على بعد آلاف الأميال من المنزل في غابات الأمازون المطرية المشبعة بالرطوبة في منتصف القرن التاسع عشر، واجه عالم الطبيعة البريطاني هنري والتر بيتس مشكلة، بل أكثر من مشكلة في الحقيقة، فقد كانت هناك حشرات قارضة بحجم الإبهام، والتهديد الدائم للملاريا، والثعابين السامة، والعفن الفطري الذي هدد بمباغتة عيناته الثمينة قبل أن يتم شحنها مرة أخرى إلى بريطانيا، ولكن المشكلة العلمية المزعجة التي ضايقته كانت تتعلق بالفراشات.
لاحظ بيتس أن بعض فراشات هيليكونيوس ذات الألوان الزاهية لم تكن ترفرف مثل بقية الفراشات، بل كن يتحركن بشكل أبطأ، وعندما احتجزهن وقام بفحصهن باستخدام مجهره المؤقت، اكتشف بأنهن لم يكنّ فراشات هيليكونيوس على الإطلاق، بل أشباه مذهلة.
وبحلول الوقت الذي وصل فيه اكتشاف بيتس إلى الخبراء العلميين في إنجلترا، كان اقتراح تشارلز داروين الجديد للانتقاء الطبيعي آنذاك بإمكانه تفسير سبب حدوث هذه المحاكاة الرائعة، فالطيور والحيوانات المفترسة تتجنب فراشات هيليكونيوس لأنها سامة وطعمها مر، لم تكن الأشباه سامة ولكن نظرًا إلى شبهها الكبير بفراشات هيليكونيوس كريهة المذاق فإن من غير المرجح أن تؤكل، وكلما اقترب التشابه زادت فعالية الحماية.
وما لم يستطع بيتس وعديد من علماء الأحياء التطورية لاحقًا تفسيره هو كيف كانت هذه المحاكاة ممكنة، فالحصول على الألوان الصحيحة من الزبرجد والبرتقالي الناري في الأماكن الصحيحة على الأجنحة يتطلب مجموعة من الجينات المضبوطة بدقة، وهذه الصفات يجب أن تورث بشكل دقيق لجيلٍ بعد جيل للحفاظ على تَخفي فراشات هيليكونيوس هذا، وربما فراشات هيليكونيوس الحقيقية بإمكانها أن تغير ألوانها قليلًا؛ وذلك لأن سمومها لا تزال قادرة على إعلام الحيوانات المفترسة بالابتعاد عنها في المستقبل، ولكن الأشباه كانت في حاجة إلى تكوين نسخ طبق الأصل لا تشوبها شائبة باستمرار، ومع ذلك فإن التعديل العشوائي وإعادة خلط السمات في التكاثر الجنسي كان من المفترض أن يؤدي إلى تعطيل أنماط التلوين الأساسية بسرعة.
نحن نعلم اليوم أن الإجابة في عديد من الأنواع هي الجينات الفائقة (supergenes)، وهي امتدادات الحمض النووي التي تربط عديدًا من الجينات معًا في وحدة وراثية واحدة، ويقول مارت سولاند (عالم البيئة الجزيئية في جامعة أغدر في النرويج): “إنهم جامحون!”، وهذا النمط من الوراثة “له مزايا واضحة لأنه يسمح بالتكيف السريع، ولكن هنالك الكثير الذي لا نعرفه حتى الآن”.
وبدت الجينات الفائقة ذات مرة كأنها شذوذ تطوري، ولكن ظهور التسلسل الجيني أظهر أنها كانت أكثر شيوعًا مما يظنُّ الباحثون، وقد لا تمتلك الجينات الفائقة جميعها وظيفة ما، ولكن البحوث في السنوات القليلة الماضية كشفت أن السمات في مجموعة واسعة من الأنواع الحيوانية والنباتية قد تكون منقادة من قِبَل هذه المجموعات الجينية التي تعمل مثل جين واحد، وتساعد الجينات الفائقة عباد الشمس البري على التكيف مع مجموعة من البيئات مثل الكثبان الرملية والسهول الساحلية والجزر الحاجزية، وفي أنواع النباتات الأخرى تنتج اختلافات دقيقة ولكنها مهمة في أعضائها التناسلية وخصوبتها والتي تساعد في منع التزاوج الداخلي، وأظهرت الأبحاث التي نُشرت في الربيع الماضي أن في بعض أنواع النمل الناري تحدد الجينات الفائقة نوع التنظيم الاجتماعي السائد سواءً كان للمستعمرة ملكة حاضنة واحدة أو أكثر من واحدة (لم يتم تأكيد وجود جينات فائقة محددة في البشر، ولكن تم العثور على مرشحين محتملين).
ويبدو أيضًا أن الجينات الفائقة تجيب عن كثير من الألغاز المتعلقة بالتطور، مثل كيف يمكن للأنواع أحيانًا أن تتكيف مع البيئات الجديدة بسرعة، وكيف يمكن أن تتطور المجموعات أحيانًا في اتجاهات مختلفة حتى في أثناء العيش على مقربة من بعضها، ولماذا تمتلك بعض الأنواع “أنظمة خطيرة متوازنة” للتكاثر، حيث يجب أن تكون لديهم مثلًا نسختان مختلفتان من كروموسوم ما حتى تتمكن من البقاء.
ولكن الجينات الفائقة ليست قوية تمامًا، والبحوث الأخيرة حيال تطور الجينات الفائقة ترسم صورة دقيقة لتأثيراتها، وأظهرت هذه النماذج والدراسات النظرية للمجموعات الحقيقية بأن الجينات الفائقة غالبًا ما تراكم الطفرات الضارة بسرعة أكبر بكثير من أجزاء الحمض النووي الأخرى وهذا يمكن أن يؤدي تدريجيًّا الى تأثيرات تنكسية تضعف المزايا الأصلية.
إن تعريف الجينات الفائقة تعريف تقني إلى حد ما، وما يزال العلماء يجادلون حول نقاطه الدقيقة على الرغم من أن المفهوم موجود من الثلاثينيات، ولكن كما يقول سايمون مارتن عالم الأحياء التطورية في جامعة إدنبرة، إن الجينات الفائقة مجموعة من الجينات الموروثة معًا كوحدة واحدة، وغالبًا مع كثيرٍ من الحمض النووي غير المشفر.
ويقول مارتن: “يمكنك الاستمرار في إنتاج سمتين متميزتين بجينات متعددة وعدم القلق بشأن اختلاطهما”.
ويميل هذا الخلط الى الحدوث في أثناء إنتاج خلايا البويضات والحيوانات المنوية، وفي هذه العملية تصطف نسخ الأم والأب من الكروموسومات وتتبادل أجزاء الحمض النووي بشكل عشوائي ويسمى ذلك “إعادة التركيب الجيني”، وهذه العملية تقوم بإعاقة طبيعة قيمة التبادل المختلفة للجينات، ما يعزز التنوع الجيني ويساعد على التخلص من الطفرات الضارة.
وتكمن قوة الجينات الفائقة العظمى في أنها تمنع ذلك، فعادةً ما تحتوي الجينات الفائقة على طفرات الحذف أو الغرز في الحمض النووي أو الانقلاب الصبغي (التسلسلات التي تم قطعها وتوصيلها بالعكس)، ونتيجة ذلك فإن تلك الأجزاء من الحمض النووي للكروموسوم لا تتماشى مع الشريك وهي أقل عرضة لإعادة التركيب.
وفي السبعينيات أظهر الباحثون أن هذه الآلية نفسها -مع الاختلالات في الكروموسومات التي تمنع إعادة التركيب في أجزاء من الكروموسومات التي تستمر بعد ذلك في فقدان الجينات- قد أدت إلى تطور الكروموسومات الجنسية Y من كروموسومات X في الثدييات، والكروموسومات الجنسية هي في الأساس جين فائق خرج عن السيطرة، وتقول ديبورا تشارلزروث وهي واحدة من علماء الوراثة التطورية الذين ابتكروا دراسات الكروموسوم الجنسي، وقد تقاعدت مؤخرًا من جامعة إدنبرة، إن كلًّا من الجينات الفائقة والكروموسومات الجنسية موجودة لأن هنالك أحيانًا فائدة من وراثة بعض مجموعات الجينات معًا، وفي هذه الحالات “سيكون من المثالي عدم إعادة التركيب، بل المحافظة على وجود الأشياء المتوافقة مع بعضها الى الأبد”.
ولفهم سبب فائدة ذلك فكر في غسيل الملابس، فكما تقول إيما بيردان عالمة الأحياء التطورية في جامعة جوتنبرج في السويد، لنفترض أن لديك سلة من المناشف البيضاء وسلة من المناشف الحمراء، فإن إعادة التركيب تتمثل في رمي السلتين معًا مرة واحدة وتقليبهما بالماء الساخن والضغط على زر البدء للغسالة، ما يؤدي إلى إنتاج مجموعة من المناشف الوردية، وتقول بيردان إن النتيجة التطورية للمناشف الوردية ليست مشكلة بحد ذاتها، ويمكن لمزج السمات أن يكون مفيدًا.
ولكن في بعض الأحيان تستفيد الحياة من فصل الجينات وبالنسبة لفراشات بيتس المشابهة لفراشات هيليكونيوس، فإن وجود مزيج من بقع الألوان من الجينات المختلفة قد يكون كارثيًّا، ولا تحصد الفراشات المشابهة مكافأة المحاكاة إلا إذا بدت مثل فراشات هيليكونيوس بشكل كافٍ لخداع الحيوانات المفترسة.
ولهذا السبب تحديدًا كان عديدٌ من الباحثين يبحثون في كيفية ظهور الجينات الفائقة وماهي العواقب على الأنواع مع استمرار تطورها، وتقول تانيا سلوت عالمة الوراثة التطورية في جامعة ستوكهولم التي تقوم بدراسة الجينات الفائقة في النباتات، أن فهم أصل الجينات الفائقة هو “أحد أكثر الأسئلة تحديًا، وليس بالضروري أن يكون ممكنًا دائمًا”.
وفي أحد الجهود الأخيرة قامت كايتي لوترهوس عالمة الأحياء البحرية التطورية في جامعة نورث إيسترن ببناء نموذج كمبيوتر لدراسة الخطوات الأولية التي تم اتخاذها في أثناء الانقلاب الصبغي إلى الجينات الفائقة، وقد أظهر نموذجها الذي نُشِرَ في إصدار خاص لشهر أغسطس من المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية (ب) على الجينات الفائقة أنه كلما زاد تقلب الحمض النووي الأولي زاد احتمال تطور الجين الفائق، وكان السبب بسيطًا، فمن المرجح أن يلتقط جزء كبير منقلب من الحمض النووي جينات متعددة ويقوم بإقفالها معًا مثل الكيان الواحد، ويمكن لأي طفرات مفيدة تنشأ داخل الانقلاب بأن تعزز انتشارها كجين فائق.
لكن أهم معلومة من نموذج لوترهوس كانت أن الانعكاسات نفسها لا توفر ميزة تطورية بالضرورة، فإذا كانت مجموعة من الجينات قد تكيفت بالفعل بشكل جيد مع محيطها فإن إجبارها على الانقلاب لن يسمح لها فجأة بالانطلاق كجين فائق، وقد تساعد هذه الحقيقة في تفسير سبب عدم اعتبار السمات الحيوية المعقدة عادةً جينات فائقة، فغالبًا ما يكون الضغط التطوري العادي كافيًا للحفاظ على السمات.
أدركت لوترهس أن مسألة ما إذا كان التكيف يسبق انقلابًا أم العكس قد لا تكون مسألة قابلة للإجابة، إذ تقول: “ما الذي يأتي أولًا الانقلاب أم التكيف؟ ربما قليلٌ من الاثنين”.
وتقدم الجينات الفائقة مزايا قوية في وراثة السمات التكيفية ولكنها تأتي بثمن، فكر مثلًا في تشبيه بيردان بالغسيل؛ غسل المناشف الحمراء والبيضاء في غسلة واحدة يقضي على اختلافات الألوان بين مجموعتي المناشف، ولكن مع ذلك فإذا قمت بتمزيق أو تلطيخ منشفة وردية فإن لديك منشفة وردية مطابقة لها يمكنك استخدامها كنسخة احتياطية، وإذا التقطت نسخة من الكروموسوم طفرة ضارة تدمر الجين، فمن المحتمل أن تكون النسخة الاحتياطية على الكروموسوم المطابق لتساعد الكائن الحي في البقاء على قيد الحياة، وبما أن إعادة التركيب الجيني تضمن وراثة الطفرة بشكل مستقل عن الجينات الأخرى، فإن الانتقاء الطبيعي يمكن أن يقضي على الطفرة بمرور الوقت.
ولكن لا ينطبق الأمر على الجينات الفائقة، نظرًا إلى كونها نادرًا ما تتجمع، فإن أي طفرات ضارة تكتسبها تبقى في مكانها، لذا يمكن أن تكون مزايا الجينات الفائقة مصحوبة بعيوب كبيرة، فعلى سبيل المثال وجد كل من بيردان وبينجامين ويلسترا من معهد علم الأحياء ليدن أن نصف البيض الذي يقوم بوضعه السمندل المسمى “النيوت المتوج” غير صالح، وذلك لأن الطفرات جميعها تراكمت في جين فائق واحد، والجين الفائق يعيق نجاح عملية تناسلها.
ويمكن للجينات الفائقة أن تقوم بتعقيد التزاوج أيضًا، وتخلق الجينات الفائقة نظام تكاثر له أربعة أجناس بشكل فعال، وعلى سبيل المثال فإن وجود الجين الفائق في العصافير ذات الحنجرة البيضاء في أمريكا الشمالية ينتج “شكلين” بألوان وسلوكيات مختلفة، فلا يتعين على الذكور فقط العثور على الإناث، بل يجب عليهم العثور على شريك مختلف من الشكل الآخر، وخلاف ذلك فإن من المرجح أن يموت النسل إمَّا من وراثة الجينات الفائقة من كلا الوالدين أو عدم وراثة أي منهما، وفقط فراخ العصافير التي تتلقى ميراثًا “قاتلًا متوازنًا” من جين فائق واحد وكروموسوم واحد عادي هي التي تبقى على قيد الحياة.
تقول بيردان أنه مع هذا الثمن الباهظ فإن من العجب أن تتطور الجينات الفائقة على الإطلاق، وتضيف أيضًا: “سيكون من الصعب الحفاظ على أي مجموعة من المتغيرات خاصة على مدى الأجيال وهذا أحد الألغاز الكبيرة في الجينات الفائقة” وتقترح أن أنواعًا متعددة من الانتقاء قد تعمل معًا للحفاظ على الجينات الفائقة وأن بيئات معينة قد تكون أكثر ملاءمة لاستمرارها.
ومن المفارقات، فإن إحدى الآليات التي يمكنها -في بعض الأحيان- أن تحافظ على الجينات الفائقة هي إعادة التركيب، وهي ظاهرة تُقاوَمْ عادةً، وقد وصفت أماندا لاراكوينتي عالمة الوراثة التطورية في جامعة روتشستر مع زملائها في الكتابة مثل هذا الأمر في أبريل الماضي في مجلة إي لايف.
ولم تكن لاراكوينتي مهتمةً في بادئ الأمر بالجينات الفائقة أو تكاليفها التطورية وكان تركيزها على الجينات الأنانية، وهي أجزاء من الحمض النووي تتكاثر دون إفادة المضيف، وكانت مفتونة بجين أناني يسمى (Segregation Distorter (SD)) والذي ينشأ في بعض ذباب الفاكهة في زامبيا ويقوم بتشويه النسبة الجنسية للنسل، وتشرح ذلك بقولها “إنه قاتل للحيوانات المنوية ولكنه فقط يقوم بقتل الحيوانات المنوية التي لا تحمل كروموسومًا مزودًا بمشوه الفصل (SD).
وفي وقت ما خلال الـ 3000 سنة الماضية، استحوذت إحدى نسخ مشوه الفصل (SD) على قطعة كبيرة من الحمض النووي الصبغي، ما أدى إلى إنشاء جين فائق يعرف باسم SD-Mal والذي انتشر بين مجموعات ذباب الفاكهة في أنحاء إفريقيا جميعها، وتقول لاراكوينتي “إنه الجين الأناني الأكبر”.
وأظهر تسلسل الحمض النووي وتحليله بوساطة لاراكوينتي وعالم الأحياء دافين بريسجريفز وزملائهما، أن الكروموسومات التي تحتوي على SD-Mal تتراكم عليها طفرات ضارة، كما يتبين من النقص شبه الكامل في إعادة التركيب بين SD-Mal وكروموسومها الشقيق، ولكن الباحثين لم يجدوا العديد من الطفرات كما توقعوا.
واكتشفوا أن السبب في ذلك هو أن الذبابة قد ترث أحيانًا كروموسومين مع SD-Mal، وهذان الجينان الفائقان متشابهان جدًّا بشكل كافٍ للسماح ببعض إعادة التركيب بينهما، وهذا التراكم بدوره يجعل إزالة بعض الطفرات الضارة من الجين الفائق للذباب أمرًا ممكنًا بمرور الوقت.
وتقول لاراكوينتي: “كما اتضح فإن المطلوب هو تقليل عملية إعادة التركيب فقط”، وتبحث هي وبريسجريفز الآن عن جينات فائقة أخرى مع مشوه الفصل (SD) في مجموعات ذباب الفاكهة البرية للحصول على أدلة على تطور وتأثيرات الجينات الفائقة بشكل عام.
وتظهر نتائجهما أن التأثيرات التقنية لإعادة التركيب على الجينوم لا تتوقف أبدًا عن كونها مهمة، حيث إن السمات المعقدة التي تتيحها الوراثة المستقرة والتي يمكن التنبؤ بها للجينات الفائقة قد تساهم في مساعدة الأنواع على التكيف، ولكن حتى الجينات الفائقة يمكن أن تستفيد من خلط الأشياء من حين لآخر.
