فرگشت همگرا و همولوژی

دو راه برای شبیه بودن

دو جاندار می‌توانند به دو دلیل بسیار متفاوت به هم شبیه باشند.

دلیل اول وراثت است. آن‌ها یک ویژگی را مشترک دارند چون نیایی آن را داشت و منتقل کرد. زیست‌شناسان به این همولوژی (homology) می‌گویند.

دلیل دوم یک مسئله مشترک است. دو تبار نامرتبط با یک چالش روبه‌رو شدند و به پاسخ‌های مشابه رسیدند. زیست‌شناسان به این آنالوژی (analogy) می‌گویند، و فرایندی که آن را می‌سازد فرگشت همگرا (convergent evolution) است.

تشخیص این دو از هم یکی از مهارت‌های اصلی زیست‌شناسی است. اگر اشتباه کنید درخت خانوادگی نادرست می‌سازید. اگر درست انجام دهید هر دو نوع شباهت به شواهد تبدیل می‌شوند.

همولوژی: همان استخوان‌ها، بارها و بارها

بازوی خود را بالا بگیرید. استخوان بلند واحدی را از شانه تا آرنج حس کنید. آن استخوان بازو (humerus) است. زیر آرنج دو استخوان کنار هم هست، زند زبرین (radius) و زند زیرین (ulna). بعد خوشه‌ای از استخوان‌های کوچک مچ می‌آید، و بعد پنج انگشت.

حالا بال یک خفاش را باز کنید. استخوان بازو، بعد زند زبرین و زیرین، بعد استخوان‌های مچ، بعد انگشتان. انگشتان فوق‌العاده بلندند و پوست میانشان کشیده شده، اما اجزا و ترتیبشان همان است.

باله یک نهنگ. استخوان بازو، زند زبرین و زیرین، استخوان‌های مچ، انگشتان. در پاروی صافی از گوشت پیچیده شده، اما همه آن‌جا هستند.

پای یک اسب. باز همان نقشه. اسب روی نوک یک انگشت درشت‌شده راه می‌رود و بیشتر بقیه کوچک شده است، اما ترتیب عوض نشده.

چهار جانور، چهار زندگی کاملاً متفاوت، یک ساختار زیرین مشترک. این چیزی نیست که انتظار داشته باشید اگر هر اندام جداگانه برای کارش طراحی شده بود. پارو، بال و پای دونده به‌عنوان مسئله مهندسی تقریباً هیچ وجه مشترکی ندارند. هیچ دلیلی نیست که یک پارو خوب باید مچ داشته باشد.

اگر هر چهار نسخه‌های تغییرداده‌شده یک اندام باشند که از نیایی چهارپا به ارث رسیده، دلیل بسیار خوبی وجود دارد. زیست‌شناسان مهره‌داران چهارپا را چهارپایان (tetrapods) می‌نامند. تبارشان به ماهی‌هایی برمی‌گردد که حدود 370 میلیون سال پیش به سوی خشکی حرکت می‌کردند. یکی از آن ماهی‌ها، Tiktaalik roseae با 375 میلیون سال قدمت، همین حالا آغاز این آرایش را درون باله‌اش داشت. شواهد فسیلی آن یافته را کامل پوشش می‌دهد.

همولوژی فقط درباره استخوان‌ها نیست. همین منطق درباره ژن‌ها، مرحله‌های جنین و کل نقشه‌های بدن هم صدق می‌کند.

همگرایی: همان پاسخ، دو بار پیدا شده

حالا نوع دیگر شباهت.

چشم‌ها

چشم شما عدسی، عنبیه‌ای که باز و بسته می‌شود، و شبکیه دارد. چشم هشت‌پا هم همین‌طور. شباهت قابل‌توجه است. با این حال آخرین نیای مشترک انسان‌ها و هشت‌پایان هیچ چیز شبیه هیچ‌کدام نداشت. حداکثر لکه‌های ساده حساس به نور داشت.

دقیق‌تر نگاه کنید و تفاوت پیدا می‌شود. دو چشم در جهت‌های مخالف سیم‌کشی شده‌اند، و فقط نسخه مهره‌داران به یک نقطه کور ختم می‌شود.

دو تبار یک چشم دوربینی ساختند. آن را متفاوت سیم‌کشی کردند، چون جداگانه ساختندش. چشم چگونه فرگشت یافت؟ آن مقایسه را با جزئیات باز می‌کند.

بال‌ها

پرندگان، خفاش‌ها و حشرات همه با بال پرواز می‌کنند. بال‌ها به سه شیوه متفاوت ساخته شده‌اند.

بال پرنده پرهایی است که در امتداد بازو کشیده شده. بال خفاش غشایی از پوست است که میان استخوان‌های انگشت بسیار بلندشده کشیده شده. بال حشره اصلاً استخوان ندارد. زائده‌ای از دیواره بدن است که شبکه‌ای از رگ‌بال‌ها از درونش می‌گذرد.

یک ظرافت که ارزش دارد به یاد بسپارید، چون نشان می‌دهد استدلال چقدر باید دقیق باشد. بال پرنده و بال خفاش به‌عنوان بال آنالوگ‌اند، چون پرواز در این دو گروه جداگانه فرگشت یافته است. اما به‌عنوان اندام جلویی همولوگ‌اند، چون پرندگان و خفاش‌ها هر دو آن استخوان بازو، زند زبرین و زیرین را از یک نیای چهارپا به ارث برده‌اند. همان جفت ساختار می‌تواند در یک سطح همولوگ و در سطح دیگر آنالوگ باشد. باید بپرسید کدام ویژگی را مقایسه می‌کنید.

شناگران سریع

یک کوسه، یک دلفین و یک ایکتیوسور (ichthyosaur) تقریباً سایه یکسانی دارند. بدن اژدری‌شکل، پوزه نوک‌تیز، یک باله پشتی، باله‌های جفت در جلو، یک باله دم در عقب.

آن‌ها اصلاً خویشاوند نزدیک نیستند. کوسه ماهی‌ای با اسکلت غضروفی است. دلفین پستانداری با استخوان، شش و خون گرم است. ایکتیوسور خزنده دریایی‌ای بود که نیاکانش روی خشکی راه می‌رفتند؛ این گروه حدود 90 میلیون سال پیش منقرض شد.

آب بخشش نمی‌شناسد. بدنی که با سرعت آب را کارآمد کنار بزند طیف نسبتاً باریکی از شکل‌های ممکن دارد. سه تبار جدا را همان فیزیک به آن شکل راند.

سرنخ‌ها درونی‌اند. کوسه با آبشش نفس می‌کشد. دلفین برای هوا به سطح می‌آید. دم کوسه به چپ و راست می‌زند؛ دم‌پره دلفین بالا و پایین می‌زند، چون نیاکانش روی خشکی با ستون فقراتی می‌دویدند که به آن شکل خم می‌شد. خط پیرامون همگرا شد. درون‌ها نه.

پژواک‌یابی، تا عمق ژن‌ها

بعضی خفاش‌ها و بعضی دلفین‌ها هر دو با فرستادن صداهای زیر و گوش دادن به پژواک شکار می‌کنند. این دو گروه ده‌ها میلیون سال از هم جدا هستند و نیای مشترکشان پژواک‌یابی نمی‌کرد.

شگفتی از DNA آمد. پروتئینی به نام پرستین (prestin) درون گوش قرار دارد و به جانوران کمک می‌کند صداهای بسیار زیر را بشنوند. در 2010 یانگ لیو (Yang Liu) و همکارانش چیز عجیبی گزارش کردند. خفاش‌ها و دلفین‌های پژواک‌یاب تغییرهای مشابهی را در ژن پرستین، جداگانه، به دست آورده بودند.

اگر فقط با پرستین درخت خانوادگی بسازید، دلفین‌ها کنار خفاش‌ها می‌افتند. این پاسخ غلط است، و می‌دانیم غلط است چون هر نوع شواهد دیگر چنین می‌گوید.

در 2013 تیمی به رهبری جو پارکر (Joe Parker) مطالعه‌ای در سطح کل ژنوم در Nature منتشر کرد و گزارش داد تغییرهای مشابه به ژن‌های بسیاری فراتر از پرستین رسیده است. بازتحلیل‌های بعدی مخالفت کردند. وقتی شباهت‌هایی را که از روی شانس رخ می‌دهند در نظر گرفتند، افزایش مشخصی در سطح ژنوم نیافتند. خود مورد پرستین هنوز پابرجاست.

این همگرایی در ژرف‌ترین سطحی است که می‌توانیم نگاه کنیم. همچنین یک هشدار است: یک ژن می‌تواند شما را گمراه کند، و دقیقاً به همین دلیل زیست‌شناسان رابطه‌ها را در ژنوم‌های کامل و ویژگی‌های بسیار هم‌زمان می‌آزمایند.

گیاهانی که از آن‌سوی اقیانوس از هم کپی کردند

کاکتوس‌ها در قاره آمریکا می‌رویند. فرفیون‌های آبدار بیشتر در آفریقا و ماداگاسکار می‌رویند. بسیاری از گونه‌های این دو گروه تقریباً قابل‌جایگزینی به نظر می‌رسند: ساقه‌های ضخیم سبز آب‌ذخیره، دنده‌دار، بدون برگ واقعی، با خارهای تیز.

این دو خانواده اصلاً خویشاوند نزدیک نیستند. در درخت خانوادگی گیاهان گل‌دار بسیار از هم دورند، و در قاره‌های جدا زندگی می‌کنند. با یک مسئله روبه‌رو شدند، یعنی زنده ماندن در جاهای گرم و خشک، و تقریباً به همان شکل رسیدند.

با دو بررسی می‌توانید آن‌ها را از هم تشخیص دهید. خارهای کاکتوس از ساختارهای بالشتک‌مانند کوچکی به نام آرئول (areole) درمی‌آیند که فرفیون‌ها ندارند. و ساقه شکسته فرفیون شیره شیری سفید (latex) نشت می‌کند که کاکتوس‌ها تولید نمی‌کنند. گل‌هایشان بر نقشه‌هایی کاملاً متفاوت ساخته شده‌اند.

دو گروه پستاندار که یک آزمایش را اجرا کردند

پستانداران استرالیا بیشتر کیسه‌دارانند، که بچه‌هایشان را در کیسه بزرگ می‌کنند. بیشتر پستانداران جاهای دیگر جفت‌دارانند. این دو گروه ده‌ها میلیون سال بیشتر جدا بوده‌اند، و هر کدام نسخه خودش را از شیوه‌های زندگی مشابه پدید آورده است.

گرگ تاسمانی (thylacine)، Thylacinus cynocephalus، در تاسمانی شکار می‌کرد و جمجمه‌ای شگفت‌آور شبیه گرگ داشت. آخرین نمونه شناخته‌شده در باغ‌وحش هوبارت در 1936 مُرد. موش کور کیسه‌دار با همان بدن بیل‌مانند موش کور جفت‌دار زمین را می‌کَند. سنجاب پرنده کیسه‌دار (sugar glider) با پرده پوستی میان درخت‌ها سر می‌خورد، درست مثل سنجاب پرنده آن‌سوی جهان.

هیچ‌کدام از این جفت‌ها خویشاوند نزدیک نیستند. هر کدام یک کیسه‌دار و یک جفت‌دار است که به یک پاسخ رسیده‌اند، دو بار.

زیست‌شناسان واقعاً چطور تفاوت را تشخیص می‌دهند

ظاهر سطحی کم‌اعتمادترین سرنخ است. پژوهشگران به‌جای آن این‌ها را به کار می‌برند.

ساختار عمیق. آیا اجزای درونی به همان شیوه، به همان ترتیب، متصل به همان همسایه‌ها چیده شده‌اند؟ استخوان بازو همیشه استخوان بالایی واحد است، همیشه در شانه متصل می‌شود. این نوع تناظر حتی وقتی شکل‌ها به‌شدت عوض شوند باقی می‌ماند.

خاستگاه رشدی. ساختار در جنین از کجا می‌آید، و از کدام بافت؟ غشای بال خفاش میان انگشتان رشد می‌کند. بال حشره از دیواره بدن بیرون می‌زند. هر چقدر شکل نهایی شبیه باشد، آن‌ها هرگز نمی‌توانند یک ساختار باشند.

هماهنگی با درخت گسترده‌تر. هیچ ویژگی واحدی چیزی را تعیین نمی‌کند. زیست‌شناسان درخت‌های خانوادگی را از ویژگی‌های بسیار، از فسیل‌ها و از ژنوم‌های کامل می‌سازند. شباهتی که در گروهی ظاهر شود که هر چیز دیگر آن را کنار هم می‌گذارد احتمالاً ارثی است. شباهتی که شما را مجبور کند درختی خوب‌پشتیبانی‌شده را بشکنید احتمالاً همگراست.

جزئیات ژنتیکی. ویژگی‌های همگرا معمولاً با مسیرهای ژنتیکی متفاوت، یا تغییرهای متفاوت در یک ژن، به آنجا می‌رسند. حتی مورد چشمگیر پرستین در کنار شباهت‌ها تفاوت‌های قابل‌اندازه‌گیری نشان می‌دهد.

چرا هر دو نوع شباهت شواهدند

همولوژی الگوی شاخه‌ای زندگی را به شما می‌دهد. اینکه باله‌های نهنگ و پاهای اسب همان استخوان‌ها را دارند چیزی است که نیای مشترک پیش‌بینی می‌کند و خلقت جداگانه نه.

همگرایی چیز دیگری می‌دهد. نشان می‌دهد انتخاب طبیعی فرایندی واقعی و تکرارپذیر است. محیطی مشابه را دو بار، در تبارهای نامرتبط، اجرا کنید و دو بار پاسخ‌های مشابه می‌گیرید. کوسه‌ها، دلفین‌ها و ایکتیوسورها سه اجرای مستقل از یک آزمایش‌اند، و هر سه شبیه هم از آب درآمدند.

با هم، هم الگو و هم فرایند را توضیح می‌دهند. برای اطلاعات بیشتر درباره آن فرایند، انتخاب طبیعی را بخوانید. برای دیگر خطوط شواهد، شواهد فرگشت را بخوانید.