تاریخ درون ما؛ ژنوم انسان و کاربرد آن در کشف حقایق گذشته و آینده

پیشرفت های به دست آمده از تجزیه و تحلیل DNA به ما کمک می کند گذشته را بازنویسی کرده و به درک بهتری از مفهوم انسان برسیم.

هر روز مقداری از دی‌ان‌ای ما شکسته می شود. آنزیم های مخصوصی ژنوم ما را تا زمانی که در قید حیات هستیم سالم نگه می دارند. اما پس از مرگ و به پایان رسیدن اکسیژن دیگر ترمیمی صورت نمی گیرد. آسیب های شیمیایی روی هم انباشته می شوند٬ و فروپاشی های پس از تجریه نمایان می شوند: غشا منحل می شود٬ آنزیم نشت پیدا می کند و باکتری تکثیر می شود. در مجموع چقدر طول می کشد تا دی‌ان‌ای نابود شود؟ دانشمندان بر این باور بودند که دی‌ان‌ای شخص مرده بلافاصله و به طور جبران ناپذیری از بین می رود.

سوانت پابو٬ زیست شناس سوئدی که در حال حاضر مدیر بخش انسان شناسی تکاملی موسسه ماکس پلانک در آلمان است٬ حدود سه دهه قبل اعلام کرد که دی‌ان‌ای ممکن است در حدود چند روز تا چند هفته زنده بماند. اما پابو و تنی چند از دیگر دانشمندان اخیرا نشان داده اند که اگر تنها تعداد کمی از تریلیون سلول موجود در بدن از ورطه نابودی نجات پیدا کنند آنگاه ژنوم می تواند برای دهها تا هزاران سال زنده بماند.

در کتابش٬ انسان نئاندرتال در جستجوی ژنوم های گم شده٬ گزارشی از پیدایش یکی از پیشگامانه ترین پروژه های علمی در تاریخ بشریت را ارائه می دهد: توالی ژنوم یک نئاندرتال٬ مخلوقی شبه انسانی که تا حدود ۴۰۰۰۰ سال قبل زندگی می کرد. بخشی از داستان پابو سفر یک قهرمان و بخش دیگر راهنمایی برای خرد کردن الگوهای علمی است. او داستان را با قصه پردازی از گذشته ها و سفر دوران کودکی از سرزمین مادری اش سوئد به مصر آغاز می کند. در جوانی به مدرسه پزشکی می رود و در رشته بیولوژی مولکولی به تحصیل می پردازد٬ اما رویای گذشته هرگز محو نمی شود.

سوانت پابو به عنوان یک محقق جوان سعی می کند جگر یک گوساله را مومیایی و دی‌ان‌ای آن را استخراج کند. بیشتر استاد های او پروژه دی‌ان‌ای باستانی را یک سرگرمی جالب می دانستند٬ اما وی با وجود نتایج ناامید کننده، سال های متوالی صبورانه با انتظار نوآوری های تکنولوژی ماند تا نتیجه کارش را به ثمر برساند. در تمام این مدت٬ پابو در استخدام محققین٬ به دست آوردن سرمایه٬ به شهرت رسیدن و پیدا کردن استخوان های باستانی چیره دست شد.

سرانجام٬ عزم و تلاش وی نتیجه داد: در سال ۱۹۹۶ تحقیقات وی منجر به پیدا کردن از بخشی از ژنوم میتوکندری نئاندرتال ها شد. (میتوکندری، در سلول، اندامکی است که وظیفه آن تنفس سلولی و نوعی دستگاه انتقال انرژی است. دی‌ان‌ای سازی در میتوکندری صورت می‌گیرد). سرانجام در سال ۲۰۰۰ پابو و همکارانش ژنوم کامل نئاندرتال را منتشر کردند.

امپراطوری‌ها

تحقیقات در مورد دی‌ان‌ای باستانی از مدت ها قبل آغاز شده بود. لوییجی لوکا کاوالی اسفورزا٬ دانشمند ایتالیایی ژنتیک جمعیت٬ برای اولین بار سعی کرد که تاریج جهان را با مقایسه چگونگی پراکندگی و توزیع ویژگی های جوامع مختلف بازسازی کند. او مطالعات خود را با گروه های خونی آغاز کرد. سال ها بعد در کتاب معروف وی ژن ها٬ مردم٬ و زبان ها٬ تاریخ گروه های جمعیتی را بررسی شد.

اتفاقات مهم تاریخی را نیز می توان از دی‌ان‌ای انسانهایی که در قید حیات هستند٬ استنتاج کرد. بعنوان مثال این حقیقت که همه اقوام غیر آفریقایی در واقع بخش کوچکی از کسانی هستند که ۶۰هزار سال قبل از أفریقا مهاجرت کرده اند. رد پاهای به جا مانده در یک کروموزم Y خاص در جمعیت امروز مردمان اوراسیا نشانه هایی از امپراطوری مغولستان دارد. نشانه هایی که محقیقین را به این باور رسانده که این کروموزوم٬ که از پدر به پسر به ارث می رسد٬ از چنگیزخان به جمعیت امروز به ارث رسیده است. چنگیزخان در قرن ۱۳ میلادی در طول مسیر کشورگشایی هاش تجاوز و غارت های زیادی انجام داد.

در چند سال اخیر٬ دانشمندان علم ژنتیک راه هایی پیدا کرده اند که نه تنها اتفاق هایی بزرگ تاریخی را کند و کاو کنند بلکه بتوانند تغییر و تحولات گونه های جمعیتی در گذر زمان را نیز دریابند. در یک مطالعه در سال ۲۰۱۴ ٬ دی‌ان‌ای کشاورزان و شکارچیان کهن اروپایی مورد استفاده قرار گرفت تا به این سوال قدیمی پاسخ داده شود که آیا کشاورزی در کل اروپا رواج پیدا کرده و شکارچیان را به کشاورزی وا داشته و یا این کشاورزان بودند که در سراسر قاره سفر کرده اند و جایگزین شکارچیان شده اند.

محققین از اجدادی که کشاورز یا شکارچی تشخیص داده شده بودند٬ بر اساس نحوه دفن شدن و وسایلی که همراهشان در خاک گذاشته شده بوده٬ نمونه برداری کردند. تفاوت چشم گیری که در دی‌ان‌ای این دو گروه پیدا شد باعث شد به این نتیجه برسند که با وجود این که رگه هایی از ژن شکارچیان در کشاورزان جاری شده اما در بیشتر نقاط اروپا این کشاورزان بوده اند که جایگزین شکارچی ها شده اند.

با نگاهی به تاریخ معاصر٬ پیتر رالف و گراهام کوپ٬ دو محقق ژنتیک دانشگاه کالیفورنیا٬ بخش های کوچکی از ژنوم سراسر اروپا را مقایسه کردند و دریافتند هر دو اروپایی مدرنی که در همسایگی هم زندگی می کنند٬ مثلا در بلژیک و آلمان٬ بین ۲ تا ۱۲ جد مشترک دارند که در ۱۵۰۰ سال گذشته زندگی کرده اند. آنها تفاوت های جالب دیگری نیز شناسایی کرده اند. بیشترین جد مشترک ایتالیایی ها در زمان جمهوری رم که بعدها امپراطوری رم جایگزین آنها شد و بیش از ۲۵۰۰ سال قبل زندگی میکرده. اگرچه ایتالیایی ها اجداد مشترکی دارند که ۲۵۰۰ سال قبل زندگی می کرده اند اما آنها در مقایسه با سایر کشورها اروپایی، نیاکان مشترک کمتری دارند. در حقیقت٬ ایتالیایی های منطقه های مختلف ایتالیای امروزی همان تعداد با هم جد مشترک دارند که با کشورهای همسایه دارند. ژنوم این حقیقت را بازتاب می کند که تا قرن ۱۹ میلادی ایتالیا در واقع مجموعه ای از ایالات بود و مثل امروز به شکل یک کشور واحد وجود نداشت.

در یک بازه زمانی کوتاه اجداد ما در سراسر جهان زنجیره هایی تشکیل داده اند و رشد مجموعه ژنوم های آنها منجر به تولید ژنتیک جمعیتی جدیدی شده است. این نشان از پدیده هایی دارد که ما -جز بررسی ژنوم- هیچ راه دیگری برای دانستنشان نداریم.

اتفاقات مهمی که در تاریخ بریتانیا رخ داده نشان می دهد که ژنتیک اهالی ولز و قسمت های دورافتاده ای از اسکاتلند متفاوت از ژنتیک سایر نقاط بریتانیا است. در حقیقت بر مبنای نتایج یک آنالیز استاندارد که بر روی مردم بریتانیا انجام شده این گروه از مردم از بقیه مجزا شده اند. امسال دانشمندان دانشگاه آکسفورد رابطه موشکافانه تری بین ژنتیک و تاریخ را آشکار کردند.

با دنبال کردن الگوهای زیرکانه در میان ژنوم های بریتانیایی های مدرن٬ دست کم ۱۷ دسته متمایز پیدا شده که احتمالا بر روی گروه های مختلفی از جمعیت بریتانیا تاثیر گذار بوده اند. این مطالعات می تواند توضیحی باشد بر اتفاق هایی که در دوران قرون وسطی وقتی هیچ دست نوشته ای ایجاد نمی شد٬ روی داده اند. مانند این سوال که چقدر از دی‌ان‌ای باستانی بریتانیایی ها در حملات ساکسون ها در قرن ۵ میلادی از بین رفته است.

پراکندگی ژنوم های خاص در جمعیت امروزی اطلاعاتی درباره اتفاق های فرهنگی و منتخب نیز به دست می دهد. مثلا پس از آنکه یک گروه از انسانها تصمیم گرفتند از شیر سایر پستانداران تغذیه کنند٬ توانستند توانایی هضم کردن لاکتوز را نیز به دست آورند و آن عده ای که نخواستند چنین تغذیه ای داشتند باشند تا امروز موفق به هضم لاکتوز نشده اند!

ابهام ها

آنالیز دی‌ان‌ای انسانهای زنده به مراتب ساده تر است از آنالیز دی‌ان‌ای باستانی که دائم در معرض آلودگی بوده. اولین آنالیز دی‌ان‌ای میتوکندریایی نئاندرتال در یک آزمایشگاه مجزا انجام شد. در طول مدت آزمایش، هر شب اشعه UV به دی‌ان‌ای تابیده می شد تا خاک روی آن نابود شود. محقیقن محافظ صورت٬ دستکش استرلیزه شده و سایر پوشش ها را بر تن داشتند و اگر وارد آزمایشگاه دیگری می شدند٬ پابو در آن روز اجازه وارد شدن به آزمایشگاه و ادامه کار را نمی داد. با وجود تمام این مراقبت ها پابو و همکارانش تا سال ۱۹۹۰ میلادی پیشرفتی به دست نیاورند. سرانجام با استفاده از تکنیک تعیین توالی سانجر وی توانست بجای ۹۶ قسمت از دی‌ان‌ای در واحد زمان٬ صدها و هزارها دی‌ان‌ای را بررسی و مطالعه کند.

چنین دستاوردهایی امکان پاسخ دادن به این سوال را فراهم کرد که آیا نئاندرتال ها با انسانها جفت گیری کردند؟ شواهد اندکی وجود دارند که نشان از مثبت بودن پاسخ این سوال است اما پابو بر این باور بود که چنین اتفاقی محتمل نیست زیرا وی هیچ ردی از ژنوم آنها در دی‌ان‌ای میتوکندریایی انسان پیدا نکرده بود.

او گمان می کرد که انسانها و نئاندرتال ها از نظر بیولوژیکی ناسازگارند. اما امروزه که ژنوم کامل نئاندرتال توالی شده٬ می توان گفت که یک تا سه درصد ژنوم موجود در غیر-آفریقایی های امروزی حاوی ناهمگونی هایی است که به ژنهای ناهمسان مجاور شناخته می شوند٬ و از نئاندرتال ها ریشه می گیرند. این نشان می دهد که انسان و نئاندرتال جفت گیری کرده و فرزندانی داشته اند و فرزندان آن فرزندان بسیاری از اجداد ما را نتیجه داده اند.

این حقیقت که آفریقایی های جنوب آفریقا حامل دی‌ان‌ای نئاندرتال نیستند نشان می دهد که دورگه های انسان-نئاندرتال بعد از خروج انسان از آفریقا در ۶۰هزار سال قبل به دنیا آمده اند.. بعلاوه نحوه توزیع ژنهای ناهمسان مجاورنئاندرتال در ژنوم انسان نشانگر فشارهایی است که برای تاب آوردن سرما و تاریکی منطقه های دیگر جغرافیایی به انسان وارد می شده.

قسمت هایی از ژنوم تحت تاثیر نئاندرتال ها منجر به تغییر رنگ مو و پوست صورت شده است و همین مساله باعث شده اوراسیایی های اولیه از آفریقایی ها روشن تر باشند. دی‌ان‌ای باستانی بسیاری از فرضیات دیگر را با پیچیدگی مواجه خواهد کرد. مثل داستان ریشه آفریقایی و کوچ یک دسته از انسان ها. دی‌ان‌ای باستانی همچنین مسائلی را فاش خواهد کرد که ما هیچ راه دیگری برای دانستن آنها در دسترس نداریم.

پس از آنکه پابو و همکارانش دی‌ان‌ای چند استخوان کوچک و تعدادی دندان یافت شده در یک غار در کوه های آلتای در سیبری را استخراج کردند٬ یک گروه جدید از تبار انسان ها به نام دنیسووا کشف شدند. استرالیایی های بومی٬ ملانزی ها (اهالی ناحیه‌ای در کناره غربی اقیانوس آرام شرقی تا دریای آرافورا در شمال و شمال شرقی استرالیا) و برخی از اقوام آسیایی تا ۵ درصد دی‌ان‌ای دنیسووا را علاوه بر دی‌ان‌ای نئاندرتال ها دارند.

در یک بازه زمانی کوتاه اجداد ما در سراسر جهان زنجیره هایی تشکیل داده اند و رشد مجموعه ژنوم های آنها منجر به تولید ژنتیک جمعیتی جدیدی شده است. دی‌ان‌ای چه چیزی در مورد گذشته را نمی تواند به ما بگوید؟ این موضوع بستگی به اتفاق هایی دارد که در چند لحظه یا چند روز پس از مرگ فرد رخ می دهند.

اگر به هر دلیلی٬ سلول ها به سرعت خشک شوند٬ مثلا مرگ در غار یا صحرا اتفاق بیفتد یا جنازه منجمد یا مومیایی شود٬ آسیب های دی‌ان‌ای ممکن است پس از مرگ  متوقف شوند. اما امکان توالی دی‌ان‌ای از نمونه های یافت شده در رطوبت و آب و هوای استوایی تقریبا غیر ممکن است.

با وجود این که تنها بازمانده های پراکنده ای از دی‌ان‌ای به دست آمده اما همچنان می توان گذشته را کند و کاو کرد. یکی از ابهامات باقیمانده این است که چرا انسان های مدرن٬ برخلاف اقوام قدیمی اش٬ وقتی در سراسر دنیا پخش میشد بطور چشمگیری دست به نغییر دادن محیط اطراف خود زد؟ پابو باور دارد که جواب این سوال در ژنوم های باستانی نهفته است.

در حقیقت پابو با این پاسخ به طعنه بیان می کند که همچنان باید منتظر باشیم تا در خواندن ژنوم ها به مهارت های بیشتری دست یابیم. چرا که هنوز در مراحل اولیه درک عملکرد ژنوم انسان هستیم. و هنگامی که ما خودمان را بهتر بشناسیم می توانیم بفهمیم که دقیقا چه تشابه ها و تفاوت هایی با نئاندرتال ها داریم.