضرند، اما بسیاری نیز اثری ملموس بر کارکرد موجود نداشته و شمار بسیار بسیار اندکی نیز به بهبود کارکرد موجود منجر می‌شوند. (گرچه احتمال وقوع جهش‌های مفید در مقایسه با اقسام دیگر جهش‌ها پایین‌تر است، اما در جمعیتی بزرگ و تحت فشار انتخابی مناسب وقوع چنین جهش‌هایی گریزناپذیر است؛ به‌عنوان نمونه، می‌توان در عرض چند ساعت پدیداری جهش‌های مقاومت به آنتی‌بیوتیک را در باکتری‌ها در حال تکامل در آزمایشگاه مشاهده کرد.) انتظار چنین نظام‌مندی پیچیده و هدفمندی در موجودات زنده در مقایسه با مصنوعات انسان را نمی‌توان داشت و از این رو کیمورا و بسیاری از همکارانش بر این باور بودند که قطعاتی از ژنوم جاندار ‌باید بر رخنمون جاندار بی‌اثر باشند. در صورت وجود چنین قطعاتی، جهش‌هایی که در طول زمان در آنها تثبیت می‌شوند باید با نرخ ذاتی بروز جهش در آن ژنوم برابر باشد؛ تیک‌تاکی حقیقتا طبیعی. لچکی‌های ژنومی وجود چند قطعه بی‌اثر در ژنوم یک جاندار چندان تعجب‌برانگیز نیست: فرض کنید در ژن رمزگذار پروتئین هموگلوبین (پروتئینی که وظیفه انتقال اکسیژن در خون را دارد) در همانندسازی ژنوم دوبرابر شود. وجود دو نسخه از یک ژن در عمل به این معناست که در صورت ازکارافتادن هریک از این دو نسخه، جاندار همچنان توانایی تولید محصول آن ژن را خواهد داشت. انتخاب طبیعی به معنای بقای افتراقی زادگان است و اگر تغییر ژنتیکی اثري بر بقای این زادگان نگذارد، انتخاب طبیعی نیز از وقوع این تغییرات بی‌اطلاع خواهد بود. در نتیجه نسخه دوم هموگلوبین می‌تواند در طول زمان از جهش انباشته شود و به ساعتی مولکولی بدل شود. وجود قطعاتی خنثی در ژنوم دردسرساز نخواهد بود اگر میزان اطلاعات موردنیاز برای ساخت موجودات زنده از پیش‌فرض‌های ذهنی ما پیروی کند؛ یکی از مبهم‌ترین و رایج‌ترین مفاهیم در علوم ‌زیستی، مفهوم پیچیدگی است و از منظر واضعان این مفهوم مسلما پیچیده‌ترین موجود گونه انسان خواهد بود. اگر باز به مثال مصنوعات دست خود بازگردیم می‌بینیم که اطلاعات موردنیاز برای ساخت یک بیل بسیار کمتر از اطلاعات ضروری برای سرهم‌کردن یک ساعت مکانیکی است. تبدیل این مشاهده به منطقی برای بررسی موجودات زنده به این معناست که هرچه موجودی در زنجیره حیات به انسان نزدیک‌تر باشد، باید اطلاعات ژنتیکی موجود در یاخته‌های سازنده پیکر آن موجود نیز متناسب با آن افزایش یابد. چنین روندی در ویروس‌ها و باکتری‌ها مشاهده می‌شود: هرچه اندازه ژنوم بزرگ‌تر می‌شود تعداد قطعات دی‌ان‌ای که به پروتئین ترجمه می‌شوند، یعنی همان ژن‌ها، نیز افزایش می‌یابد. اما با رسیدن به موجودات زنده پرسلولی پیچیده‌تر چون گیاهان خشکی‌زی و جانوران، این رابطه خطی از میان می‌رود. مقایسه تعداد ژن‌های انسان با سایر موجودات چندان دلگرم‌کننده نیست: با وجود پیش‌بینی صد ‌هزار ژن در ژنوم انسان پیش از توالی‌یابی ژنوم انسان در ابتدای قرن بیستم، تعداد ژن‌های انسان حدود 20 ‌هزار ژن بیشتر نیست. در مقام مقایسه مگس سرکه 16 ‌هزار ژن دارد و تعداد ژن‌های برنج به 60 ‌هزار می‌رسد. این مشاهده که تنها یک درصد ژنوم انسان به تولید پروتئین منجر می‌شود برخی زیست‌شناسان را که از حسادت فیزیک رنج می‌برند، بر آن داشت تا این ۹۹ درصد را «ماده تاریک» دی‌ان‌ای و جام مقدس زیست‌شناسی (اشاره به جامی که مسیح در شام آخر از آن نوشید و مسیحیان مخلص در درازنای تاریخ در پی آن بوده‌اند) قلمداد کنند. همسنگ درنظرگرفتن موجودات زنده با مصنوعات دست بشر نیز به نتیجه‌اي غیر از این نمی‌انجامد، همان‌گونه که ادعایی چون بی‌فایده‌بودن ۹۹ درصد مدارهای یخچال خانه شما نیز به‌هیچ‌وجه در مخیله شما نخواهد گنجید. (البته افرادی که با برنامه‌نویسی رایانه‌ای آشنا هستند می‌دانند که اغلب کدهای رایانه تاریخچه پژوهش و توسعه که منجر به پدیداری آنان شد را در معرض دید قرار می‌دهند. غالبا برای یک برنامه‌نویس آسان‌تر است تا بخش‌های قدیمی کد را صرفا غیرفعال کند تا اینکه وقت و زمان زیادی برای زدودن کد از تمامی حشوها بگذارد و آن را به بهینه‌ترین برنامه ممکن بدل کند) اما اشتباه در همین‌جاست. همان‌گونه که لچکی‌های کلیسای اعظم سن مارکو چاره‌ای جز پدیدآمدن نداشتند، مگر با ازمیان‌بردن محل برخورد طاق‌هایی که سقف این سازه را بر دوش می‌کشند، بسیاری از خصوصیات موجودات زنده ناشی از «سازگاری» یا «سودمندی» برای جاندار نیستند. انتخاب طبیعی در اغلب مواقع دست و دلبازانه رفتار می‌کند و تنها بدترین صفات و جهش‌ها را محکوم به فنا می‌کند. درعین‌حال سرشت تصادفی سازوکارهای زیستی نیز چوب لای چرخ هدفمندی و بهینگی تمامی صفات یک موجود زنده می‌گذارد. کریک خود با تکیه بر همین مسئله به این نتیجه رسیده بود که قطعات خودسر از جنس دی‌ان‌ای می‌توانند خود را در جای‌جای ژنوم تکثیر کنند تا زمانی که آن‌قدر هزینه بر دوش جاندار نگذارند تا شایستگی زیستی او کاهش چشمگیری یابد. از این منظر انتخاب طبیعی کمی به آشفتگی اتاق کار می‌ماند: تا زمانی که انبوه کاغذباطله‌ها و قلم‌ها و روزنامه‌ها به سدی آزاردهنده بر روند طبیعی زندگانی ما بدل نشود، اندیشه به سامان‌کردن این اتاق در ذهن ما پدید نمی‌آید. آنچه کریک و واتسون، به همراه «موریس ویلکینز»، «روزالیند فرانکلین»، «رِیموند گازلینگ» و غولانی که اینان بر دوش‌شان سوار بودند به آن دست یافتند گشودن تمام و کمال راز حیات نبود، بلکه همانند هر کشف بزرگ علمی دیگری، آغازی بود بر پویشی علمی به اعماق ناشناخته‌ای که هر روز عجایب و جذابیت بیشتری به ما پیشکش می‌کند.