باحة مخلَّفات جينية
الانتخاب الطبيعي يمحِّص جميع التنويعات الموجودة في العالم بأكمله على مدار اليوم والساعة؛ لينبذ منها ما هو سيئ، ويحفظ ما هو جيد ويضيف إليه، وهو يعمل بصمت ودونما وعي على تحسين الظروف الحياتية العضوية وغير العضوية لكل من الكائنات الحية، وذلك متى توفرت الفرصة وأينما توفرت. ونحن لا ندرك شيئًا من هذه التغيرات البطيئة بينما تحدث، وإنما ندركها بعد أن يدور عقرب الزمن دهورًا طويلة، وحتى حينذاك، يظل فهمنا للعصور الجيولوجية في الماضي السحيق قاصرًا.
كان عام ١٩٥٣ علامة فارقة في تاريخ العلم. ففي جامعة شيكاجو، أجرى ستانلي ميلر التجارب الأولى في مجال أصل الحياة (انظر الفصل السابع عشر). وفي مرصد لامونت-دورتي الجيولوجي بجامعة كولومبيا، اكتشف موريس «دوك»، وبروس هيزن، وماري ثارب، الوادي المتصدع في حيد وسط المحيط الأطلسي، ورسموا خرائط له، وكان ذلك الدليل الأول على أنَّ تمدد قاع البحر يحدث بين صفائح القشرة المحيطية، وقد أصبح أساس نظرية الصفائح التكتونية بعد عقد من الزمن. وفي ذلك العام أيضًا، نشر آلان تورينج واحدةً من أكثر الأوراق البحثية تأثيرًا في علوم الكمبيوتر. وأعلن جوناس سالك عن أول لقاح ضد شلل الأطفال. واتضح زيف جمجمة «إنسان بلتداون» أخيرًا. وأعلن فريدريك رينز وكلايف كوان عن أول اكتشاف ناجح للنيوترينوات. وفي مختبر بجامعة كامبريدج، اكتشف عالمان شابان، هما فرانسيس كريك وجيم واتسون، تركيب جزيء الحمض النووي، وأكدا أنه «الشفرة» التي تستخدمها جميع الكائنات الحية لبناء أجسادها، ولصنع نُسخ من أنفسها تُنقَل إلى الأجيال التالية.
كان مختبر سيفيرو أوتشوا في جامعة نيويورك (بعدده الكبير من العاملين) متصدرًا في السباق. ولم يكن مختبر نيرنبرج الصغير التابع لمعاهد الصحة الوطنية قادرًا على المنافسة؛ فنحَّى العديد من زملائه العلماء في المعاهد الوطنية للصحة أبحاثهم الخاصة جانبًا؛ لمساعدته في التوصل إلى تسلسل أكبر قدر ممكن من الشفرة الجينية. وصف ديويت ستيتن، مدير المختبر، هذه الفترة بأنها «أفضل أيام المعاهد الوطنية للصحة». وأخيرًا، في أوائل الستينيات قام هار جوبيند خورانا من جامعة كولومبيا البريطانية بفك رموز بقية الشفرة الجينية. كان هذا الاكتشاف بالغ الأهمية، حتى إن نيرنبرج وخورانا وآر دبليو هولي (الذي اكتشف الحمض النووي الريبوزي الناقل الذي يقرأ الشفرة الجينية) تشاركوا جميعًا جائزة نوبل في الطب لعام ١٩٦٨.
في عام ١٩٦٢، لاحظ بعض العلماء هذا التكرار، وأدركوا أن الطفرات في الموضع الثالث (الصامت) في الكودون ستكون غير ملحوظة للانتخاب الطبيعي. وفي عام ١٩٦٨، طوَّر موتو كيمورا في ورقته البحثية «معدلات التطور على المستوى الجزيئي» فكرة أن معظم الجينوم لم يتأثر على ما يبدو بالانتخاب الطبيعي؛ ومن ثَم فهو محايد انتخابيًّا، وظهرت في العام التالي حُجة أكثر جذرية، وكان ذلك في بحثٍ من تأليف جيه إل كينج وتوماس جوكس بعنوان «التطور غير الدارويني». وسرعان ما طوَّر كيمورا وكينج وجوكس ما أصبح يُعرَف باسم «نظرية التطور المحايدة».
شكَّلت هذه النظرية صدمة لمجتمع علماء الأحياء التطورية آنذاك، وأتذكر بوضوح أنني تلقيت مقررات في علم الأحياء التطوري من بعض الداروينيين الجدد المتشددين في جامعة كولومبيا، في أواخر السبعينيات من القرن الماضي، والذين كانوا ما يزالون يؤمنون بالانتخاب الشامل الدقيق، بمعنى أن أي اختلاف، مهما كان طفيفًا، خضع لسيطرة الانتخاب الطبيعي، سواء تمكَّنا من رصده أم لا. وهذه الفكرة تعود إلى داروين نفسه الذي كتب عام ١٨٥٩ في كتابه «أصل الأنواع» أن الانتخاب الطبيعي يمحِّص كل اختلاف (راجع الاقتباس الوارد في بداية الفصل).
لكن في الوقت نفسه الذي كنت أسمع فيه هذه المفاهيم القديمة، كانت نظرية التطور المحايدة تزداد ترسخًا. فلم يكن من الممكن لأحدٍ بالطبع أن ينكر أن الموضع الثالث على الكودون صامت في أغلب الأحوال؛ ومن ثَم لن يكون لأي طفرة عشوائية في هذا الموضع تأثيرٌ على البروتين الناتج فلا يلاحظها الانتخاب الطبيعي. إنَّ ثلث الشفرة الجينية على الأقل محايدٌ تمامًا، ولا يمكن رؤيته، ولا يتأثر بالانتخاب الخارجي.
أصبح التكرار في الجينوم أكثر وضوحًا، عندما أثبتت سلسلةٌ من الدراسات أن معظم الكائنات الحية لديها من المواد الجينية أكثر مما تحتاج إليه بكثير، ومعظم هذه المواد هي ببساطةٍ حمض نووي غير مُشفر (يُسمَّى «مخلفات الحمض النووي»)؛ فهو لا يُقرأ ولا يؤثر في الكائن الحي. جاء الدليل الأول من تجربةٍ شهيرةٍ أجراها ريتشارد لوينتين وجاك هابي في عام ١٩٦٦، واللذان أثبتا فيها (بطريقة الرحلان الكهربائي للهلام، التي صارت قديمة الآن) أن معظم الكائنات الحية تتسم في حمضها النووي بتنوعٍ يفيض عن حاجتها، مما يعني أن الجزء الأكبر من الحمض النووي غير مقروء، لا بد، وزائد عن الحاجة. ومع نضوج علم الأحياء الجزيئي في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي، أصبحت قراءة تسلسل الأحماض الأمينية أكثر شيوعًا، وبحلول عام ٢٠٠٠ أصبح بالإمكان قراءة الحمض النووي الكامل للكائن الحي؛ لذلك أصبح هذا التكرار أكثر وضوحًا.
ومثلما كتب جون سوندمان في مقالته الصادرة عام ٢٠١٣ بعنوان «كيف فككت شفرة الجينوم البشري»:
تحدث معي كينت بلغة النُّجَباء المهووسين، مستخدمًا عبارات غريبة خرقاء، مثل استخدامه لكلمة «بنًى» في صيغة الاسم: «هذه أحدث بنية للجينوم. البنية ٣١». كنت معتادًا على سماع علماء الأحياء يتحدثون عن أناقة الحمض النووي بأسلوب يكاد يقترب من التقديس. وعلى النقيض من ذلك، تحدث كينت عن الحمض النووي كما لو كان شفرة مكتوبة بصيغة «الاسباجيتي» المتشابكة والأكثر تعقيدًا، والأسوأ توثيقًا، والتي تُعَد وسائل صيانتها شديدة العشوائية؛ فلم يتحدث عنه باعتباره أروع ما خلقه الرب، بل باعتباره عملًا عشوائيًّا أنتجه شخصٌ غير بارع، وهو محمَّل بعدد لا نهائي من الآثار الجانبية، و«طفيليات لا حصر لها».
وثمة دليل آخر أيضًا، وهو أنه لن يحدث شيء إذا حذفنا بعضًا من هذا التسلسل المتكرر غير المُشفِّر الذي يُعد بمثابة المخلفات. ففي عام ٢٠٠٤، أجرى العلماء تجربة حذفوا فيها ما يقرب من ثلاثة في المائة من جينوم الفأر الذي بدا أنه متكرر وغير مُشفِّر، واستمرت الفئران في التكاثر دون آثار سلبية. فإذا كان هذا الحمض النووي وظيفيًّا، فكيف أمكن للفئران الاستمرار في التكاثر بدونه؟
ما هي وظيفة كل هذا القدر من الحمض النووي العديم الفائدة إذن، إذا كانت له وظيفة من الأساس؟ يمكن أن يقوم بعضه بوظيفة الحفاظ على التباعد بين المناطق المُشفِّرة، أو يمكن استخدامه للمساعدة في الحفاظ على شكل الطيات المعقدة لشرائط الحمض النووي الطويلة. ومن أمثلة هذه المناطق غير المُشفِّرة ما يلي:
-
(١)
الإنترونات: قطع من الحمض النووي التي كانت مقروءة في البداية، ولكنها عُدِّلت بعد ذلك أثناء التضفير الجيني النهائي.
-
(٢)
الجينات الزائفة: أجزاء من الحمض النووي فقدت قدرتها على تشفير البروتينات.
-
(٣)
الحمض النووي التكراري: في أجزاء كثيرة من الجينوم، يتكون الحمض النووي من الكودونات نفسها التي تتكرر مرارًا وتكرارًا مئات المرات، ولا يبدو أنها تُشفِّر أي شيء.
-
(٤)
الينقولات: «جينات قافزة» يمكنها القفز من جزء من الحمض النووي إلى جزء آخر، ولا يُعبَّر عنها رغم ذلك.
-
(٥)
عناصر نووية قصيرة الانتشار وعناصر نووية طويلة الانتشار: أجزاء من الحمض النووي عالقة في منتصف تسلسل مُشفِّر ليس لها وظيفة، ولا يمكنها تشفير البروتينات.
-
(٦)
حمض نووي غير أساسي غير مُشفِّر محفوظ بدرجة عالية: يوجد على نحو متَّسق في تسلسلات العديد من الكائنات الحية، مما يشير إلى أهميته، ومع ذلك يمكن إزالته بدون أي تأثير على الإطلاق.
لعل أكثر هذه الجينات العديمة الفائدة إثارةً للاهتمام هي الفيروسات الراجعة الداخلية. تعمل معظم الفيروسات عن طريق تعديل آلية الخلايا المضيفة، مما يحمل المضيف على عمل المزيد من نُسَخ الفيروس. لكن الفيروسات الراجعة (بما في ذلك فيروس نقص المناعة البشرية، وهو الفيروس المسبب لمرض الإيدز، وفيروس آخر يسبب جدري الماء/الهِربِس النُّطاقي) أكثر خبثًا حتى من ذلك. فهي تُدخِل شفرتها الجينية في الحمض النووي للكائن المضيف، ويقوم المضيف بعمل نُسخ من الفيروس بشكل مباشر. غير أنَّ هذه الآلية التي تؤدي إلى تشغيل الفيروسات الراجعة الداخلية، وصنع المزيد من نُسخها مُعطَّلة في العديد منها. إن هذه الفيروسات عدوى أحفورية بالأساس، أي أجزاء قديمة من شفرة وراثية أصابت أسلافنا منذ ملايين السنين، ونُسِخت مرارًا وتكرارًا منذ ذلك الحين. تشكِّل الفيروسات الراجعة الداخلية المنقرضة نسبة تتراوح بين خمسة وثمانية بالمائة من الجينوم البشري، لكنها عبارة عن حمض نووي عديم الفائدة تمامًا نحمله إلى الأبد. والأكثر إثارة للاهتمام هو أننا نتشارك العديد من الفيروسات الراجعة الداخلية مع أقاربنا من القردة؛ لذلك يجب أن تكون قد انتقلت هذه الأنواع من العدوى قبل أن يتشعب البشر والقردة منذ أكثر من سبعة ملايين سنة. إن بعض هذه الفيروسات الراجعة الداخلية تنتقل عبر الجزء الأكبر من شجرة عائلة الفقاريات، مما يشير إلى أن هذه العدوى الأحفورية تعود إلى عدة ملايين من السنين، وهي لا تزال باقية في حمضنا النووي رغم ذلك.
اتضح أن نتائج إنكود كانت أفضل من أن تُصدَّق. وقد أدت دراسة أجراها دان جراور وزملاؤه في عام ٢٠١٣ إلى دحض هذه النتائج تمامًا؛ إذ أكَّدت مجددًا أن معظم الجينوم (٩٠ بالمائة منه على الأقل، وربما ٩٨ بالمائة) غير مُشفِّر. النقطة الرئيسية هي أن دراسة إنكود لم تثبت سوى أن بعض الجينوم المسمَّى «مخلفات» يشفِّر بالفعل بروتينًا ما. غير أنها لم تثبت ما إذا كانت هذه البروتينات المعزولة العشوائية جزءًا من مسار كيميائي حيوي وظيفي، أو مؤديةً إلى أية نتائج متعلقة بالنمط الظاهري أم لا. إذا كان البروتين ناتجًا من الحمض النووي الذي يُعد من المخلفات لكنه لا يقوم بأي وظيفة، فهو لا يزال مخلفات.
إن حقيقة أن معظم الحمض النووي في أي كائن حي محايد انتخابيًّا، ويبدو أنه لا يشفر لأي شيء؛ فسَّرَت اكتشافًا آخر من ستينيات القرن الماضي. في عام ١٩٦٢، لاحظ العالمان الأسطوريان لينوس باولينج وإميل زوكركاندل أن عدد الاختلافات الجينية بين نوعَين مرتبطَين يتناسب مع المدة الزمنية المنقضية منذ انقسامهما إلى سلالات مختلفة. كلما طالَت المدة التي انقضت منذ انقسام أي نوعَين، زاد ما تراكم بينهما من اختلافاتٍ جينية. وعن ذلك كتب عالم أحياء جزيئية مشهور آخر، إيمانويل مارجولياش، في عام ١٩٦٣:
جاءت الفكرة القائلة بأن التغييرَ المتراكمَ ببطء في الحمض النووي بمرور الوقت ثابتٌ كدقَّات الساعة؛ متَّسقةً مع فكرة الحياد والحمض النووي غير المُشفِّر. فلم يكن من الممكن لهذه التغييرات أن تتراكم ببطء، بفعل الحوادث الجينية العشوائية والانحراف الجيني، ما لم تكن غير مرئيةٍ للانتخاب الطبيعي. ذلك أنه لو كان معظم الحمض النووي يخضع لرقابةٍ صارمةٍ من الانتخاب الطبيعي، لما وجدنا تطابقًا كبيرًا بين وقت التباعد والمسافة الجينية. إن كلًّا من أدلة الحيادية المستقاة من الموضع الثالث غير المرئي على الكودونات، ووجود الكثير من الحمض النووي غير المُشفِّر، وحقيقة أن الحمض النووي يتغير بمعدل ثابت بينما يتجاهل تأثيرات الانتخاب الطبيعي؛ يرسم صورة متسقة للجينات، معظم الحمض النووي غير مقروء ومحايد أو غير مرئي للانتخاب الطبيعي. كانت هذه فكرة صادمة للعديد من علماء الأحياء المتشبثين بمفاهيم الانتخاب الشامل في الستينيات.
من الأفكار الأخرى الشائعة التي كانت مترسخة في دراسات التطور الجزيئي المبكرة أن كل جين يشفر لبروتين واحد، وهما يتحدان فيما بعد ليشكلا صفة مميزة واحدة. عُرِف هذا فيما بعد بمبدأ «جين واحد، بروتين واحد». لكن اكتشاف الحمض النووي الذي يُعد نفاية يدحض هذه الفكرة القديمة بالكامل. فالأمر لا يقتصر على أنَّ معظم الجينات لا تشفر أي بروتين على الإطلاق، بل إن بعض الجينات الأخرى تشفر أكثر من بروتين واحد (وهو ما يُعرَف بتعدد النمط الظاهري). إذا كان الانتخاب يحتفظ بجين معين متعدد النمط الظاهري لأنه يُشفِّر صفة بالغة الأهمية، فإن جميع الصفات الأخرى التي يحددها قد «تُنقَل» سلبًا، حتى لو كانت محايدة انتخابيًّا أو ضارة قليلًا.
إن أصابع أقدامنا الكبيرة هي مثال على ذلك. لقد وُضعَ الكثير من التكهنات بشأن سبب امتلاك الإنسان لإصبع قدم كبيرة، واحتمالية أن يكون انتخابه مفيدًا لمشيتنا وخطواتنا. لكن هذا لا معنى له. إن إصبعَ القدم الكبيرةَ متضخمة؛ لأنها مرتبطة من الناحية الجينية والكيميائية الحيوية بإبهاماتنا المتضخمة التي توفر لنا مزايا تكيُّفية عديدة. ولا يمكننا الحصول على واحدة دون الأخرى. والواقع أنَّ بعض الدراسات تشير إلى أن أصابع القدم الكبيرة تسبب لنا مشاكل عند الجري والمشي؛ ومن ثَم قد توجد درجةٌ ضعيفةٌ من الانتخاب ضدها، لكن مزايا الارتباط بين تعددية النمط الظاهري والإبهام المعاكسة الكبيرة تتغلب عليها. في هذه الحالة، قد يسمح الانتخاب الطبيعي لصفات ضارة بالاستمرار، لمجرد أنها مرتبطة بصفاتٍ أكثر أهمية توفر ميزةً انتخابيةً قويةً إيجابية. إضافة إلى ذلك، فإنَّ العديد من الصفات يستلزم جيناتٍ متعددةً لإنتاج صفة واحدة فقط؛ فالتعقيد أكثر بكثيرٍ مما كان يمكن لعلماء الأحياء الجزيئية تخمينه في الستينيات.
الآن، وبعد مرور أكثر من ٦٧ عامًا على اكتشاف بنية الحمض النووي لأول مرة، ابتعدنا عن المفاهيم التبسيطية على غرار: «جين واحد يشفر بروتينًا واحدًا»، وأن الحمض النووي مصمم بشكل مثالي، وأن الانتخاب الطبيعي يضبطه بدقة باستمرار، وأنه أعجوبة من التكيف، أو أنه من «صنع الرب». بدلًا من ذلك، صرنا نعرف الآن أن الحمض النووي ونظام التشفير الجيني بأكمله أخرق وغير فعَّال ومرتجَل، ويتكون في معظمه من نفايات وأجزاء غير ضرورية. وهو يبدو أسوأ تصميمًا من بعض أعضاء الجسد التي تعمل بكفاءة. فهو كما قال كينت يبدو «كما لو كان شفرة مكتوبة بصيغة «الاسباجيتي» المتشابكة والأكثر تعقيدًا، والأسوأ توثيقًا، والتي تُعَد وسائل صيانتها شديدة العشوائية، فلم يتحدث عنه باعتباره أروع ما خلقه الرب، بل باعتباره عملًا عشوائيًّا أنتجه شخص غير بارع، وهو محمَّل بعدد لا نهائي من الآثار الجانبية، و«طفيليات لا حصر لها».»
قراءات إضافية
-
Carey, Nessa, Junk DNA: A Journey Through the Dark Matter of the Genome, New York: Columbia University Press, 2015.
-
Doolittle, W. Ford, “Is Junk DNA Bunk? A Critique of ENCODE,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110, no. 14 (2013): 5294–5300.
-
Gregory, T. Ryan, ed., The Evolution of the Genome, Amsterdam: Elsevier, 2005.
-
Graur, Dan, Yichen Zheng, Nicholas Price, Ricardo B. R. Azevedo, Rebecca A. Zufall, and Eran Elhaik, “On the Immortality of Television Sets: ‘Function’ in the Human Genome According to the Evolution-Free Gospel of ENCODE,” Genome Biology and Evolution 5, no. 3 (2013): 578–590.
-
Hubby, J. L., and R. C. Lewontin, “A Molecular Approach to the Study of Genic Heterozygosity in Natural Populations: I. The Number of Alleles at Different Loci in Drosophila Pseudoobscura,” Genetics 54, no 2 (1966): 577–594.
-
Kimura, Motoo, The Neutral Theory of Molecular Evolution, Cambridge: Cambridge University Press, 1983.
-
______, “The Neutral Theory of Molecular Evolution,” Scientific American 241, no. 5 (1979): 98–129.
-
King, Jack Lester and Thomas H. Jukes, “Non-Darwinian Evolution,” Science 164, no. 3881 (1969): 788–798.
-
Levinton, Jeffrey S., Genetics, Paleontology, and Macroevolution, 2nd ed, Cambridge: Cambridge University Press, 2001.
-
Lewontin, Richard C., The Genetic Basis of Evolutionary Change, New York: Columbia University Press, 1973.
-
Lewontin, Richard C., and J. L. Hubby, “A Molecular Approach to the Study of Genic Heterozygosity in Natural Populations: II. Amount of Variation and Degree of Heterozygosity in Drosophila Pseudoobscura,” Genetics 54, no. 2 (1966): 595–609.
-
Mindell, David P., The Evolving World: Evolution in Everyday Life, Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 2006.
-
Nelson, P. N., P. Hooley, D. Roden, H. Davari Ejtehadi, P. Rylance, P. Warren, J. Martin, and P. G. Murray, “Human Endogenous Retroviruses: Transposable Elements with Potential?” Clinical and Experimental Immunology 138, no. 1 (2004): 1–9.
-
Ohta, Tomoko, “Near-Neutrality in Evolution of Genes and Gene Regulation,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 99, no. 25 (2002): 16134–16137.
-
Palazzo, Alexander F. and T. Ryan Gregory, “The Case for Junk DNA,” PLoS Genetics 10, no. 5 (2014): e1004351.
-
Ridley, Mark, Evolution, 2nd ed., Cambridge, Mass.: Blackwell, 1996.
-
Wesson, Robert, Beyond Natural Selection, Cambridge, Mass.: MIT Press, 1991.
-
Wills, Christopher, The Wisdom of the Genes: New Pathways in Evolution, New York: Basic Books, 1989.
