در جست‌وجوی لوکا؛ آخرین نیای مشترک جهانی

مقدمه

انسان همواره به یک پرسش بنیادی اندیشیده است:«ما از کجا آمده‌ایم؟» در روایت‌های کهن آفرینش، انسان از خاک آفریده می‌شود؛ خداوند آدم را می‌آفریند و در او جان و روح می‌دمد. سپس حوا در کنار او پدیدار می‌شود و این دو، نخستین انسان‌های داستان آفرینش می‌شوند. داستان آدم و حوا روایت لحظه‌ای است که انسان خود را در جهان بازمی‌شناسد و می‌پرسد از کجا آمده، چرا به این جهان آمده و چه نسبتی با آفریننده خود دارد. این پرسش هم‌چنان پابرجاست و تنها زبان آن تغییر کرده است. انسان عصر حاضر در زبان زمین‌شناسی، زیست‌شناسی، ژنتیک و تکامل به دنبال پاسخ‌های خود است.

در این جست‌وجوی تازه، LUCA یا Last Universal Common Ancestor موجودی زیستی در ژرفای تاریخ حیات است که دانشمندان می‌کوشند از روی ردپای ژنتیکی موجودات زنده امروز، تصویری از آن بازسازی کنند.

باید توجه داشت که روایت دینی و پرسش علمی، پیش از آنکه در برابر یکدیگر قرار گیرند، دو پرسش متفاوت را پیش روی ما می‌گذارند. علم می‌پرسد حیات چگونه پدید آمد، چگونه تغییر کرد و انسان در کجای تاریخ زیستی زمین قرار می‌گیرد؛ روایت دینی از معنای آفرینش، جایگاه انسان و نسبت او با خدا سخن می‌گوید. میان این دو پرسش، تاریخ دیرینه انسان آغاز می‌شود؛ از آدم و حوا تا LUCA، از خاک تا سلول و از روایت آفرینش تا جست‌وجوی علمی برای یافتن نخستین فصل‌های تاریخ حیات.

اندیشه‌های طبیعی‌گرا و ترنسفورمیسم

در آغاز با ظهور اندیشه‌های طبیعی‌گرا و ترنسفورمیسم این ایده شکل گرفت که منشأ حیات طبیعی و تصادفی است و اشکال مختلف موجودات به‌صورت آزمایش و خطا شکل گرفته‌اند و فقط ترکیب‌های سازگار با محیط بقا یافته‌اند. آناکسیماندر (Anaximander) فیلسوف پیشاسقراطی یونانی معتقد بود که منشأ طبیعی حیات از دریا پدید آمده و نیاکان انسان احتمالاً موجودات ماهی‌شکل بوده‌اند که پس از رشد کافی به خشکی آمده‌اند. این ایده یکی از قدیمی‌ترین تلاش‌ها برای توضیح طبیعی (غیرالهی) منشأ حیات است.

فرد دیگری به نام امپدوکلس (Empedocles) ایده اولیه بقای اصلح و ترکیب تصادفی اجزای بدن را مطرح کرد. طبق نظریه او موجودات زنده از ترکیب چهار عنصر (خاک، آب، هوا، آتش) تحت تأثیر نیروهای عشق و نفرت پدید آمده‌اند. در ابتدا موجودات عجیب و ناقص (مانند سر انسان روی بدن گاو) وجود داشتند که بسیاری از آن‌ها نابود شدند و تنها ترکیب‌های سازگار بقا یافتند.

از سوی دیگر اندیشه‌های اپیکوریان و لوکرتیوس در قرن 4-1 پیش از میلاد، جهان را مادی و اتمی می‌دانستند. آن‌ها معتقد بودند موجودات زنده به‌صورت تصادفی از ترکیب اتم‌ها پدید آمده‌اند و اشکال نامناسب از بین رفته‌اند. این دیدگاه ضد‌خلقت‌گرایی ماورایی بود و بر فرآیندهای طبیعی تأکید داشت.

جاحظ دانشمند دوره میانه عصر اسلامی در کتاب هفت جلدی الحیوان نیز به مفاهیمی نزدیک به تنازع بقا، تأثیر محیط بر موجودات و سازگاری اشاره کرده است. او مشاهده کرد که حیوانات برای بقا و تولیدمثل با یکدیگر رقابت می‌کنند و عوامل محیطی می‌توانند ویژگی‌های جدیدی در آن‌ها ایجاد کنند که به نسل بعد منتقل شود.

اصل ثبات نسل‌ها یا ذات گرایی (Immutability of Species)

اصل ثبات نسل‌ها  یکی از مفاهیم کلیدی در تاریخ زیست‌شناسی و طبقه‌بندی موجودات زنده پیش از داروین است. بر اساس این اصل، گونه‌ها واحدهایی ثابت، تغییرناپذیر و از پیش تعیین‌شده هستند که از زمان خلقت اولیه (توسط خدا) به همان شکل باقی مانده‌اند و نه تغییر می‌کنند، نه به گونه‌های جدید تبدیل می‌شوند. این دیدگاه ریشه در فلسفه ارسطویی (ذات‌گرایی) و الهیات مسیحی دارد. جان ری، گیاه‌شناس انگلیسی، در قرن هفدهم نقش مهمی در تثبیت اصل ثبات انواع ایفا کرد. او گونه را گروهی از موجودات می‌دانست که از طریق تولیدمثل، افراد مشابه خود را به وجود می‌آورند. تعداد گونه‌ها ثابت و محدود است، زیرا خدا در روز ششم از کار خلقت استراحت کرد و دیگر گونه جدیدی خلق نمی‌شود. او معتقد بود گونه‌ها از زمان خلقت اولیه ثابت مانده‌اند و تغییرات ظاهری فقط تنوع درون‌گونه‌ای است.

کارل لینه دانشمند قرن هجدهم در کتاب خود به نام Systema Naturae عنوان می‌کند که تعداد گونه‌ها به تعداد اشکال متنوعی است که موجود نامتناهی در آغاز خلقت پدید آورده است و هیچ گونه جدیدی امروزه تولید نمی‌شود. هرچند سال‌ها بعد کمی از موضع اولیه خود فاصله گرفت و احتمال پیدایش گونه‌های جدید از طریق دورگه‌گیری (hybridization) درون یک جنس را پذیرفت. با این حال، همچنان معتقد بود جنس‌ها ثابت‌اند و تغییرات اساسی رخ نمی‌دهد.

ژرژ کوویه، بنیان‌گذار دیرینه‌شناسی مهره‌داران و آناتومی تطبیقی، اصل ثبات را با نظریه فاجعه‌گرایی (Catastrophism) ترکیب کرد. طبق نظریه او گونه‌ها واحدهای کاملاً ثابت و هماهنگ‌اند. یعنی هر بخش بدن با سایر بخش‌ها هماهنگ است و تغییر جزئی منجر به نابودی می‌شود. او فسیل‌ها را بقایای گونه‌های منقرض‌شده می‌دانست که در اثر فاجعه‌های ناگهانی زمین‌شناسی از بین رفته‌اند. پس از هر فاجعه، گونه‌های جدید به‌طور مستقل (احتمالاً از طریق مهاجرت یا خلق) جایگزین شده‌اند.

لوئی آگاسیز، شاگرد کوویه نیز گونه‌ها را اندیشه‌های خدا یا افکار الهی می‌دانست که در ذهن خالق ثابت‌اند و هیچ رابطه تبارشناختی (جد مشترک) بین آن‌ها وجود ندارد. معتقد بود تاریخ زمین شامل چندین خلقت متوالی (تا ۲۰ بار) پس از فاجعه‌های بزرگ (مانند عصر یخبندان) بوده است. هر دوره گونه‌های خاص خود را داشته که هیچ ارتباطی با دوره قبل ندارند. آگاسیز نظریه‌ای بحث‌برانگیز به نام چندخاستگاهی (Polygenism) داشت. او معتقد بود نژادهای مختلف انسانی (مانند سفیدپوستان و سیاه‌پوستان) نه از یک نیای مشترک، بلکه به‌طور جداگانه و به‌عنوان گونه‌های مستقل توسط خداوند خلق شده‌اند. این دیدگاه در قرن نوزدهم برای توجیه نابرابری نژادی و حتی برده‌داری مورد استفاده قرار گرفت و امروزه از نظر علمی و اخلاقی کاملاً مردود شناخته می‌شود.

نظریه های تبدل انواع پیش از داروین

کنت دو بوفون در قرن هجدهم در کتاب «تاریخ طبیعی» پیشنهاد کرد گونه‌ها ثابت نیستند و می‌توانند تحت تأثیر شرایط محیطی تغییر کنند. او ایده انحطاط (degeneration) را مطرح کرد و شباهت‌هایی بین گونه‌ها را به نیای مشترک نسبت داد، هرچند هنوز کاملاً به تکامل تدریجی گسترده معتقد نبود. اندیشه‌های او بر لامارک و داروین تأثیر گذاشت.

پس از او ژان‌باتیست‌لامارک، نخستین نظریه علمی منسجم تبدل انواع بر پایه وراثت صفات اکتسابی را مطرح کرد. او در کتاب «فلسفه جانورشناسی» در سال 1809، عنوان کرد که گونه‌ها ثابت نیستند و به‌تدریج تغییر می‌کنند. او دو اصل را مطرح کرد: نخست، اصل استفاده و عدم استفاده از اندام‌ها که بر اساس آن اندام‌هایی که بیشتر به کار گرفته می‌شوند تقویت و بزرگ‌تر می‌شوند (مانند گردن زرافه که در اثر تلاش مداوم برای رسیدن به برگ‌های بلندتر درختان کشیده شده است)؛ دوم، اصل وراثت صفات اکتسابی که طبق آن این تغییرات ایجادشده در طول زندگی فرد به فرزندان منتقل می‌گردد. او همچنین به پیشرفت خطی موجودات از اشکال ساده به پیچیده اعتقاد داشت و معتقد بود موجودات ساده به‌طور مداوم از طریق تولید خودبه‌خودی پدید می‌آیند. نظریه او نخستین نظریه جامع تکاملی پیش از داروین به شمار می‌رود، هرچند مکانیسم وراثت صفات اکتسابی بعدها با پیشرفت علم ژنتیک رد شد.

نظریه تکامل داروین و جد مشترک

چارلز داروین در کتاب «منشأ گونه‌ها» (1859) نظریه خود را بر پایه دو اصل بنیادین بنا کرد: تغییر تدریجی گونه‌ها و نیای مشترک .(Common Descent) او معتقد بود همه موجودات زنده روی زمین، از باکتری‌ها تا گیاهان و جانوران پیچیده، از یک یا تعداد بسیار محدودی شکل اولیه حیات سرچشمه گرفته‌اند. این اشکال اولیه در طول میلیون‌ها سال از طریق فرآیند «تبار با تغییر»(descent with modification) منشعب شده و درخت حیات را تشکیل داده‌اند. داروین در فصل پایانی کتاب اشاره می‌کند که «احتمالاً همه موجودات زنده‌ای که تاکنون روی زمین زیسته‌اند، از یک شکل اولیه منفرد مشتق شده‌اند که حیات برای نخستین بار در آن دمیده شده است». نمودار معروف «درخت حیات» در کتاب او دقیقاً این ایده را به تصویر می‌کشد: شاخه‌های متعدد از تنه‌های مشترک جدا می‌شوند و گونه‌های امروزی نوک شاخه‌های این درخت بزرگ هستند.

مکانیسم اصلی که این انشعاب از نیای مشترک را ممکن می‌سازد، انتخاب طبیعی است. در هر نسل، افراد یک جمعیت دارای تفاوت‌های موروثی هستند؛ کسانی که صفات سازگارتری با محیط دارند، شانس بیشتری برای بقا و تولیدمثل پیدا می‌کنند و صفات خود را به نسل بعد منتقل می‌کنند. این فرآیند تدریجی در طول زمان باعث واگرایی جمعیت‌ها و پیدایش گونه‌های جدید از یک نیای مشترک می‌شود. داروین بعدها در کتاب «تبار انسان» (۱۸۷۱) این اصل را به‌طور خاص به انسان نیز تعمیم داد و استدلال کرد که انسان و سایر پستانداران عالی از نیاکان مشترک منشعب شده‌اند. نظریه نیای مشترک او یکی از قدرتمندترین بخش‌های اندیشه داروینی است که امروز با شواهد گسترده فسیلی، تشریحی و به‌ویژه ژنتیکی (DNA مشترک) پشتیبانی می‌شود.

چه شواهدی وجود جد مشترک را اثبات می کند؟

یکی از قوی‌ترین شواهد برای ایده نیای مشترک، از مقایسه توالی‌های DNAو پروتئین‌ها به دست آمده است. همه موجودات زنده شناخته‌شده روی زمین از یک کد ژنتیکی تقریباً یکسان استفاده می‌کنند. این اشتراک گسترده را نمی‌توان با خلقت مستقل توضیح داد و بهترین تبیین علمی آن، به ارث رسیدن این سیستم از یک نیای مشترک بسیار باستانی است. علاوه بر این، ژن‌های همولوگ (مشابه) بسیاری در گونه‌های بسیار دور از هم یافت می‌شوند؛ برای مثال، ژن‌های حیاتی مربوط به متابولیسم پایه یا ساخت پروتئین‌ها در انسان و مخمر شباهت قابل‌توجهی دارند و درخت‌های فیلوژنتیکی ساخته‌شده بر اساس این توالی‌ها با درخت‌های مبتنی بر ویژگی‌های ظاهری و فسیلی همخوانی بالایی نشان می‌دهند.

شواهد دقیق‌تر و قانع‌کننده‌تری نیز وجود دارد. یکی از مهم‌ترین آن‌ها وجود پسودوژن‌ها (ژن‌های شکسته و غیرفعال) و رتروویروس‌های درون‌زاد (Endogenous Retroviruses یا ERVs) در مکان‌های یکسان ژنوم گونه‌های مرتبط است. برای نمونه، انسان و شامپانزه صدها ERV مشترک در موقعیت‌های کروموزومی مشابه دارند که نشان می‌دهد این ویروس‌ها در ژنوم نیای مشترک آن‌ها وارد شده و سپس به هر دو گونه منتقل گردیده‌اند. همچنین، کروموزوم شماره ۲ انسان نتیجه ادغام دو کروموزوم اجدادی است که در سایر میمون‌های بزرگ هنوز جدا هستند؛ بقایای توالی‌های تلومری و سانترومری در محل ادغام، این رویداد را تأیید می‌کند و نشان می‌دهد که انسان و سایر میمون‌های بزرگ از نیای مشترکی منشعب شده‌اند.

لوکا؛ آخرین نیای مشترک جهانی

حدود 4.2 میلیارد سال پیش، موجودی میکروسکوپی در میان نخستین زیست‌بوم‌های زمین زندگی می‌کرد؛ موجودی که هیچ فسیل شناخته‌شده‌ای از آن در دست نیست و دانشمندان هرگز سلول یا DNA آن را به‌طور مستقیم مشاهده نکرده‌اند. بااین‌حال، ردپای احتمالی آن در ژنوم موجودات زنده امروز باقی مانده است. این موجود فرضی که دانشمندان آن را  LUCA یا «آخرین نیای مشترک جهانی» می‌نامند، یکی از مهم‌ترین مفاهیم برای درک تاریخ بسیار دور حیات بر روی زمین است.

لوکا را نباید به اشتباه نخستین موجود زنده روی زمین تصور کرد. میان «پیدایش حیات» و «آخرین نیای مشترک جهانی» فاصله مفهومی مهمی وجود دارد. پیش از لوکا احتمالاً شکل‌های ابتدایی‌تر و متفاوتی از حیات وجود داشته‌اند و ممکن است بسیاری از آنها در جریان تکامل از میان رفته باشند. آنچه لوکا را متمایز می‌کند این است که بر اساس شواهد ژنتیکی، همه حیات سلولی امروزی، از باکتری‌ها و آرکی‌ها گرفته تا جانداران پیچیده‌ای مانند گیاهان و جانوران، در نهایت دارای یک نیای مشترک در این سطح هستند.

پژوهشی که در سال ۲۰۲۴ در نشریه معتبر Nature Ecology & Evolution منتشر شد، تلاش کرده است تصویری دقیق‌تر از این نیای بسیار دور ارائه کند. ادموند مودی و همکارانش با ترکیب داده‌های ژنومی، مقایسه ژن‌های موجودات زنده، تحلیل‌های فیلوژنتیکی، ساعت مولکولی و شواهد دیرینه‌زیستی، نه‌تنها زمان احتمالی زندگی لوکا، بلکه برخی ویژگی‌های زیستی و محیطی آن را نیز بازسازی کرده‌اند.

یکی از مهم‌ترین نتایج این مطالعه، تخمین زمان زندگی لوکا است. پژوهشگران احتمال می‌دهند که این موجود حدود 4.2 میلیارد سال پیش می‌زیسته است. این در حالی است که عمر زمین حدود 4.5۴ میلیارد سال برآورد می‌شود. بنابراین با فرض صحت این تخمین، لوکا در فاصله نسبتاً کوتاهی پس از شکل‌گیری زمین وجود داشته است. این نتیجه به معنای اعلام تاریخ دقیق آغاز حیات نیست. ممکن است پیدایش نخستین سامانه‌های زیستی بسیار زودتر اتفاق افتاده باشد و لوکا محصول مرحله‌ای از تکامل باشد که پس از پیدایش نخستین شکل‌های حیات رخ داده است.

پژوهشگران لوکا را موجودی احتمالاً بی‌هوازی می‌دانند؛ یعنی موجودی که برای ادامه حیات خود به اکسیژن آزاد وابسته نبوده و با استفاده از موادی مانند دی‌اکسید کربن و هیدروژن، ترکیبات آلی و انرژی مورد نیاز خود را تولید کرده است. این ویژگی‌ها سرنخ‌هایی درباره محیط زندگی لوکا نیز به دست می‌دهند. اگر موجودی بتواند از ترکیباتی مانند هیدروژن و دی‌اکسید کربن در فرایندهای متابولیکی خود استفاده کند، محیط پیرامون آن باید دست‌کم منابع مناسبی از این مواد را در اختیارش گذاشته باشد. از همین‌جا پرسش درباره زیست‌بوم‌های زمین اولیه مطرح می‌شود: لوکا در چه محیطی می‌زیسته است؟ آیا در نزدیکی منافذ گرمابی اعماق اقیانوس‌ها زندگی می‌کرده؟ آیا محیط‌های غنی از مواد معدنی و واکنش‌های شیمیایی منبع انرژی آن بوده‌اند؟ پژوهش حاضر پاسخ قطعی به همه این پرسش‌ها نمی‌دهد، اما ویژگی‌های متابولیکی بازسازی‌شده، برخی از این محیط‌های زمین اولیه را به‌عنوان گزینه‌های محتمل مطرح می‌کنند.

باید توجه داشت وقتی از جد مشترک سخن می‌گوییم، نباید الزاماً یک فرد یا یک موجود منفرد را تصور کنیم که تمام جانداران امروزی مستقیماً از او پدید آمده‌اند. در تاریخ تکامل، جمعیت‌ها، دودمان‌ها و انتقال ژن‌ها نقش اساسی دارند. لوکا نیز بهتر است به‌عنوان موجود یا جمعیتی در یک شبکه زیستی بسیار کهن تصور شود؛ شبکه‌ای که در آن موجودات میکروبی مختلف با یکدیگر تعامل داشته‌اند و مسیرهای تکاملی متفاوتی را پیموده‌اند. از این منظر، لوکا بیش از آنکه آغاز حیات باشد، پنجره‌ای به یکی از قدیمی‌ترین فصل‌های تاریخ حیات است.

با وجود همه این پیشرفت‌ها، لوکا همچنان موجودی بازسازی‌شده و نه کشف‌شده است. هیچ فسیل قطعی از آن در اختیار نیست و ژنوم واقعی آن نیز مستقیماً توالی‌یابی نشده است. آنچه دانشمندان در اختیار دارند، مجموعه‌ای از داده‌های پراکنده اما قابل مقایسه در موجودات امروزی است که با روش‌های فیلوژنتیکی و آماری می‌توان از آنها تصویری احتمالی از گذشته ساخت. از همین رو، تاریخ حدود 4.2 میلیارد سال، اندازه ژنوم و شمار پروتئین‌های لوکا باید به‌عنوان برآوردهای علمی در نظر گرفته شوند، نه واقعیت‌هایی که مستقیماً مشاهده شده‌اند.

پژوهش لوکا در نهایت یادآور این نکته است که تاریخ حیات مانند یک خط مستقیم و ساده نیست. آنچه امروز به صورت میلیون‌ها گونه متفاوت در زمین می‌بینیم، حاصل میلیاردها سال انشعاب، تغییر، انقراض و تداوم دودمان‌های زیستی است. در انتهای این تاریخ، ما نه با یک «نقطه آغاز» واحد، بلکه با شبکه‌ای از حیات اولیه روبه‌رو هستیم که بخشی از آن برای همیشه ناپدید شده و بخشی دیگر، از طریق زنجیره‌های پیچیده وراثت، به جهان زنده امروز رسیده است. لوکا یکی از مهم‌ترین نقاط این تاریخ مشترک است؛ نقطه‌ای که با وجود فاصله زمانی عظیم، ردپای آن هنوز در سلول‌های موجودات زنده امروز قابل جست‌وجو است.