با مشاهده‌ی دنیای طبیعی می‌توان چندین موضوع مهم را ملاحظه نمود. اول وجود انواع بسیار گوناگونی از موجودات زنده، دوم، میزان پیچیدگی  موجودات زنده و سوم وجود فواید آشکار در بسیاری از ویژگی‌های این موجودات. حال دو سؤال مطرح می‌شود: اول اینکه چرا این گونه است؟ و دوم اینکه آنها چگونه بوجود آمدند؟

فرض کنید موجودات زنده‌ی کنونی دنیا نتیجه‌ی تعداد زیادی تکرار در یک الگوریتم بهینه‌سازی بزرگ هستند. تابع هزینه، بقای حیاتاست که ما علاقه‌مند به حداکثر شدن آن هستیم. بنابراین، ویژگی‌ها و خصوصیات موجودات زنده‌ی دنیای طبیعی باید متناسب با مکان زندگی آنها باشد. میزان سازگاری با محیط، بیانگر میزان شایستگی آنهاست. محیط زیست همان گونه که امکان تعامل بین گونه‌های مختلف را فراهم می کند، به همان میزان نیز دارای محدودیت‌هایی است. روند تکامل، همان الگوریتم بسیار بزرگ است که تعیین می‌کند چه ویژگی‌هایی منجر به تولید گونه‌هایی از موجودات می شود که برای ادامه‌ی بقا شایسته‌تر هستند. برخی مناطق دربردارنده‌ی طیف وسیعی از موجودات زنده با ویژگی‌های متفاوت است، در حالی که بعضی مناطق دیگر فقط شامل تعداد کمی از موجودات با ویژگی‌های خاص می‌باشد.

برای پی بردن به مسیری که منجر به جمعیت‌دار شدن این منابع طبیعی شده، باید دو مولفه‌ی انتخاب طبیعی را مورد مطالعه قرار دهیم: ژنتیک و تکامل. زیست شناسان امروزی تئوری ترکیبی انتخاب طبیعی (که ترکیبی از ژنتیک و تکامل است) را مورد تأیید
قرار می‌دهند. دو تقسیم‌بندی اصلی از مقیاس در این تئوری تکاملی ترکیبی وجود دارد. تحولات کلان سیر تکاملی[1] شامل روند تقسیم موجودات زنده به گروههای عمده و اصلی است و  تحولات خرد سیر تکاملی[2] به روند تکامل در درون جمعیت‌های خاص می‌پردازد. تحولات کلان سیر تکاملی از حیطه‌ی کار ما خارج است و در اینجا تنها به تحولات خرد سیر تکاملی می‌پردازیم.

در ابتدا ما نیاز به کمی معلومات قبلی راجع به وراثت در سطح سلولی داریم. یک ژن[3] واحد بنیادی وراثت است. ژن‌های یک موجود زنده بر روی یکی از جفت کروموزوم‌ها[4] به شکل DNA[5] انتقال می‌یابند. DNA به صورت مارپیچ دوگانه[6] است و یک سیستم نمادین از رشته‌های زوج-پایه[7]را حمل می‌کند که رشته‌ی آنزیم‌ها و دیگر پروتئین‌ها را در یک موجود زنده تعیین می‌کنند. این رشته تغییر ناپذیر است و به عنوان کد ژنتیک[8] موجود زنده شناخته می‌شود. سلول‌های یک موجود زنده شامل تعداد مساوی از کروموزوم‌ها هستند. به عنوان مثال، تعداد کروموزوم‌های هر سلول بدن  پشه 6، قورباغه 26، انسان 46 و ماهی قرمز 96 است. ژن‌ها اغلب به دو حالت کارکردی رخ می‌دهند که هر کدام بیانگر یک ویژگی متفاوت است. به هر یک از این حالت‌ها «اَلِل[9]» یا ژن‌های مربوط به یک صفت گفته می‌شود. به عنوان مثال، انسان می‌تواند دارای یک اَلِل برای رنگ چشم قهوه‌ای و اَلِل
دیگری برای رنگ چشم آبی باشد. ترکیب اَلِل‌ها بر روی کروموزوم‌ها ویژگی‌ها و صفات یک شخص را تعیین می‌کند. معمولا یکی از اَلِل‌ها غالب و دیگری مغلوب است، بنابراین این
اَلِل غالب است که در جاندار ظاهر می‌شود و اَلِل مغلوب ممکن است به فرزندش(یا فرزندانش) منتقل شود. اگر اَلِل مربوط به رنگ قهوه‌ای چشم غالب باشد، جاندار دارای چشمانی قهوه‌ای رنگ خواهد شد؛ با این حال ممکن است اَلِل مربوط به رنگ آبی چشم را به فرزندش منتقل کند. اگر اَلِل دوم والد دیگر نیز مربوط به رنگ آبی چشم باشد آنگاه فرزند آن دو والد چشم آبی خواهد شد.

برای روشن‌تر شدن بحث غالب و مغلوب به مثال زیر توجه کنید. همان گونه که گفته شد، برای هر صفتی ژن خاصی وجود دارد که نوزاد از والدین خود به ارث می‌برد. برای آن که موضوع روشن شود، موضوع RH خون را در نظر می‌گیریم. عامل تعیین کننده‌ی RH خون ژنی است که سبب می‌شود RH  خون مثبت و یا منفی شود. هر ژن از دو قسمت تشکیل یافته است که یک قسمت آن از پدر و یک قسمت دیگر آن از مادر به نوزاد می‌رسد. اکنون اگر این دو بخش، هر دو، از نوع RH منفی باشند؛ گروه خونی نوزاد منفی خواهد بود و در غیر این صورت RH خون نوزاد مثبت خواهد شد. در این گونه موارد، می‌گویند ژن RH مثبت غالب است (یعنی بر ژن RH منفی چیره می شود). معمولاً ژن‌ها را با حروف انگلیسی نشان می‌دهند. اگر ژنی غالب باشد، آن را با حرف بزرگ و اگر مغلوب باشد، با حرف کوچک نشان می‌دهند. مثلاً اگر ژن تعیین کننده‌ی RH خون را با R نشان دهیم، آنگاه R عامل تعیین کننده‌ی RH مثبت و r تعیین کننده‌ی RH منفی است. پس اگر ژن مربوط به تعیین RH خون فرزندی به یکی از صورت‌های Rr، RR و یا rR باشد؛ H Rخونی او مثبت خواهد شد. فقط در حالت rr است که RH او منفی می‌شود. حالت زیر را برای والدین در نظر بگیرید.

الف: مادر به صورت RR و پدر نیز به صورت RR  باشند. در این صورت، فرزند آن‌ها نیز مسلماً دارای ژن RR خواهد بود و در نتیجه RH او مثبت است.

ب: مادر به صورت rr و پدر نیز به صورت rr باشند. در این صورت، فرزند آن‌ها دارای ژن rr است و RH  خون او منفی است.

ج: مادر به صورت Rr و پدر به صورت RR باشد. در این صورت، فرزند به یکی از دو صورت RR و یا Rr  است که در هر حال RH او مثبت است.

د: مادر به صورتRr  و پدر به صورت Rr باشد. در این صورت، فرزند به صورت RR، یا Rr  و یا rr خواهد بود، که در دو حالت اول RH مثبت و فقط در حالت آخر RH منفی است. اکنون احتمال آن که فرزند چنین والدینی دارای RH مثبت باشد، چه قدر است؟


چون هر یک از این ترکیب‌ها به تصادف انجام می‌شود؛ احتمال آن که این قبیل پدران
و مادران دارای فرزندی با RH مثبت باشند، 3 برابر بیشتر از آن است که دارای فرزندی
با RH منفی باشند.

هـ: اگر مادر به صورت Rr و پدر به صورت rr باشد،

در این حالت، احتمال آن که فرزندی دارای RH مثبت باشد، برابر حالتی است که دارای RH منفی باشد. به همین ترتیب می‌توان برای سایر حالات نیز نمودار نظیر را رسم و احتمال‌ها را محاسبه کرد.  شایان ذکر است که اگر تنوع صفت بیش از 2 باشد (یعنی علاوه بر مثبت و منفی حالات دیگری نیز وجود داشته باشد)، انتقال صفات به این سادگی انجام نمی‌پذیرید و در آن جا باید با مطالعات گسترده درباره‌ی غالب و مغلوب بودن ژن‌ها، قانون انتقال را تعیین کرد.

مطالعه‌ی ژنتیک با آزمایش‌های گرگور مندل[10] آغاز شد.وی در سال 1822 میلادی متولد و در جوانی وارد دانشگاه وین[11] شد، و در آنجابه تحصیل زیست‌شناسی و همچنین ریاضیات مشغول شد. پس از مردود شدن در امتحانات، دانشگاه را رها کرد و راهب شد. در باغ صومعه بود که آزمایش‌های معروف گیاه نخود فرنگی را انجام داد. مندل با بکارگیری ریاضیات و آمار برای تجزیه و تحلیل و پیش‌بینی نتایجش، انقلابی را در آزمایش‌های تجربی بوجود آورد. او با فرضیات و برنامه‌ریزی‌های دقیقش برای اولین بار قادر به فهمیدن مفاهیم بنیادین وراثت ژنتیکی شد و نتایجش را در سال 1865 میلادی منتشر ساخت. با وجود کشفیات درخشانی که انجام داد، در زمان حیاتش هیچگاه از یافته‌هایش تقدیر نشد.

آزمایش‌های گیاه نخود فرنگی مندل برای نشان دادن چگونگی انتقال صفات از یک نسل به نسل دیگر بسیار مفید بود. یکی از دلایلی که باعث موفق بودن آزمایش‌های مندل گردید این است که گیاه نخود فرنگی معمولا خود بخود گرده‌افشانی می‌کند و به ندرت بدون عوامل گرده‌افشانی (مثل باد، آب، حیوانات، انسان و...) گرده‌افشانی مصنوعی انجام می‌دهد. گرده‌افشانی خودبخودی براحتی قابل جلوگیری است. دلیل دیگری که منجر شد آزمایش‌های مندل موثر واقع شوند این بود که وی سالهای زیادی را، قبل از شروع آزمایش صرف مستندسازی و ثبت صفات قابل انتقال (قابل توارث) و این که کدامیک از آنها به صورت خالص و مطلق قابل پرورش و بارآوردن هستند، کرد. این امر باعث شد بتواند بر روی گیاهانش لقاح مصنوعی انجام دهد و صفات فرزندان و نسل بعدی را مشاهده کند. با مشاهده‌ی دقیق توزیع صفات، وی قادر به بیان اولین قانون خود یعنی اصل تفکیک[12] شد که طبق آن در وراثت، باید عواملی وجود داشته باشند که دوتادوتا و جفت جفت به ارث برسند؛ از هر والد یکی. این عوامل در حقیقت همان ژن‌ها و حالات متفاوتشان یعنی اَلِل‌ها هستند. وقتی هر دو اَلِل‌ یک جفت ژن یکسان باشند، به آنها هوموزیگوس[13] گفته می‌شود و زمانیکه متفاوت باشند به آنها هتروزیگوس[14] می‌گویند. اَلِل قهوه‌ای-آبی برای رنگ چشم یک والد هتروزیگوس است، در حالی که ترکیب آبی-آبی برای فرزند هوموزیگوس است. صفت عملا در فنوتیپ[15] یا رخ مانه دیده می‌شود اما ترکیب واقعی اَلِل‌ها ژنوتیپ[16] یا نژاد مانه است. هرچند جاندار والد دارای فنوتیپ قهوه‌ای-آبی برای رنگ چشم است، نژادمانه آن برای چشم‌های قهوه‌ای رنگ است (یعنی حالت غالب). نژادمانه باید بر اساس رخ‌مانه‌ی نسل بعد و همچنین خود والدین استنتاج شود. اگر چشمان فرزند آبی رنگ شد، می‌توانیم نتیجه بگیریم که هریک از والدین دارای یک اَلِل آبی برای انتقال به فرزند بوده‌اند؛ هرچند رخ‌مانه‌ی هر یک از والدین رنگ قهوه‌ای چشم بوده باشد. بنابراین از آنجائیکه فرزند هوموزیگوس بوده و دارای دو اَلِل برای رنگ آبی چشم است، هر دوی والدین باید هتروزیگوس باشند؛ یعنی دارای یک اَلِل آبی و یک اَلِل قهوه‌ای باشند. قانون دوم مندل اصل جور شدن مستقل[17] است. طبق این اصل، وراثت اَلِل برای یک صفت، مستقل از وراثت آن برای دیگری است. مثلا رنگ چشم ربطی به اندازه‌ی قد یک فرد ندارد.

برای فهمیدن اینکه ژن‌ها چگونه برای تبدیل به فنوتیب با یکدیگر ترکیب می‌شوند، بهتر است به برخی مفاهیم اساسی راجع به تقسیم سلولی توجه کنیم. تولید مثل در جانداران تک سلولی بسیار ساده با تقسیم سلولی رخ می‌دهد که به آن میتوز[18] گفته می‌شود. در طول مراحل میتوز، مواد تشکیل دهنده‌ی کروموزوم دقیقا کپی می‌شود و به فرزند انتقال می‌یابد. در چنین جانداران ساده‌ای، سلول‌های دختر (ایجاد شده) با والدین یکسان هستند. شانس کمی برای تکامل چنین جاندارانی وجود دارد. اگر جهشی رخ ندهد، تکثیر این گونه‌ها بدون تغییر باقی می‌ماند. جانداران بزرگتر شیوه‌ی کارآمدتری را برای انتقال صفات به فرزندانشان توسعه داده‌اند و آن تولید مثل جنسی است. روند تقسیم سلولی که در آنها رخ می‌دهد میوز[19] نام دارد. یاخته‌ی جنسی یا گامت[20] یا سلول مولد، برخلاف سلول‌های غیرجنسی[21]، دارای تعداد کاملی از کروموزوم‌ها نبوده بلکه دارای نیمی از تعداد کروموزوم‌هاست. بنابراین، به سلول‌های گامت هاپلوئید[22] و به سلول‌های غیرجنسی دیپلوئید[23] گفته می‌شود. هاپلوئید یا تک‌لاد اشاره به یک مجموعه کروموزوم (n1) در یاخته‌های جنسی دارد. کروموزوم‌ها در یاخته‌های بدنی به‌صورت جفت هستند، درحالی که یاخته‌های جنسی حاوی یک کروموزوم از هر جفت می‌باشند. بنابراین، معنی هاپلوئید عبارت است از حضور یکی از هر نوع کروموزوم در هسته. به موجود یا یاخته‌ای که دارای دو مجموعه‌ی کروموزومی  (n2) باشد دیپلوئید، دوگان یا دوهسته‌ای گفته می‌شود. دوگان‌ها دارای دو مجموعه کروموزوم هستند که به طور طبیعی در سلول‌های سوماتیک (بدنی) انسان چنین حالتی برقرار است. شماره‌ی دیپلوئید (عدد کروموزومی) انسان ۴۶ است، به این معنا که کروموزوم‌ها به صورت جفت (دوتایی) از قسمتی به نام سانترومر به یکدیگر متصل هستند. داشتن بیش از دو محل برای استقرار ژن‌های مشابه را پلی‌پلوئیدی یا مالتی‌پلوئیدی می‌گویند (چندلادی و پولادی هم نامیده شده است). پلی‌پلوئیدی خاصیت دارا بودن بیش از دو مجموعه کروموزوم متجانس در یاخته‌های بدنی است. نشانه‌های (n3) برای آن‌هایی که سه مجموعه کروموزم متجانس دارند (تری‌پلوئید)، (n4) برای آن‌هایی که چهار مجموعه کروموزم متجانس دارند (تتراپلوئید) و غیره به کار می‌رود. تنها این سلول‌های دیپلوئید هستند که حاوی کد ژنتیک کامل‌اند. عدد دیپلوئید کروموزوم‌ها برای تشکیل عدد هاپلوئید برای گامت‌ها به نصف کاهش می‌یابد. هنگام آماده‌سازی برای میوز، سلول‌های گامت تکثیر می‌شوند. سپس سلول‌های گامت مادر به سلول‌های گامت رسیده از جانب پدر ملحق می‌شوند. آنها خود را به صورت جفت‌های همسان[24]مرتب می‌کنند، یعنی هر کروموزوم با یک کروموزوم هم اندازه و هم شکل خود تطبیق می‌یابد و هنگام مطابقت و یارگیری، در نقطه‌ای تصادفی از جفت کروموزوم تطبیق یافته به نام کینتوکور[25] بهم متصل می‌شوند. با پیشروی میوز، کینوتوکورها به گونه‌ای تقسیم می‌شوند که قسمت سمت چپ کروموزوم مادر به قسمت سمت راست کروموزوم پدر متصل ‌شود؛ برای دیگر قسمت‌ها برعکس این کار صورت می‌گیرد. به این روند ادغام[26] گفته می‌شود. سلول حاصل دارای تعداد کاملی از دیپلوئید کروموزوم‌هاست. به واسطه‌ی این ادغام، مواد ژنتیکی مادر و پدر به گونه‌ای با یکدیگر ترکیب می‌شوند که منجر به یک فرزند با ویژگی‌های منحصر بفرد می‌شود. این فرآیند وقوع تغییر را در گونه‌های جانداران ممکن می‌سازد.

حال به بحث راجع به دومین عنصر انتخاب طبیعی، یعنی تکامل، و یکی از اولین حامیان آن، یعنی چارلز داروین[27]، بازمی‌گردیم. داروین ایده‌ها و نظریات خود را در طول مسافرتش به جزیره‌ی گالاپاگوس[28]به عنوان یک طبیعت‌شناس پروراند. تئوری تکامل داروین بر پایه‌ی چهار فرضیه‌ی اصلی و ابتدایی بود. اول اینکه هر فرزند دارای بسیاری از ویژگی‌ها و خصوصیات والدینش می‌باشد. این فرضیه دلالت بر این دارد که جمعیت پایدار است. دوم اینکه، بین خصوصیات افراد یک نسل و نسل بعدی تفاوت‌ها و تغییراتی وجود دارد. سومین فرضیه این است که تنها درصد کمی از فرزندان تولید شده تا بزرگسالی زنده می‌مانند. نهایتا اینکه کدامیک از فرزندان زنده خواهد ماند به ویژگی‌هایی بستگی دارد که به ارث می برند. تئوری انتخاب طبیعی از ترکیب این فرضیات حاصل می‌شود. پس از درک ژنتیک، در تئوری تکامل مدرن نوبت به تفسیر مراحل انتخاب طبیعی می رسد.

به گروهی از جانداران که با هم تولید مثل می‌کنند جمعیت[29] اطلاق می‌شود. تحت شرایط ثابت ویژگی‌ها و خصوصیات جمعیت با استفاده از قانون وین برگ[30] مشخص می‌شود.طبقاین اصل اگر آشفتگی و اختلالی رخ ندهد، فراوانی پیشامد اَلِل‌ها در یک جمعیت یکسان خواهد بود. بنابراین، اگرچه افراد بسیار گوناگون هستند، شاخص آماری آنها یکسان می‌ماند. با این حال، می‌دانیم که برخی از جمعیت‌ها برای مدت زمان طولانی ثابت و ایستا هستند. زمانیکه جمعیت ایستا نباشد، بخشی از فراوانی اَلِل‌ها بین نسل‌ها دیگر ثابت نمی‌باشد و تکامل رخ می‌دهد. این فرآیند پویا[31] نیاز به یک نیرو و محرک خارجی دارد. این محرک را می توان به چهار گروه ویژه دسته‌بندی کرد. (1) ممکن است جهش[32] رخ دهد. جهش عبارت است از تغییر تصادفی در خصوصیات یک ژن. این تغییر ممکن است در حین انتقال به فرزند رخ دهد. جهش‌ها ممکن است خودبخودی بوده و یا به دلیل عوامل خارجی باشند؛ مثل قرار گرفتندر معرض عوامل محیط اطراف (2) جریان ژن[33] که ممکن است از ورود جانداران جدید به جمعیت تولید مثل کننده نتیجه شود. (3) رانش ژنتیکی[34] که ممکن است فقط به دلیل احتمال و تصادف رخ دهد. در جمعیت‌های کوچک، برخی اَلِل‌های ویژه ممکن است گاهی در ترکیب‌های تصادفی حذف شوند. (4) انتخاب طبیعی[35]که برای انتخاب شایسته‌ترین افراد برای تولید مثل‌های بعدی عمل می‌کند. در این فرآیند، اَلِل‌های خاص ممکن است فردی را تولید کنند که برای زندگی در محیط زیستش مناسب‌تر باشد. به عنوان مثال، حیوانات تندرو برای به دام انداختن شکار یا فرار از چنگ شکارچی ممکن است بهتر باشند و در نتیجه احتمال زنده ماندن و تولید مثل کردنشان بیشتر خواهد بود. بنابراین، ویژگی‌های خاصی برای انتقال به نسل بعد انتخاب شده و به درون حوضچه‌ی تولید مثل انتقال می‌یابد.

بنابراین، می‌بینیم که این ایده‌ها به همان بحث انتخاب طبیعی باز می گردند. چگونگی ترکیب و ادغام ژن‌ها برای تولید افراد جدید با استفاده از ترکیب صفات عوامل مهم انتخاب طبیعی بوده‌اند. این عوامل ممکن است فرزندان را به سمت شایسته‌ترین افراد یا نامطلوب‌ترین آنها سوق دهند. اگر حالت دوم رخ دهد، فرزند برای تولید مثل زنده نخواهد ماند؛ بلکه آنهایی که بیشتر خود را با شرایط وفق دهند شانس بقاء و تولید مثل دارند. پس از گذشت مدت زمانی طولانی، جانداران خود را به خوبی با شرایط محیط زیستشان تطبیق داده‌اند. با اینکه محیط‌های زیست پویا شده و دائما در حال تغییرند، شکار و شکارچی نیزمانند عواملی مثل آب و هوا و تحولات زمین‌شناسی تغییر کرده‌اند. این تغییرات باعث اصلاح و تجدید نظر در معادلات بهینه‌سازی می‌شوند. همین عوامل و ویژگی‌ها هستند که زندگی و الگوریتم‌های ژنتیک را جالب توجه می‌کنند.


[1]. Macroevolution

[2]. Microevolution1

[3]. Gene

[4]. Chromosome

[5] . Deoxyribonucleic Acid

[6]. Double Helix

[7] . Base-Pair

[8]. Genetic Code

[9]. Allele

[10]. Gregor Mendel

[11]. Vienna

[12]. Segregation

[13]. Homozygous

[14]. Heterozygous

[15] . Phenotype

[16]. Genotype

[17]. Independent Assortment

[18]. Mitosis

[19]. Meiosis

[20]. Gamete

[21]. Body Cell

[22]. Haploid

[23] . Diploid

[24]. Homologous

[25]. Kinetochore

[26]. Crossing Over

[27]. Charles Darwin

[28]. Galapagos

[29]. Population

[30]. Weinberg Law

[31]. Dynamic

[32]. Mutation

[33]. Gene Flow

[34]. Genetic Drift

[35]. Natural Selection