پیشرفتهای دیرینهشناسی در سایه مطالعات مولکولی
سنگوارهها و ژنها
عرفان خسروی. دیرینهشناس
کتاب انسان خردمند «یووال نواخ هراری» دوبار به فارسی ترجمه شده و یکی از این ترجمهها، به چاپ نهم یا شاید دهم رسیده است. بهعنوان نسخهای مقدماتی برای آشنایی با موضوع، کتاب بدی نیست، اما یکی از عمودهای اصلی خیمه آن؛ یعنی نظریه انقلاب شناختی، روزبهروز سستتر میشود، بهخصوص که یافتههای دیرینهشناسی مولکولی از نظریه رقیب آن حمایت میکند. انقلاب شناختی به روایت هراری میگوید 70 هزار سال پیش، احتمالا جهشی در ژنهای انسانهای خردمند روی داد و سیمکشی مغزشان عوض شد (بدون اینکه اثری بر ریختشناسی مشهود در سنگوارهها بگذارد) و اینطوری توانستند بهتر فکر کنند، بهتر سخن بگویند، ابزارهای بهتری از قبیل قایق، سوزن، تیغه و تیر بسازند، به مفاهیم انتزاعی بیندیشند، ماهیگیری کنند، هنر بیافرینند و دنیا را فتح کنند. نظریه رقیب میگوید چنین انقلابی در بازه زمانی 70 یا حتی صدهزار سال پیش رخ نداده. در همین چند ماه گذشته مقالهای در Science منتشر شد و آثار نقاشی ۶۵ هزارسالهای را در ایبری گزارش کرد که ۲۰ هزارسال قبل از رسیدن پای انسان خردمند و به دست نئاندرتالها کشیده شدهاند (doi:10.1126/science.aap7778)*. حدود یک سال پیش در
مقالهای در مجله nature، شواهدی از حضور ۱۳۰ هزارساله انسان و شکار ماستودون در آمریکای شمالی منتشر شد
(doi:10.1038/nature22065). ۱۳۰ هزارسال قبل انسانهای خردمند فقط در آفریقا بودند و احتمالا جمعیتی از انسانهای دنیسآوا (خویشاوندان آسیایی نئاندرتالها) به آمریکا رفته بودند. درست یک روز قبل از نگارش این یادداشت نیز، مقاله دیگری در nature از حضور انسانهایی ۷۰۹ هزارساله در جزایر فیلیپین خبر داد که با ابزارهای سنگی، کرگدن سلاخی میکردند. این یکی نهتنها از انسان خردمند در آفریقا، بلکه حتی از انسانهای نئاندرتال و دنیسآوا هم قدیمیتر است (doi:10.1038/s41586-018-0072-8). بهجز اینها پژوهشهای متعدد دیگری که در خلال 20 سال گذشته انجام شده، نشان میدهد نظریه موردعلاقه هراری درست نیست. البته ذکر تمام مثالهای نقضی که نشان میدهد آن هنرهای گفتهشده، نه محدود به انسان خردمند بوده، نه پس از 70 هزارسال پیش پیدا شدهاند، در اینجا نه ممکن است، نه کافی. میخ آخر این نظریه را فقط یک جور میتوان کوبید و آن هم با کمک دیرینهشناسی مولکولی است. یکی از مهمترین ژنهایی که تصور میکنیم جهش و تغییر آن در توسعه ارتباط قشر مخ با هستههای پایهای مغز و در نتیجه توانایی تفکر و سخنگفتن ما دخالت داشته، ژنی است به نام FOXP2 که در
بسیاری از جانوران وجود دارد و نسخه خاصی از آن مخصوص ما انسانهاست. نسخهای از این ژن که در انسان پیدا میشود، پروتئینی میسازد که تنها در دو اسیدآمینه با شمپانزهها تفاوت دارد و تنها یکی از این دو تفاوت، در هیچ جانور دیگری پیدا نمیشود؛ اما همین تفاوت اندک، نقش بزرگی در توسعه عملکرد شناختی و گفتاری انسان داشته است. اگر نسخه مشابهی از این ژن در گونههای دیگر مثل نئاندرتالها هم بوده باشد، با یا بدون شواهدی از قبیل نقاشی غارها و سفرهای دریایی، ناچاریم بپذیریم آنها هم مثل ما بودهاند. خوشبختانه قطعاتی که از ژنوم نئاندرتالها در سنگوارههایشان به دست آمده، حاوی بقایای این ژن هم هست و شواهدی که در سال ۲۰۰۷ منتشر شد، نشان میدهد نئاندرتالها هم «خردمند» بودهاند (doi:10.1016/j.cub.2007.10.008). اگر هراری (که البته استاد تاریخ است، نه دیرینهانسانشناسی یا انسانشناسی تکاملی) قبل از نگارش کتابی درباره تکامل انسان، دستکم همین مقاله را درباره دیرینهشناسی مولکولی دیده بود، کتابش را بر اساس نظریه انقلاب شناختی استوار نمیکرد.
نیمه عمر مولکول دياناي در سنگوارهها، بسیار کوتاه است. طبق آخرین برآوردها، هر ۵۲۱ سال، نیمی از توالی مولکول دياناي تخریب میشود (doi:10.1098/rspb.2012.1745)؛ بااینحال چون میلیونها مولکول دياناي در هر بافت وجود دارد، میتوان با توالییابی قطعات دياناي و مقایسه آنها، دستکم پی برد توالی فلان ژن (مثلا ژن FOXP2 یا ژنهای مسئول رنگ پوست و چشم) در موجودی که سنگوارهاش را بررسی میکنیم، چه بوده است. برخی از قدیمیترین شواهد ژنتیکی تبار انسانها، از اسکلتهایی سنگوارهشده در غاری در آستوریاس (شمال اسپانیا) به دست آمده که قدمتی حدود ۴۳۰ هزار سال (doi:10.1038/nature17405) داشته و حتی با بازسازی توالی کامل ژنوم میتوکوندریال (ژنهای داخل اندامکی به نام میتوکوندری که مسئول سوختوساز یاختهاند و تنها از مادر به فرزندان میرسد) نسبت خویشاوندی آنها را با انسانهای دنیسآوا و نئاندرتال مشخص کردهاند (doi:10.1038/nature12788). اصلا همین انسان دنیسآوا که از آن نام برده شد، برخلاف نئاندرتالها، نه بر اساس کشف استخوانبندی کامل، بلکه بر اساس DNA بهدستآمده از دندانی ۱۱۰ هزارساله در جنوب سیبری، شناسایی شده است
(doi:10.1073/pnas.1519905112).
تاکنون قدیمیترین قطعه دياناي استخراجشده از سنگوارههای جانوری مربوط به بقایای اسبهایی با قدمت ۵۶۰ تا ۷۸۰ هزار سال است
(doi:10.1038/nature12323). مقایسه توالی ژنتیک بهدستآمده از این اسبهای سنگواره با پنج نژاد از اسبهای اهلی امروزی، اسب وحشی پژوالسکی (Przewalski) و الاغ، نشان داد آخرین نیای مشترک همه این گونهها، چهار تا چهارونیم میلیون سال پیش میزیسته (دو برابر قدیمیتر از تاریخی که پیشتر تصور میشد)، بهعلاوه آخرین نیای مشترک اسب پژوالسکی و اسبهای اهلی ۳۸ تا ۷۲ هزار سال پیش میزیسته؛ بنابراین اسب پژوالسکی آخرین نژاد بهجامانده از اسبهای وحشی است و باید مورد سیاستهای حفاظتی جدی قرار گیرد. همچنین ۲۹ ناحیه در ژنوم اسبهای اهلی شناسایی شد که طی اهلیسازی، مورد انتخاب مصنوعی قرار گرفته؛ بنابراین میتوان گفت صفات موردعلاقه نخستین رامکنندگان اسب برخاسته از این ۲۹ ناحیه ژنتیک بودهاند. همه اینها البته به لطف فناوریهای جدیدی ممکن شد که اجازه میدهد به مطالعه ژنوم باستانی و چند صد هزارساله بپردازیم.
یکی از مهمترین دشواریهایی که برای مطالعه ژنوم باستانی باید مورد توجه قرار گیرد، امکان آلودگی قطعات سنگواره با دياناي کاوشگران سنگوارهها و آثار باستانی است. این آلودگی میتواند نتایج نهایی را بهشدت منحرف کند و یکی از دلایل محدودیت نسبی درباره کاوشهای مولکولی دیرینه روی بقایای انسانهای باستانی، همین امکان آلودگی است؛ البته پژوهشهایی که در این یادداشت مورد اشاره قرار گرفتند، با درنظرگرفتن چنین احتمالی و رعایت احتیاط کافی انجام شدهاند؛ اما همین احتمال باعث میشود تا امکان پژوهشهای بعدی روی نمونههایی از سنگوارههای انسانی که سالها پیش کشف شدهاند، بسیار محدودتر شود. این نگرانی درباره سنگوارههای غیرانسانی کمتر است، زیرا راحتتر میتوان آلودگی انسانی را در میان توالی استخراجشده از ژنوم سنگواره موجودات دیگر تشخیص داد و حذف کرد.
در دهه 90 میلادی که هنوز اطلاعات دقیقی درباره دو محدودیت اصلی استخراج دياناي باستانی (نیمهعمر کوتاه و امکان آلودگی) وجود نداشت، مقالاتی حاوی گزارش نمونههای دياناي از دایناسورها منتشر شد. توالی دياناي سیتوکروم-b به قدمت 80 میلیون سال در سال ۱۹۹۴ از استخوان دایناسوری استخراج و گزارش شد (doi:10.1126/science.7973705) و دو گزارش از دیرینهشناسان چینی، در سال بعد مدعی کشف دياناي از تخم دایناسورها شدند (goo.gl/q8TTtL و goo.gl/asqyqe). با اینحال در همان سال ۱۹۹۵، مشخص شد که دياناي یافتهشده در استخوان دایناسورها، محصول آلودگی انسانی بوده است (doi:10.1126/science.7605504) و به اینترتیب پرونده اکتشاف دياناي دایناسوری تا همین امروز، بسته ماند. با وجود همه این محدودیتها، دیرینهشناسان امیدوارند در آینده دیرینهشناسی مولکولی بهقدری توسعه یابد که حتی امکان توالییابی قطعات ژنتیک از سنگواره جانوران قدیمیتر مثل دایناسورها نیز فراهم شود. البته هنوز اطمینان داریم که هیچ امکانی برای بازسازی دایناسورها به سبک پارک ژوراسیک وجود ندارد، اما کشف توالیهای پروتئینی متعدد از سنگواره دایناسورها، این امیدواری را
تقویت کرده که امکان بازیابی قطعات واقعی و بسیار قدیمی دياناي نیز وجود دارد. اغلب توالیهای پروتئینی بهدستآمده از سنگواره دایناسورها، مربوط به اواخر دوران دایناسورها هستند. یکی از نخستین موارد که در سال ۲۰۰۵ منتشر شد، کشف بافت نرم رگها یاختههای خونی ۶۶ میلیونساله در تیرانوسورِس (Tyrannosaurus) را گزارش میکرد
(doi:10.1126/science.1108397). در سال ۲۰۰۹ نمـــونــهای دیگــر از دایناسوری ۸۰ میلیونساله، ادعای یافته قبلی را صحـه گذاشت
(doi:10.1126/science.1165069). در سال ۲۰۱۵، نمونهای دیگر حاوی رشتههای پروتئین و ساختار یاختهای از سنگواره دایناسوری ۷۵ میلیونساله گزارش شد (doi:10.1038/ncomms8352). در سال ۲۰۱۷، یافتههای سال ۲۰۰۹ مورد بازبینی قرار گرفت و این بار دادههای بیشتری از توالی پروتئینی همان نمونه استخراج شد (doi:10.1021/acs.jproteome.6b00873). سرانجام در همین سال، قدیمیترین قطعه پروتئین از سنگواره دایناسوری به قدمت ۱۹۵ میلیون سال به دست آمد که بیش از صد میلیون سال قدیمیتر از یافتههای سابق است (doi:10.1038/ncomms14220).
پينوشت:
* شناسه شیئی رقومی یا doi، شماره منحصربهفردی برای شناسایی و بازیابی مقالات علمی و سایر پروندههای رقومی در اینترنت است. اگر به مطالعه متن کامل هریک از این مقالات علاقه داشتید، میتوانید با جستوجوی همین شناسه رقومی در scholar.google.com یا sci-hub.tw به متن کامل مقالات دسترسی پیدا کنید.
کتاب انسان خردمند «یووال نواخ هراری» دوبار به فارسی ترجمه شده و یکی از این ترجمهها، به چاپ نهم یا شاید دهم رسیده است. بهعنوان نسخهای مقدماتی برای آشنایی با موضوع، کتاب بدی نیست، اما یکی از عمودهای اصلی خیمه آن؛ یعنی نظریه انقلاب شناختی، روزبهروز سستتر میشود، بهخصوص که یافتههای دیرینهشناسی مولکولی از نظریه رقیب آن حمایت میکند. انقلاب شناختی به روایت هراری میگوید 70 هزار سال پیش، احتمالا جهشی در ژنهای انسانهای خردمند روی داد و سیمکشی مغزشان عوض شد (بدون اینکه اثری بر ریختشناسی مشهود در سنگوارهها بگذارد) و اینطوری توانستند بهتر فکر کنند، بهتر سخن بگویند، ابزارهای بهتری از قبیل قایق، سوزن، تیغه و تیر بسازند، به مفاهیم انتزاعی بیندیشند، ماهیگیری کنند، هنر بیافرینند و دنیا را فتح کنند. نظریه رقیب میگوید چنین انقلابی در بازه زمانی 70 یا حتی صدهزار سال پیش رخ نداده. در همین چند ماه گذشته مقالهای در Science منتشر شد و آثار نقاشی ۶۵ هزارسالهای را در ایبری گزارش کرد که ۲۰ هزارسال قبل از رسیدن پای انسان خردمند و به دست نئاندرتالها کشیده شدهاند (doi:10.1126/science.aap7778)*. حدود یک سال پیش در
مقالهای در مجله nature، شواهدی از حضور ۱۳۰ هزارساله انسان و شکار ماستودون در آمریکای شمالی منتشر شد
(doi:10.1038/nature22065). ۱۳۰ هزارسال قبل انسانهای خردمند فقط در آفریقا بودند و احتمالا جمعیتی از انسانهای دنیسآوا (خویشاوندان آسیایی نئاندرتالها) به آمریکا رفته بودند. درست یک روز قبل از نگارش این یادداشت نیز، مقاله دیگری در nature از حضور انسانهایی ۷۰۹ هزارساله در جزایر فیلیپین خبر داد که با ابزارهای سنگی، کرگدن سلاخی میکردند. این یکی نهتنها از انسان خردمند در آفریقا، بلکه حتی از انسانهای نئاندرتال و دنیسآوا هم قدیمیتر است (doi:10.1038/s41586-018-0072-8). بهجز اینها پژوهشهای متعدد دیگری که در خلال 20 سال گذشته انجام شده، نشان میدهد نظریه موردعلاقه هراری درست نیست. البته ذکر تمام مثالهای نقضی که نشان میدهد آن هنرهای گفتهشده، نه محدود به انسان خردمند بوده، نه پس از 70 هزارسال پیش پیدا شدهاند، در اینجا نه ممکن است، نه کافی. میخ آخر این نظریه را فقط یک جور میتوان کوبید و آن هم با کمک دیرینهشناسی مولکولی است. یکی از مهمترین ژنهایی که تصور میکنیم جهش و تغییر آن در توسعه ارتباط قشر مخ با هستههای پایهای مغز و در نتیجه توانایی تفکر و سخنگفتن ما دخالت داشته، ژنی است به نام FOXP2 که در
بسیاری از جانوران وجود دارد و نسخه خاصی از آن مخصوص ما انسانهاست. نسخهای از این ژن که در انسان پیدا میشود، پروتئینی میسازد که تنها در دو اسیدآمینه با شمپانزهها تفاوت دارد و تنها یکی از این دو تفاوت، در هیچ جانور دیگری پیدا نمیشود؛ اما همین تفاوت اندک، نقش بزرگی در توسعه عملکرد شناختی و گفتاری انسان داشته است. اگر نسخه مشابهی از این ژن در گونههای دیگر مثل نئاندرتالها هم بوده باشد، با یا بدون شواهدی از قبیل نقاشی غارها و سفرهای دریایی، ناچاریم بپذیریم آنها هم مثل ما بودهاند. خوشبختانه قطعاتی که از ژنوم نئاندرتالها در سنگوارههایشان به دست آمده، حاوی بقایای این ژن هم هست و شواهدی که در سال ۲۰۰۷ منتشر شد، نشان میدهد نئاندرتالها هم «خردمند» بودهاند (doi:10.1016/j.cub.2007.10.008). اگر هراری (که البته استاد تاریخ است، نه دیرینهانسانشناسی یا انسانشناسی تکاملی) قبل از نگارش کتابی درباره تکامل انسان، دستکم همین مقاله را درباره دیرینهشناسی مولکولی دیده بود، کتابش را بر اساس نظریه انقلاب شناختی استوار نمیکرد.
نیمه عمر مولکول دياناي در سنگوارهها، بسیار کوتاه است. طبق آخرین برآوردها، هر ۵۲۱ سال، نیمی از توالی مولکول دياناي تخریب میشود (doi:10.1098/rspb.2012.1745)؛ بااینحال چون میلیونها مولکول دياناي در هر بافت وجود دارد، میتوان با توالییابی قطعات دياناي و مقایسه آنها، دستکم پی برد توالی فلان ژن (مثلا ژن FOXP2 یا ژنهای مسئول رنگ پوست و چشم) در موجودی که سنگوارهاش را بررسی میکنیم، چه بوده است. برخی از قدیمیترین شواهد ژنتیکی تبار انسانها، از اسکلتهایی سنگوارهشده در غاری در آستوریاس (شمال اسپانیا) به دست آمده که قدمتی حدود ۴۳۰ هزار سال (doi:10.1038/nature17405) داشته و حتی با بازسازی توالی کامل ژنوم میتوکوندریال (ژنهای داخل اندامکی به نام میتوکوندری که مسئول سوختوساز یاختهاند و تنها از مادر به فرزندان میرسد) نسبت خویشاوندی آنها را با انسانهای دنیسآوا و نئاندرتال مشخص کردهاند (doi:10.1038/nature12788). اصلا همین انسان دنیسآوا که از آن نام برده شد، برخلاف نئاندرتالها، نه بر اساس کشف استخوانبندی کامل، بلکه بر اساس DNA بهدستآمده از دندانی ۱۱۰ هزارساله در جنوب سیبری، شناسایی شده است
(doi:10.1073/pnas.1519905112).
تاکنون قدیمیترین قطعه دياناي استخراجشده از سنگوارههای جانوری مربوط به بقایای اسبهایی با قدمت ۵۶۰ تا ۷۸۰ هزار سال است
(doi:10.1038/nature12323). مقایسه توالی ژنتیک بهدستآمده از این اسبهای سنگواره با پنج نژاد از اسبهای اهلی امروزی، اسب وحشی پژوالسکی (Przewalski) و الاغ، نشان داد آخرین نیای مشترک همه این گونهها، چهار تا چهارونیم میلیون سال پیش میزیسته (دو برابر قدیمیتر از تاریخی که پیشتر تصور میشد)، بهعلاوه آخرین نیای مشترک اسب پژوالسکی و اسبهای اهلی ۳۸ تا ۷۲ هزار سال پیش میزیسته؛ بنابراین اسب پژوالسکی آخرین نژاد بهجامانده از اسبهای وحشی است و باید مورد سیاستهای حفاظتی جدی قرار گیرد. همچنین ۲۹ ناحیه در ژنوم اسبهای اهلی شناسایی شد که طی اهلیسازی، مورد انتخاب مصنوعی قرار گرفته؛ بنابراین میتوان گفت صفات موردعلاقه نخستین رامکنندگان اسب برخاسته از این ۲۹ ناحیه ژنتیک بودهاند. همه اینها البته به لطف فناوریهای جدیدی ممکن شد که اجازه میدهد به مطالعه ژنوم باستانی و چند صد هزارساله بپردازیم.
یکی از مهمترین دشواریهایی که برای مطالعه ژنوم باستانی باید مورد توجه قرار گیرد، امکان آلودگی قطعات سنگواره با دياناي کاوشگران سنگوارهها و آثار باستانی است. این آلودگی میتواند نتایج نهایی را بهشدت منحرف کند و یکی از دلایل محدودیت نسبی درباره کاوشهای مولکولی دیرینه روی بقایای انسانهای باستانی، همین امکان آلودگی است؛ البته پژوهشهایی که در این یادداشت مورد اشاره قرار گرفتند، با درنظرگرفتن چنین احتمالی و رعایت احتیاط کافی انجام شدهاند؛ اما همین احتمال باعث میشود تا امکان پژوهشهای بعدی روی نمونههایی از سنگوارههای انسانی که سالها پیش کشف شدهاند، بسیار محدودتر شود. این نگرانی درباره سنگوارههای غیرانسانی کمتر است، زیرا راحتتر میتوان آلودگی انسانی را در میان توالی استخراجشده از ژنوم سنگواره موجودات دیگر تشخیص داد و حذف کرد.
در دهه 90 میلادی که هنوز اطلاعات دقیقی درباره دو محدودیت اصلی استخراج دياناي باستانی (نیمهعمر کوتاه و امکان آلودگی) وجود نداشت، مقالاتی حاوی گزارش نمونههای دياناي از دایناسورها منتشر شد. توالی دياناي سیتوکروم-b به قدمت 80 میلیون سال در سال ۱۹۹۴ از استخوان دایناسوری استخراج و گزارش شد (doi:10.1126/science.7973705) و دو گزارش از دیرینهشناسان چینی، در سال بعد مدعی کشف دياناي از تخم دایناسورها شدند (goo.gl/q8TTtL و goo.gl/asqyqe). با اینحال در همان سال ۱۹۹۵، مشخص شد که دياناي یافتهشده در استخوان دایناسورها، محصول آلودگی انسانی بوده است (doi:10.1126/science.7605504) و به اینترتیب پرونده اکتشاف دياناي دایناسوری تا همین امروز، بسته ماند. با وجود همه این محدودیتها، دیرینهشناسان امیدوارند در آینده دیرینهشناسی مولکولی بهقدری توسعه یابد که حتی امکان توالییابی قطعات ژنتیک از سنگواره جانوران قدیمیتر مثل دایناسورها نیز فراهم شود. البته هنوز اطمینان داریم که هیچ امکانی برای بازسازی دایناسورها به سبک پارک ژوراسیک وجود ندارد، اما کشف توالیهای پروتئینی متعدد از سنگواره دایناسورها، این امیدواری را
تقویت کرده که امکان بازیابی قطعات واقعی و بسیار قدیمی دياناي نیز وجود دارد. اغلب توالیهای پروتئینی بهدستآمده از سنگواره دایناسورها، مربوط به اواخر دوران دایناسورها هستند. یکی از نخستین موارد که در سال ۲۰۰۵ منتشر شد، کشف بافت نرم رگها یاختههای خونی ۶۶ میلیونساله در تیرانوسورِس (Tyrannosaurus) را گزارش میکرد
(doi:10.1126/science.1108397). در سال ۲۰۰۹ نمـــونــهای دیگــر از دایناسوری ۸۰ میلیونساله، ادعای یافته قبلی را صحـه گذاشت
(doi:10.1126/science.1165069). در سال ۲۰۱۵، نمونهای دیگر حاوی رشتههای پروتئین و ساختار یاختهای از سنگواره دایناسوری ۷۵ میلیونساله گزارش شد (doi:10.1038/ncomms8352). در سال ۲۰۱۷، یافتههای سال ۲۰۰۹ مورد بازبینی قرار گرفت و این بار دادههای بیشتری از توالی پروتئینی همان نمونه استخراج شد (doi:10.1021/acs.jproteome.6b00873). سرانجام در همین سال، قدیمیترین قطعه پروتئین از سنگواره دایناسوری به قدمت ۱۹۵ میلیون سال به دست آمد که بیش از صد میلیون سال قدیمیتر از یافتههای سابق است (doi:10.1038/ncomms14220).
پينوشت:
* شناسه شیئی رقومی یا doi، شماره منحصربهفردی برای شناسایی و بازیابی مقالات علمی و سایر پروندههای رقومی در اینترنت است. اگر به مطالعه متن کامل هریک از این مقالات علاقه داشتید، میتوانید با جستوجوی همین شناسه رقومی در scholar.google.com یا sci-hub.tw به متن کامل مقالات دسترسی پیدا کنید.