الوحدة والتنوع في الكائنات الحية

(١) الأساس الجزيئي للحياة

تتألَّف الحياة كلها، وفي الواقع الكون بأكمله، من جزيئات؛ جزيئات الهيدروجين والهيليوم الموجودة في الشمس والنجوم الأخرى، وجزيئات الماء في الأنهار والمحيطات الموجودة على سطح كوكبنا، وجزيئات سيليكات الألومنيوم الموجودة في قشرته الخارجية، وجزيئات النيتروجين والأكسجين الموجودة في غِلافه الجوي، وجزيئات الحَمض النووي (الحَمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (دي إن إيه)، والحَمض النووي الريبوزي (آر إن إيه))، والبروتين والكربوهيدرات والدهون الموجودة داخل كل كائن حيٍّ يعيش على سطحه. تُسمى المجموعة الأخيرة من الجزيئات أحيانًا الجزيئات العضوية؛ تمييزًا لها عن الجزيئات غير الحية وغير العضوية التي تتكوَّن منها الصخور والرمال والبحار والهواء، ولا تزيد الجراثيم والنباتات والحيوانات عن كونها مجموعة من الجزيئات العضوية مع بعض الأملاح والماء.

تتَّسم الجزيئات بأنها متناهية الصِّغَر؛ فجزيئات مثل الماء أو الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون تقلُّ في حجمها بأكثر من مليار مرة عن حجم رأس الدبوس، والكربوهيدرات مثل الجلوكوز، والدهون مثل الكوليسترول أكبر منها بعشر مرات، والبروتينات والكربوهيدرات مثل النشاء أكبر منها بمِائة مرة، والدي إن إيه، الذي يُعتبَر أكبر جزَيْء في المادة الحية، أكبر منها بمليون مرة (لكن يظلُّ من المستحيل رؤيته إلا باستخدام مِجهر إلكتروني).

تنقسم الأعضاء (وبعض الأنسجة) إلى تكوينات أصغر حجمًا تُسمَّى الخلايا، يحيط بكلٍّ منها غشاء، يَتكوَّن بالطبع أيضًا من جزيئات، تتألف في الأساس من بروتينات ودهون مع بعض الكربوهيدرات. تتَّسم خلايا النباتات والحيوانات بأن لها الحجم نفسه (يبلغ قطرها تقريبًا واحدًا على مِائة من الملِّيمتر، فهي صغيرة للغاية بحيث تستحيل رؤيتها بالعين المجردة)، وهذا بصرف النظر عما إذا كانت جزءًا من زهرة أُقحوان أو من خُنفساء، أو من شجرة السيكويا العملاقة أو من فيل، أو من جنين عمره شهر واحد، أو من رجل عمره ٢٠ عامًا. والجراثيم كائنات أحادية الخلية، وتكون خلاياها حتى أصغر حجمًا؛ أقل من واحد على عشرة من حجم خلية النبات أو الحيوان. تستطيع مئات البكتيريا المسبِّبة للعدوى، مثل «المتفطرة الجذامية»، الحياة داخل خلية بشرية واحدة، ومع ذلك فإن الفيروسات أصغر حجمًا منها؛ فهي تنمو داخل البكتيريا وتستطيع عشرات الآلاف منها الحياة داخل خلية حيوانية واحدة قبل انطلاقها.

شكل ٢-١: تتمثَّل الجزيئات، التي تكون واحدة لدى كافة الكائنات، في: (أ) الماء، (ب) الجلوكوز، (ﺟ) الحَمض الأميني، (د) النيوكليوتيد. يُسمى الحَمض الأميني الواضح في الشكل الجلوتامات، وتَظهر الروابط التي تربطه بالأحماض الأمينية المجاورة داخل البروتين في شكل خطوط متقطعة. أما النيوكليوتيد الموضح في الشكل فيُسمَّى أدينين ديوكسي نيوكليوتيد: تمثِّل الحلقة العليا التي تحتوي في تكوينها على ذرات النيتروجين N جزء الأدينين، أما الحلقة السُّفلى فتُسمى ديوكسي ريبوز، وتُسمى مجموعة الذرات الموجودة على يسارها، التي تحتوي على ذرة فسفور، فوسفات. تحتوي كل الديوكسي نيوكليوتيدات (تُسمى أحيانًا نيوكليوتيدات للاختصار) على ديوكسي ريبوز وفوسفات؛ الحلقة التي تحتوي على النيتروجين هي التي تختلف بين أنواع النيوكليوتيدات الأربعة، التي يُشار إليها للتبسيط برموز A (الموضح في الشكل) وC وG وT. تظهر الروابط التي تصل نيوكليوتيد الأدينين بالنيوكليوتيدات المجاورة داخل جزَيْء الدي إن إيه في شكل خطوط متقطِّعة. كل النيوكليوتيدات سالبة الشحنة (ويظهر هذا من علامة السالب (−) الموجودة بجوار ذرة الأكسجين المتصلة بذرة الفسفور). تكون المجموعة الأمينية NH₂ أحيانًا موجَبة الشحنة، وفي أحيان أخرى لا تكون كذلك، وهي تَظهر هنا في شكلٍ عديم الشحنة. تكون بعض الأحماض الأمينية مُوجَبة الشحنة، ويكون البعض الآخر منها غير مشحون (محايدًا)، في حين يكون بعضها، مثل الجلوتامات في الشكل (ﺟ)، سالب الشحنة.

(٢) البروتينات والدي إن إيه

شكل ٢-٢: جزيئات مختلفة اختلافًا يسيرًا لدى الكائنات كافة. يُظهر الشكل نوعين من البروتينات: (أ) الأنسولين البشري. و(ب) الهيموجلوبين البشري. تعبِّر الخطوط عن الروابط بين الذرات كما في شكل ٢-١، بدرجة تكبير أقل (الذرات الفعلية حُذفت). هذه الأشكال نماذج ثلاثية الأبعاد قائمة على تصوير البلورات بالأشعة السينية. يبدو الهيموجلوبين مُتناسقًا لأنه يتكون فعليًّا من أربع سلاسل منفصلة من الأحماض الأمينية؛ سلسلتَي ألفا وسلسلتَي بيتا. أُعيدت طباعة هاتين الصورتين من قاعدة بيانات سويس بروت (الأنسولين: http://ca.expasy.org/cgi-bin/niceprot.pl?1308) و(الهيموجلوبين: http://ca.expasy.org/contact.html) من بنك بيانات البروتين. انظر إتش إم بيرمان وآخرين، «بنك بيانات البروتين»، مجلة نيوكليك أسيدس ريسيرش العدد ٢٨: ٢٣٥–٢٤٢، ٢٠٠٠.

يحتوي جسم الإنسان على أكثر من ١٠٠ ألف نوع مختلف من البروتينات، كلٌّ منها له وظيفته المحدَّدة؛ فيساعد الأنسولين على امتصاص السكر من مجرى الدم في العضلات والكبد، ويحمل الهيموجلوبين الأكسجين عبر مجرى الدم، ويشكِّل الأكتين والميوسين الشُّعيرات القابضة والباسطة للعضلة، وتحفِّز بروتينات أخرى عملية التمثيل الغذائي؛ فتساعد في تفكيك الطعام الذي نَتناوله؛ ومن ثم تُمكِّننا من استخدام الطاقة الناتجة في ضخِّ الدم في جميع أنحاء الجسم، وفي الركض والقفز والقتال، في حين تكون بروتينات أخرى مسئولة عن جعْل أعيُننا زرقاء أو داكنة، وشعرنا أشقر أو أسود، مُجعَّدًا أو أملس، وقامتنا كبيرة أو صغيرة، وأفكارنا حزينة أو سعيدة، وقدرتنا العقلية يقظة أو بطيئة الاستيعاب؛ فكل صفة لدينا تُحددها البروتينات. كيف تنتقل إذن هذه الصفات من جيل لآخر، كما يحدث بوضوح لكثير منها؟ لا تكون البروتينات نفسها المسئولة عن هذا، وإنما الجُزيء الذي يمثِّل مخطَّطًا تمهيديًّا لكل بروتين في أجسامنا، ذلك الجزَيْء الذي يُسمَّى الدي إن إيه.

يحدِّد التسلسل الذي تُرتَّب فيه نيوكليوتيدات الأدينين والسيتوسين والجوانين والثيامين على طول جزء من شريط الدي إن إيه، التسلسل الذي تَرتبط به الأنواع العشرين المختلفة من الأحماض الأمينية للبروتين معًا. ربما تتساءل كيف يُمكن لأربعة كيانات مختلفة أن تحدِّد ٢٠ نوعًا آخر؛ فيجب على الأقل وجود ٢٠ نيوكليوتيدًا مختلفًا في الدي إن إيه من أجل تحديد ٢٠ نوعًا مختلفًا من الأحماض الأمينية؟ إجابة هذا السؤال هي أن كل حمض أميني لا يتحدَّد بفعل نيوكليوتيد واحد، وإنما بمجموعة تتكون من ثلاثة نيوكليوتيدات؛ فتكون الشفرة التي تحدَّد بها نيوكليوتيدات الدي إن إيه أحماض البروتين الأمينية شفرة ثلاثية. يُمكن لأي من النيوكليوتيدات الأربعة شغل ثلاثة أماكن في هذه الشفرة الثلاثية؛ ومن ثم يوجد ٤ × ٤ × ٤ = ٦٤ احتمالًا مختلفًا، أكثر مما يَكفي لعشرين حمضًا أمينيًّا. تحدِّد بعض الشفرات الثلاثية إشارات إضافية، مثل «ابدأ» و«توقف»؛ وهي علامات الترقيم في الدي إن إيه التي تُخبر آلية الخلية أين يبدأ البروتين وأين ينتهي؛ ومن ثم فإنَّ الشفرة «أدينين، ثيامين، جوانين»، على سبيل المثال، تشير إلى «بداية بروتين جديد»، بينما الشفرة «جوانين، أدينين، جوانين» تُشير إلى حمض الجلوتامات الأميني، والشفرة «جوانين، ثيامين، جوانين» تشير إلى حمض الفالين الأميني، بينما الشفرة «ثيامين، جوانين، أدينين» تشير إلى «نهاية البروتين»، وهكذا.

(٣) الوراثة

شكل ٢-٣: الكروموسومات. يعرض الشكل أزواج الكروموسومات في خلية بشرية لذكَر في الطور الوسيط (قبل انقسام الخلية مباشرةً). صُبغت الكروموسومات بصبغة مشعَّة ورُتِّبت بحسب حجمها. أُعيدت طباعة الصورة من كتاب «الكروموسومات البشرية: مبادئ وتقنيات» لرام إس فايرما وأرفيند بابو، الطبعة الثانية، ماكجرو هيل، نيويورك، ١٩٨٥، بإذن من شركات ماكجرو هيل.

يُمكن أن يُشبه الطفل والديه في صفات وطباع معيَّنة، لكنه لا يكون نسخة طبق الأصل من أيٍّ منهما. تكون آلية عملية الوراثة في الواقع نفسها لدى الكائنات كافة — في النباتات والجراثيم والحيوانات أيضًا — لذا يُمكننا استمرار استخدام البشر في شرح هذه العملية. لماذا إذن لا تكون الطفلة نسخةً من والدتها، والطفل نسخةً من والده؟ هذا لأن الكروموسومات — المخزون الكامل من الجينات، الذي يُشار إليه أحيانًا بالجينوم — التي تُورَّث من كلٍّ من الوالدَين لا تكون متطابقة طوال الوقت؛ فكل مجموعة من الجينات تتوافق مع جزء من كل زوج من الكروموسومات؛ أحدها من الأم والآخر من الأب، ويحدِّد زوج من الجينات شفرة زوج من البروتينات له الوظيفة نفسها. تكون بعض أزواج الجينات متطابقة؛ ونتيجة لهذا تكون أزواج البروتينات التي تحدِّد شفرتها متطابقة أيضًا. ومثالٌ على هذا الجينُ الخاصُّ ببروتين الأنسولين؛ فيكون مُتشابهًا في كروموسوم الأم والأب؛ ولهذا لا يُصنَع إلا نوع واحد من الأنسولين. تكون أزواج أخرى من الجينات غير متطابقة، وإنما تكون بالكاد متشابهة؛ ومن ثم تحدد شفرة بروتينات يوجد بينها اختلاف طفيف؛ فبينما يؤدي كلا البروتينين الوظيفة نفسها، قد يؤدِّيها أحدهما بشكل أفضل أو أسوأ من الآخر؛ ونتيجة لهذا يكون تعبير هذا الزوج من الجينات خليطًا من نشاطَين. سنُعطي مثالًا على هذا بعد قليل. لكن أولًا، لا بد أن نُركِّز على ما يسبق اختلاط كروموسومات الأم والأب في أثناء عملية تخصيب الحيوان المنوي للبويضة.

(٤) ظهور تنويعات الجينات

أما الدي إن إيه، من ناحية أخرى، فيُستنسخ مع كل انقسام للخلية، سواء في جسم إنسان بالغ أو في البويضة المخصَّبة؛ ومن ثم فإن أي تلف يصيب الدي إن إيه فإنه يستمرُّ. وربما تؤدي طبيعة التلف إلى تحول في أحد النيوكليوتيدات؛ فعلى سبيل المثال، قد يتحوَّل السيتوسين إلى ثيامين. يُسمى هذا التغيير الطفرة. وإذا حدَث داخل مِنطقة من الدي إن إيه تحدد شفرة أحد البروتينات؛ بعبارة أخرى داخل أحد الجينات، فإنه يؤدِّي إلى إنتاج ملايين الجزيئات المعدَّلة من البروتين في ملايين الخلايا. يُمكن ألا يتأثر عمل البروتين المُعدل، أو ربما يقلُّ، لكنه نادرًا ما يتحسن، وبناءً على المكان المحدد للنيوكليوتيد الطافر قد لا يَجري تصنيع أي بروتين على الإطلاق، كما يحدث مثلًا عند إصدار الأمر «توقف» في بداية تسلسل البروتين.

(٥) ظهور أنواع جديدة

إن القوقازيين والآسيويين والأفارقة والسكان الأصليين لأستراليا كلهم أشكال مختلفة من النوع نفسه؛ «الإنسان العاقل». يَنتمي الشمبانزي إلى نوع مختلف؛ «بان تروجلوديت» أو «الشمبانزي القزم». مِمَّ يتألف النوع، وكيف ينشأ نوع جديد؟ الغريب في الأمر أن الإجابة عن السؤال الأول أقلُّ وضوحًا من الإجابة عن الثاني.

بخلاف التحيُّز الفطري لدى الناس ضد فرضية التغير المستمر للأنواع، كانت المشكلة تتمثل في عدم قدرة داروين على تقديم تفسير منطقي لطريقة تحقُّق هذا التنوع. لم يظهر الدليل اللازم لتفسير هذا الأمر إلا بعد مرور أكثر من قرن من الزمن؛ فعندما بدأت دراسة الكائنات الحية من الناحية الجزيئية، بدأت تظهر الآلية التي تَحدُث بها هذه التغييرات الخفية في الشكل والوظيفة. كم كان داروين سيُقدِّر الاكتشافات العلمية التي حدثت في فترة خمسينيات وستينيات القرن العشرين، والسهولة الفطرية لتضاعُف الدي إن إيه والشفرة الثلاثية!

إذا كانت عملية ظهور نوع جديد تحدث ببطء، فإن عملية انقراض نوع موجود بالفعل، أقل قدرة على التكيُّف، تكون عادةً أكثر بطئًا؛ فعلى مدار مليار سنة مضت تقريبًا، كان ظهور الأنواع الجديدة أسرع من عملية انقراض الأنواع الموجودة على قيد الحياة؛ مما أدَّى إلى حدوث تنوع مُتزايد في الكائنات الحية، وحاليًّا يوجد نحو ١٠ ملايين نوع مختلف من النباتات والحيوانات في العالم، لم يَرد وصف إلا مليون ونصف مليون نوع فقط منها حتى الآن. تتعايش الأنواع التي ستتعرَّض للانقراض في النهاية مع الأنواع التي ستنجو؛ فعلى سبيل المثال، بعد وقت طويل من ظهور الإنسان الحديث، ظلَّت أنواع من القِرَدة العليا الأقدم تعيش معه. إنَّ المدى الزمني الذي يستغرقه التغير التطوري حتى يُصبح واضحًا، في حالة الرئيسيات مثل القِرَدة العليا والإنسان، يُقدَّر بمئات الآلاف من السنين. بالطبع أحيانًا يحدث الجزء الثاني من العملية، المتمثِّل في انقراض الأنواع، بسرعة أكبر.

(٦) ظهور جنس جديد

إذا كان ظهور نوع جديد لا يتطلب أكثر من مجرَّد تراكم جينات طافرة، فهل ينطبق الأمر نفسه أيضًا على ظهور جنس جديد، مثل جنس الهومو (الإنسان) الذي ظهر من جنس البان (الشمبانزي)؟ تشبه جينات الإنسان جينات الشمبانزي بنسبة ٩٥٪. ما الذي يعنيه هذا فعليًّا، وكيف حصلنا على هذه النسبة؟

أما عن الوظيفة التي يُحدِّدها كل جين عند ترجمته إلى بروتينات، فإننا لا نعرف هذا حتى في حالة الإنسان، فلا يُمكننا في الوقت الحالي استنتاج وظيفة أحد البروتينات من مجرد تسلسل الأحماض الأمينية التي يتكون منها، التي تمثِّل كافة المعلومات التي يحتوي عليها الجين؛ فقد اتضح أن بعض البروتينات ذات التسلسل المتشابه تؤدي وظائف مختلفة، وبعض البروتينات ذات التسلسل المختلف تؤدِّي الوظيفة نفسها. استغرقتْ معرفة تسلسل الدي إن إيه البشري أقل من عَقد من الزمن، ومن المحتمل أن يستغرق فهم وظائف كافة البروتينات التي تحدِّدها هذه الجينات على الأقل الفترة نفسها. وحتى تتضح وظائف كافة البروتينات لدى الشمبانزي والإنسان لا يُمكننا التأكُّد مما إذا كان أحدها يؤدي دورًا مختلفًا تمامًا لدى الشمبانزي عن دوره لدى الإنسان أم لا. ومع ذلك، أيًّا كانت النتيجة، يُمكننا التأكد إلى حد ما أن الآلية التي شرحناها مسبقًا عند الحديث عن ظهور الأنواع الجديدة من حيث التراكم التدريجي للجينات الطافرة؛ تَنطبق أيضًا على ظهور الأجناس الجديدة.

إذا أردنا توسيع نطاق تطبيق هذه الحُجة، فيُمكنني توقُّع عدم وجود جينات خاصة بالرئيسيات في مقابل جينات خاصة بالقرود، وجينات خاصة بالثدييات في مقابل جينات خاصة بالطيور أو الزواحف، وجينات خاصة بالفقاريَّات في مقابل جينات خاصة باللافقاريَّات، وهكذا؛ فنحن لا نستطيع التعرُّف على إنسان أو شمبانزي، قرد أو حمامة، تمساح أو دبور، من خلال جيناته فقط؛ فلا يُمكن تحديد انتماء الكائن إلا كوحدة واحدة لأحد الأنواع أو الأجناس أو الفصائل أو الرتب أو الفئات أو الشُّعَب. ظللتُ طوال أكثر من ٤٠ سنة أخبرُ الطلبة الذين يدرسون الكيمياء الحيوية والطب أنه في حال وُجدَت لدينا خلايا كبد متجانس مذابة في محلول فسيكون من الصعب علينا تحديد إذا كان هذا الكبد لفيلٍ أم لإنسان؛ فتحليل الجزيئات التي يتكون منها لا يكشف عن مصدره، لكن إذا دخل الكائن صاحب هذا الكبد إلى الغرفة، فسيكون من السهل تمييزه عن غيره. في الواقع إن حقيقة أننا نشترك مع الموز في ٥٠٪ من جيناتنا تدعم نقطة التشابه هذه في التكوين الجزيئي بين كافة أشكال الحياة؛ إنه لا يوجد سوى تغير تدريجي بين الجرثومة الأولى والإنسان.

(٧) تنوع الشكل والوظيفة

تنمو خارج نافذة مكتبي شجرتان مُتناسقتان من نوع كستناء الحصان (أيسكولوس هيبوكاستانوم). في أواخر فصل الصيف لا يُمكن رؤيتهما؛ إذ تكون كلٌّ منهما مليئة بالفاكهة التي كنا نُطلق عليها ونحن صغار اسم «كونكيرس»، ومع ذلك لاحظتُ في فصل الربيع تأخُّر ظهور الأوراق، ومن ثم الأزهار، في الشجرة الموجودة على جهة اليسار لعدَّة أسابيع عن الشجرة الموجودة على اليمين. على الأرجح كلتا الشجرتين قُطعتا من الجذع نفسه؛ فهما شجرتان أختان، لكنَّ الشجرة على اليسار «متأخرة النمو». أشرنا من قبل إلى حقيقة عدم وجود تطابق كامل بين أي فردَين من ذرية الكائن نفسه. فحتى في التوأم المتطابق تظهر علامات الاختلاف البسيط مع بدء تأثير البيئة في جيناتهما على نحو مُختلِف (بحيث يُصاب أحدهما، على سبيل المثال، بالسرطان بينما لا يُصاب الآخر به).