گفتار 2
تغییر در جمعیت‌ها
مقاومت باکتری‌ها به پادزیست‌ها
در نیمه قرن گذشته، کشف پادزیست‌ها (آنتی‌بیوتیک‌ها) به انسان ابزار مؤثری برای مبارزه با باکتری‌های بیماری‌زا داد و توانست در نبرد با آن‌ها پیروز شود.
امروزه، گزارش‌های متعددی نشان می‌دهند که برخی از باکتری‌ها نسبت به گروهی از پادزیست‌ها مقاوم شده‌اند.
مقاوم شدن باکتری‌ها آدمی را سخت نگران کرده است. توانایی باکتری‌ها در ایجاد مقاومت دارویی نمونه‌ای از سازگاری تدریجی آن‌ها با محیط است که در گذر زمان رخ می‌دهد.
این تغییر نتیجه انتخاب طبیعی است که باعث بقای باکتری‌های مقاوم و حذف باکتری‌های غیرمقاوم شده است.
مقایسه باکتری‌های مقاوم و غیرمقاوم در مواجهه با پادزیست‌ها
ویژگی | باکتری‌های مقاوم | باکتری‌های غیرمقاوم |
تعریف | باکتری‌هایی که توانایی ادامه حیات در حضور پادزیست را دارند. | باکتری‌هایی که در حضور پادزیست از بین می‌روند. |
بقا | بقا و تکثیر در محیط حاوی پادزیست | عدم بقا در محیط حاوی پادزیست |
نتیجه انتخاب طبیعی | بقا | حذف |
سازگاری | سازگاری یافتن با محیط و پادزیست | عدم سازگاری |
دانشمندان با طراحی داروهای جدید، همچنان تلاش می‌کنند برتری انسان را در این نبرد حفظ کنند.
تغییر در گذر زمان
ویژگی‌های مشترک و تفاوت‌های فردی در گونه‌ها
تمامی افراد یک گونه دارای ویژگی‌های مشترک هستند که باعث می‌شود در یک گروه دسته‌بندی شوند.
با این حال، تفاوت‌های فردی وجود دارد که هر فرد را از دیگران متمایز می‌کند.
این تفاوت‌ها فقط به انسان محدود نمی‌شود و در سایر گونه‌ها نیز مشاهده می‌شود.
ارتباط تفاوت‌های فردی با پایداری گونه
تفاوت‌های فردی در بقای گونه‌ها نقش دارند. به عنوان مثال، فرض کنید در جمعیتی از جانوران، برخی افراد تحمل بیشتری نسبت به سرما دارند:
در صورت وقوع سرمای شدید، افراد مقاوم‌تر به سرما شانس بیشتری برای زنده ماندن دارند.
این افراد بیشتر تولیدمثل می‌کنند و صفت تحمل سرما به نسل بعد منتقل می‌شود.
با تداوم سرما، این روند ادامه یافته و در نهایت جمعیت به سمت افرادی که سرما را بهتر تحمل می‌کنند تغییر می‌یابد.
شرایط لازم برای تغییر در جمعیت
وجود تفاوت‌های فردی در جمعیت، یکی از شرایط اساسی برای تغییر در آن است.
بهتر بودن یک صفت همیشگی نیست؛ بلکه محیط تعیین می‌کند کدام صفات برای بقا مناسب‌ترند.
نکته: تفاوت‌های فردی، تنها یکی از عواملی است که می‌تواند باعث تغییر در جمعیت‌ها شود.
انتخاب طبیعی
تعیین صفات سازگارتر
سازگاری یک صفت نسبی است:
یک صفت در شرایط خاص ممکن است مفید باشد اما در شرایط دیگر بی‌تأثیر باشد.
به عنوان مثال:
در محیط‌های سرد، تحمل سرما صفتی سازگارتر محسوب می‌شود.
اما در محیط‌های گرم، این صفت ممکن است هیچ مزیتی نداشته باشد.
چرا از اصطلاح «صفات سازگارتر» استفاده می‌شود؟
زیست‌شناسان به جای «صفت بهتر»، از «صفت سازگارتر با محیط» استفاده می‌کنند.
علت این است که محیط تعیین می‌کند کدام صفات در نسل‌های آینده شایع‌تر شوند.
نکته: صفات سازگارتر الزاماً همیشه ثابت نیستند و بسته به تغییر شرایط محیطی ممکن است تغییر کنند.
فرایند انتخاب طبیعی
انتخاب طبیعی، فرایندی است که در آن افراد سازگارتر با محیط شانس بیشتری برای بقا و تولیدمثل دارند. در نتیجه، صفات سازگارتر در جمعیت باقی می‌مانند و صفات ناسازگارتر حذف می‌شوند.
انتخاب طبیعی «جمعیت» را تغییر می‌دهد نه «فرد» را.
وقتی درباره تفاوت‌های فردی صحبت می‌کنیم، در واقع تغییر در جمعیت را بررسی می‌کنیم، نه تغییر یک فرد.
جمعیت، به افرادی گفته می‌شود که به یک گونه تعلق دارند و در یک زمان و مکان زندگی می‌کنند.
محیط تعیین می‌کند که کدام صفات شانس بیشتری برای انتقال به نسل بعد دارند.
مثلا مقاومت باکتری‌ها به پادزیست‌ها یک انتخاب طبیعی است. به این ترتیب که:
در جمعیت اولیهٔ باکتری‌ها، برخی باکتری‌ها مقاوم و برخی غیرمقاوم هستند.
پس از استفاده از پادزیست، باکتری‌های غیرمقاوم از بین می‌روند.
باکتری‌های مقاوم زنده می‌مانند و تکثیر می‌شوند و به‌تدریج همه جمعیت را به خود اختصاص می‌دهند.
به تدریج، جمعیت از غیرمقاوم به مقاوم تغییر می‌یابد.
نکته: مقاومت باکتری‌ها به پادزیست‌ها، نمونه‌ای از تأثیر انتخاب طبیعی در تغییر ترکیب ژنتیکی یک جمعیت است.
شکل 6 - چگونگی مقاوم‌شدن باکتری‌ها به پادزیست
خزانه ژن
جمعیت چیست؟
افراد جمعیت به یک گونه تعلق دارند.
در یک زمان و مکان مشخص زندگی می‌کنند.
بنابراین:
انتخاب طبیعی به مرور زمان موجب تغییر در ترکیب ژنتیکی جمعیت‌ها می‌شود.
ویژگی‌های سازگارتر گسترش می‌یابند، در حالی که ویژگی‌های ناسازگارتر کاهش می‌یابند.
انتخاب طبیعی، جمعیت را در جهت سازگاری بیشتر با محیط سوق می‌دهد.
خزانهٔ ژن چیست؟
مجموع همه دگره‌های موجود در همه جایگاه‌های ژنی افراد یک جمعیت را خزانهٔ ژن آن جمعیت می‌نامند.
قبل از کشف مفاهیم پایه ژنتیک، زیست‌شناسان جمعیت‌ها را بر اساس صفات ظاهری مانند رنگ بدن در جانوران یا رنگ گلبرگ در گیاهان (مثل جمعیت گل میمونی) توصیف می‌کردند.
اما امروزه، با شناخت ژن‌ها، امکان توصیف جمعیت‌ها بر اساس ژن‌ها و دگره‌های آن‌ها فراهم شده است.
نقش خزانهٔ ژن در تنوع جمعیت‌ها
گوناگونی ژنتیکی در یک جمعیت به میزان تنوع دگره‌ها در خزانهٔ ژن بستگی دارد.
خزانهٔ ژن متنوع‌تر، پتانسیل بیشتری برای پاسخ به تغییرات محیطی دارد.
تعادل در جمعیت
تعادل ژنی
اگر در جمعیتی فراوانی نسبی دگره‌ها یا ژن‌نمودها از نسلی به نسل دیگر ثابت باشد، آن‌گاه می‌گویند جمعیت در حال تعادل ژنی است.
تا زمانی که تعادل ژنی برقرار است، تغییر در جمعیت مورد انتظار نیست.
اگر تعادل ژنی از بین برود، جمعیت دستخوش تغییر می‌شود.
تغییر در فراوانی دگره‌ها منجر به خروج از تعادل ژنی می‌شود.
نکته: جمعیتی که از تعادل خارج شود، روند تغییر را در پیش می‌گیرد.
عوامل برهم زنندهٔ تعادل در جمعیت
جمعیت‌ها در شرایط خاصی می‌توانند در تعادل ژنی باقی بمانند، اما پنج عامل می‌توانند باعث برهم خوردن این تعادل و تغییر در خزانهٔ ژن شوند که عبارتند از: جهش، رانش دگره‌ای, شارش ژن، آمیزش غیرتصادفی و انتخاب طبیعی.
الف) جهش
جهش با افزودن دگره‌های جدید، خزانهٔ ژن را غنی‌تر می‌کند و گوناگونی را افزایش می‌دهد.
بسیاری از جهش‌ها تأثیر فوری بر رخ‌نمود (فنوتیپ) ندارند و ممکن است تشخیص داده نشوند.
اگر شرایط محیط تغییر کند، برخی دگره‌های جدید ممکن است مزیت سازگاری داشته باشند.
در صورت باقی ماندن جهش‌های مفید، ترکیب ژنتیکی جمعیت دستخوش تغییر خواهد شد.
برخی جهش‌ها ممکن است در ابتدا تأثیری نداشته باشند، اما در درازمدت و در صورت تغییر شرایط محیطی، می‌توانند به مزیتی برای بقا تبدیل شوند و در جمعیت گسترش یابند.
مثلا:
باکتری اشرشیاکلای هر ۲۰ دقیقه یک‌بار تقسیم می‌شود.
اگر در این فرایند جهشی رخ دهد، دگره‌های جدیدی ایجاد شده و برخی از آن‌ها ممکن است نسبت به شرایط محیطی سازگارتر باشند.
در نتیجه، باکتری‌های دارای دگره‌های سازگارتر در جمعیت زیاد می‌شوند.
ب) رانش دگره‌ای
رانش دگره‌ای عبارت است از تغییرات تصادفی در فراوانی دگره‌ها به دلیل کاهش یا افزایش تصادفی تعداد افراد در یک جمعیت.
این تغییر تصادفی است و برخلاف انتخاب طبیعی، ارتباطی با سازگاری ندارد.
هرچه اندازهٔ جمعیت کوچک‌تر باشد، رانش دگره‌ای تأثیر بیشتری خواهد داشت، زیرا در جمعیت‌های کوچک تغییرات تصادفی تأثیر بزرگ‌تری بر فراوانی دگره‌ها می‌گذارند.
در جمعیت‌های بزرگ، رانش دگره‌ای تأثیر کمتری دارد.
به همین علت، برای آنکه جمعیتی در تعادل باشد، باید اندازه بزرگی داشته باشد. منظور از اندازه جمعیت، تعداد افراد آن است.
مثلا:
گله‌ای شامل ۱۰۰ گوسفند در حال عبور از ارتفاعات است. حین عبور، تعدادی گوسفند به پایین سقوط می‌کنند و می‌میرند.
اگر این گوسفندان زاده‌ای نداشته باشند، شانس انتقال ژن‌های خود به نسل بعد را از دست داده‌اند.
کاهش شدید جمعیت به دلیل بلایای طبیعی مانند سیل، زلزله یا آتش‌سوزی که باعث تغییر فراوانی دگره‌ها می‌شود.
بنابراین فقط بخشی از دگره‌های جمعیت بزرگ اولیه به جمعیت کوچک باقی‌مانده خواهد رسید و جمعیت آینده از همین دگره‌های برجای‌مانده تشکیل خواهد شد.
شکل 7 - کاهش شدید در اندازه جمعیت باعث تغییر فراوانی‌های دگره‌ای می‌شود.
پ) شارش ژن
وقتی افرادی از یک جمعیت به جمعیت دیگری مهاجرت می‌کنند و دگره‌های خود را به جمعیت مقصد انتقال می‌دهند، شارش ژن رخ می‌دهد.
این فرایند موجب تغییر در فراوانی دگره‌ها در هر دو جمعیت شود.
اگر بین دو جمعیت، شارش ژن به‌طور مداوم و دوسویه ادامه یابد، خزانهٔ ژنی دو جمعیت به مرور زمان شباهت بیشتری پیدا می‌کند و تفاوت‌های ژنتیکی بین دو جمعیت کاهش می‌یابد.
ت) آمیزش غیرتصادفی
برای آنکه جمعیتی در حال تعادل باشد، لازم است آمیزش‌ها در آن تصادفی باشند. آمیزش تصادفی آمیزشی است که در آن احتمال آمیزش هر فرد با افراد جنس دیگر در آن جمعیت یکسان باشد.
اگر آمیزش در جمعیت به‌صورت غیرتصادفی و انتخابی انجام شود، برخی دگره‌ها بیشتر منتقل می‌شوند.
در این شرایط، احتمال آمیزش بین افراد دارای فنوتیپ‌های خاص بیشتر است.
بر خلاف سایر عوامل برهم زننده تعادل ژنی (مانند جهش، رانش دگره‌ای، شارش ژن و انتخاب طبیعی)، آمیزش غیرتصادفی تأثیری بر فراوانی دگره‌ها ندارد، اما باعث تغییر در فراوانی ژنوتیپ‌ها می‌شود.
مثلا:
جانوران معمولاً بر اساس ویژگی‌های ظاهری یا رفتاری جفت خود را انتخاب می‌کنند.
این رفتارهای انتخاب جفت، جزئی از رفتارهای زادآوری محسوب می‌شوند.