التطور التجريبي

دون قصد، أجرى البشر تجارب تطورية منذ أن بدأوا بتدجين النباتات والحيوانات. وقد أدى التكاثر الانتقائي للنباتات والحيوانات إلى ظهور أصناف تختلف اختلافًا جذريًا عن أسلافها البرية الأصلية. ومن الأمثلة على ذلك أصناف الملفوف والذرة ، أو العدد الكبير من سلالات الكلاب المختلفة. وقد أدرك تشارلز داروين قدرة التكاثر البشري على خلق أصناف ذات اختلافات كبيرة عن النوع الواحد . في الواقع، بدأ كتابه "أصل الأنواع" بفصل عن التباين في الحيوانات المدجنة، حيث ناقش داروين في هذا الفصل الحمام على وجه الخصوص.

يمكن اختيار ما لا يقل عن عشرين نوعًا من الحمام، وإذا عُرضت على عالم طيور، وأُخبر أنها طيور برية، فسيصنفها، في رأيي، كأنواع محددة بوضوح. علاوة على ذلك، لا أعتقد أن أي عالم طيور سيضع الحمام الإنجليزي، والحمام قصير الوجه، والحمام الصغير، والحمام البربري، والحمام المنتفخ، والحمام ذي الذيل المروحي في نفس الجنس؛ لا سيما وأن كل سلالة من هذه السلالات تضم عدة سلالات فرعية موروثة، أو أنواعًا كما قد يسميها. (...) أنا مقتنع تمامًا بصحة الرأي السائد بين علماء الطبيعة، وهو أن جميعها تنحدر من حمام الصخور ( كولومبا ليفيا )، بما في ذلك تحت هذا المصطلح عدة سلالات أو أنواع فرعية جغرافية، تختلف عن بعضها البعض في أدق التفاصيل.

كان ويليام دالينجر من أوائل من أجروا تجربة التطور المُتحكم به . ففي أواخر القرن التاسع عشر، قام باستزراع كائنات وحيدة الخلية صغيرة الحجم في حاضنة مصممة خصيصًا لهذا الغرض على مدى سبع سنوات (1880-1886). رفع دالينجر درجة حرارة الحاضنة تدريجيًا من 60  درجة فهرنهايت إلى 158  درجة فهرنهايت. وقد أظهرت المزارع الأولية علامات واضحة على التدهور عند درجة حرارة 73  درجة فهرنهايت، ومن المؤكد أنها لم تكن قادرة على البقاء على قيد الحياة عند 158  درجة فهرنهايت. أما الكائنات التي كانت في حاضنة دالينجر في نهاية التجربة، فقد كانت بصحة جيدة تمامًا عند 158  درجة فهرنهايت. ومع ذلك، لم تعد هذه الكائنات قادرة على النمو عند درجة الحرارة الأولية البالغة 60  درجة فهرنهايت. وخلص دالينجر إلى أنه وجد دليلًا على التكيف الدارويني في حاضنته، وأن الكائنات قد تكيفت للعيش في بيئة ذات درجة حرارة عالية. دُمّرت حاضنة دالينجر عن طريق الخطأ عام 1886، ولم يتمكن دالينجر من مواصلة هذا الخط البحثي. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

من ثمانينيات القرن التاسع عشر وحتى ثمانينيات القرن العشرين، مارس علماء الأحياء التطورية، بمن فيهم ثيودوسيوس دوبزانسكي ذو التأثير الكبير، التطور التجريبي بشكل متقطع . ومثل غيره من الأبحاث التجريبية في علم الأحياء التطوري خلال هذه الفترة، افتقرت معظم هذه الأعمال إلى التكرار الواسع النطاق، ونُفذت لفترات زمنية تطورية قصيرة نسبيًا. ^{[ 13 ]}

في خمسينيات القرن العشرين، أجرى عالم الأحياء السوفيتي جورجي شابوشنيكوف تجارب على حشرات المن من جنس ديسافيس . ومن خلال نقلها إلى نباتات غير مناسبة لها عادةً، أو غير مناسبة لها على الإطلاق، أجبر مجموعات من النسل البكري على التكيف مع مصدر الغذاء الجديد إلى درجة العزلة التناسلية عن المجموعات العادية من نفس النوع. ^{[ 23 ]}

كانت إحدى أوائل التجارب التي استخدمت هذه الاستراتيجية هي "التطور الإشعاعي" المختبري لسلالات ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوجاستر) ، والتي بدأها مايكل ر. روز في فبراير 1980. ^{[ 24 ]} بدأ هذا النظام بعشر سلالات، خمس منها تمت زراعتها في مراحل عمرية متأخرة، وخمس في مراحل عمرية مبكرة. ومنذ ذلك الحين، تم إنشاء أكثر من 200 سلالة مختلفة في هذا التطور الإشعاعي المختبري، مع استهداف الانتقاء لصفات متعددة. كما تم اختيار بعض هذه السلالات شديدة التمايز "بشكل عكسي"، عن طريق إعادة السلالات التجريبية إلى نظام زراعتها الأصلي. وقد عمل مئات الأشخاص مع هذه السلالات على مدى ما يقرب من ثلاثة عقود. ويلخص جزء كبير من هذا العمل في الأوراق البحثية المجمعة في كتاب " ذباب ميثوسيلا" . ^{[ 25 ]}

اقتصرت التجارب المبكرة على ذباب الفاكهة على دراسة الأنماط الظاهرية، لكن الآليات الجزيئية، أي التغيرات في الحمض النووي التي سهّلت هذه التغيرات، لم تكن قابلة للتحديد. تغير هذا الوضع مع ظهور تقنية علم الجينوم. ^{[ 26 ]} لاحقًا، صاغ توماس تيرنر مصطلح "التطور وإعادة التسلسل" (E&R) ^{[ 10 ]} ، واستخدمت عدة دراسات هذا النهج بنجاح متفاوت. ^{[ 27 ] [ 28 ]} من بين أكثر دراسات التطور التجريبي إثارة للاهتمام، تلك التي أجراها فريق غابرييل حداد في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، حيث قام حداد وزملاؤه بتطوير ذباب الفاكهة للتكيف مع بيئات منخفضة الأكسجين، والمعروفة أيضًا بنقص الأكسجين. ^{[ 29 ]} بعد 200 جيل، استخدموا نهج E&R لتحديد المناطق الجينومية التي تم اختيارها عن طريق الانتقاء الطبيعي في ذباب الفاكهة المتكيف مع نقص الأكسجين. ^{[ 30 ]} وتتابع التجارب الأحدث تنبؤات E&R باستخدام تقنية تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNAseq) ^{[ 31 ]} والتهجينات الوراثية. ^{[ 9 ]} ينبغي أن تكون هذه الجهود في الجمع بين E&R والتحقق التجريبي فعالة في تحديد الجينات التي تنظم التكيف في الذباب.

في الآونة الأخيرة، اتخذت التجارب على الذباب مساراً لمعالجة الآليات الجزيئية ^{[ 32 ] [ 33 ]} ، وقد يمهد ذلك الطريق لفهم فسيولوجيا الكائن الحي بشكل أفضل، وبالتالي إعادة تعريف علاجات الأمراض. ^{[ 34 ]}

تتميز العديد من أنواع الميكروبات بقصر دورة حياتها ، وسهولة تسلسل جينوماتها، وفهم بيولوجيتها جيدًا. ولذلك، تُستخدم بكثرة في دراسات التطور التجريبي. تشمل أنواع البكتيريا الأكثر شيوعًا في التطور التجريبي: الزائفة المتألقة ^{[ 35 ]} ، والزائفة الزنجارية ^{[ 36 ]} ، والمكورات المعوية البرازية ^{[ 37 ]} ، والإشريكية القولونية (انظر أدناه)، بينما استُخدمت خميرة الخباز كنموذج لدراسة تطور حقيقيات النوى ^{[ 38 ] .}

عزل بوسوتي وزملاؤه الأشكال اللا سوطية من طفيل الليشمانيا الدونوفانية ، وقاموا بزراعتها في المختبر لمدة 3800 جيل (36 أسبوعًا). أظهرت زراعة هذه الطفيليات كيف تكيفت مع ظروف الزراعة المختبرية من خلال تعويض فقدان كيناز مرتبط بـ NIMA ، وهو كيناز مهم لتقدم الانقسام الخلوي بشكل صحيح، وذلك بزيادة التعبير عن كيناز متماثل آخر مع تقدم أجيال الزراعة. علاوة على ذلك، لوحظ كيف تكيفت الليشمانيا الدونوفانية مع الزراعة المختبرية عن طريق تقليل التعبير عن 23 نسخة جينية مرتبطة بتكوين الأسواط ، وزيادة التعبير عن تجمعات البروتينات الريبوزومية والحمض النووي الريبوزي غير المشفر، مثل الحمض النووي الريبوزي النووي الصغير . تعتبر الطفيليات الأسواط أقل أهمية في الزراعة المختبرية، وبالتالي يؤدي تقدم الأجيال إلى التخلص منها، مما يوفر الطاقة نتيجة انخفاض الحركة، وبالتالي يرتفع معدل التكاثر والنمو في المزرعة. تؤدي جزيئات snoRNA المضخمة أيضًا إلى زيادة تخليق الريبوسومات، وزيادة تخليق البروتين، وبالتالي زيادة معدل نمو المزرعة. تخضع هذه التكيفات، التي لوحظت عبر أجيال من الطفيليات، لتغيرات عدد النسخ (CNV) والتفاعلات الجينية بين الجينات المتأثرة، مما يسمح لنا بتفسير عدم استقرار جينوم الليشمانيا من خلال تنظيمها للتعبير الجيني بعد النسخ. ^{[ 43 ]}

في عام ١٩٩٣، بدأ ثيودور جارلاند الابن وزملاؤه تجربة طويلة الأمد تتضمن التكاثر الانتقائي للفئران لزيادة مستويات نشاطها الطوعي على عجلات الجري. ^{[ ٤٤ ]} ولا تزال هذه التجربة مستمرة حتى اليوم (أكثر من ١٠٥ أجيال ). تطورت الفئران من سلالات "العداء السريع" الأربع المتكررة لتجري ما يقرب من ثلاثة أضعاف عدد دورات عجلة الجري يوميًا مقارنةً بسلالات الفئران الضابطة الأربع غير المنتقاة، ويعود ذلك أساسًا إلى سرعتها الأكبر من فئران الضابطة بدلًا من زيادة مدة الجري. مع ذلك، تطورت سلالات "العداء السريع" بطرق مختلفة نوعًا ما، حيث ركز بعضها على سرعة الجري مقابل مدته أو العكس، مما يُظهر "حلولًا متعددة" ^{[ ٤٥ ]} يبدو أنها تستند جزئيًا إلى خصائص عضلية متطورة. ^{[ ٤٦ ]}

تتمتع فئران HR بقدرة تحمل عالية في الجري ^{[ 47 ]} وقدرة هوائية قصوى ^{[ 48 ]} عند اختبارها على جهاز المشي الكهربائي. كما تُظهر تغيرات في الدافع ونظام المكافأة في الدماغ . وتشير الدراسات الدوائية إلى تغيرات في وظيفة الدوبامين ونظام الإندوكانابينويد ^{[ 49 ]} . وقد اقتُرحت سلالات High Runner كنموذج لدراسة اضطراب نقص الانتباه مع فرط النشاط ( ADHD ) لدى البشر، ويؤدي إعطاء الريتالين إلى خفض معدل جريها على العجلة إلى مستويات مماثلة تقريبًا لفئران المجموعة الضابطة [ ^{50 ] .}

في عام ٢٠٠٥، بدأ باويل كوتيا، بالتعاون مع إيديتا سادوفسكا وزملائهم من جامعة ياغيلونيا (بولندا)، عملية انتقاء متعددة الاتجاهات على قارض غير مخبريّ، وهو فأر الحقل Myodes (= Clethrionomys) glareolus . ^{[ ٥١ ]} تم انتقاء الفئران بناءً على ثلاث سمات مميزة، لعبت أدوارًا مهمة في التطور التكيفي للفقاريات الأرضية: معدل الأيض الهوائي الأقصى المرتفع، والميل للافتراس، والقدرة على التغذية على الأعشاب. تم انتقاء السلالات الهوائية بناءً على أعلى معدل لاستهلاك الأكسجين الذي تحققه أثناء السباحة عند درجة حرارة ٣٨ درجة مئوية؛ والسلالات المفترسة - لفترة قصيرة لاصطياد الصراصير الحية ؛ والسلالات العاشبة - لقدرتها على الحفاظ على كتلة الجسم عند تغذيتها بنظام غذائي منخفض الجودة "مخفف" بالعشب المجفف والمطحون. تم الاحتفاظ بأربع سلالات متكررة لكل اتجاه من اتجاهات الانتقاء الثلاثة، وأربع سلالات أخرى كضوابط غير منتقاة.

بعد ما يقارب عشرين جيلاً من التربية الانتقائية، طوّرت الفئران من السلالات الهوائية معدل أيض أعلى بنسبة 60% عند السباحة مقارنةً بالفئران من السلالات الضابطة غير المنتقاة. ورغم أن بروتوكول الانتقاء لا يفرض عبئًا على تنظيم الحرارة، فقد ازداد كل من معدل الأيض الأساسي والقدرة على توليد الحرارة في السلالات الهوائية. ^{[ 52 ] [ 53 ]} وبذلك، قدمت النتائج بعض الدعم لنموذج القدرة الهوائية لتطور التدفئة الداخلية في الثدييات.

أكثر من 85% من الفئران المفترسة تصطاد الصراصير، مقارنةً بنحو 15% فقط من فئران المجموعة الضابطة غير المنتقاة، كما أنها تصطاد الصراصير بسرعة أكبر. يرتبط ازدياد السلوك الافتراسي بأسلوب تكيف أكثر استباقية (" الشخصية "). ^{[ 54 ]}

خلال الاختبار الذي أُجري باستخدام نظام غذائي منخفض الجودة، فقدت فئران الحقل العاشبة ما يقارب 2 غرام أقل من كتلتها (حوالي 10% من كتلة الجسم الأصلية) مقارنةً بفئران المجموعة الضابطة. وقد لوحظ تغير في تركيبة الميكروبيوم البكتيري في أعور فئران الحقل العاشبة . ^{[ 55 ]} وبالتالي، أدى الانتقاء إلى تطور الميكروبيوم الكامل، وقد تُقدم هذه التجربة نموذجًا مخبريًا لتطور الجينوم الكامل .

يُتيح علم الأحياء التركيبي فرصًا فريدة للتطور التجريبي، مما يُسهّل تفسير التغيرات التطورية من خلال إدخال وحدات جينية في جينومات الكائنات المضيفة وتطبيق الانتقاء الذي يستهدف هذه الوحدات تحديدًا. تتحلل الدوائر البيولوجية التركيبية المُدخلة في جينوم بكتيريا الإشريكية القولونية ^{[ 56 ]} أو خميرة التبرعم ساكاروميسيس سيريفيسيا ^{[ 57 ]} (تفقد وظيفتها) أثناء التطور المختبري. وباستخدام الانتقاء المناسب، يُمكن دراسة الآليات الكامنة وراء استعادة الوظيفة البيولوجية المفقودة تطوريًا. ^{[ 58 ]} يكشف التطور التجريبي للخلايا الثديية التي تحمل دوائر جينية تركيبية ^{[ 59 ]} عن دور عدم تجانس الخلايا في تطور مقاومة الأدوية، مع ما يترتب على ذلك من آثار على مقاومة الخلايا السرطانية للعلاج الكيميائي .

في التطور التجريبي، تُعدّ مجموعات الضبط ضرورية لتمييز الاستجابات التطورية الخاصة بكل علاج عن التوزيع العام للنتائج المحتملة. على عكس التجارب البيولوجية التقليدية - حيث تُستخدم غالبًا مجموعة ضبط واحدة غير معالجة لاختبار فرضية صفرية محددة - فإن المسارات التطورية عشوائية بطبيعتها، وعادةً ما تتباعد خطوط الضبط المتكررة عن بعضها البعض. ونتيجةً لذلك، عادةً ما تكون هناك حاجة إلى مجموعات ضبط مستقلة متعددة لتوصيف مجموعة النتائج المتوقعة في غياب ضغط انتقائي معين. ^{[ 60 ]} يكتسب هذا التمييز أهمية خاصة في مجالات مثل تطور مقاومة مضادات الميكروبات وأدوية السرطان، حيث تُعدّ مقارنة المجموعات المعالجة بتوزيع واسع من النتائج التطورية غير المعالجة أمرًا أساسيًا لتفسير الاستجابات التكيفية (انظر أيضًا مقاومة الأدوية ).

أظهرت دراسات واسعة النطاق تباينًا كبيرًا بين مجموعات متكررة حتى في ظل ظروف متطابقة. فعلى سبيل المثال، بينت تجارب تطور الخميرة أنه بينما قد تشترك المجموعات في أنماط تكيف عامة، فإن الطفرات والمسارات المحددة المتضمنة غالبًا ما تختلف بشكل فردي بين المجموعات المتكررة، ^{[ 61 ]} وغالبًا ما يكون لذلك عواقب تطورية ثانوية مختلفة. ^{[ 62 ]} وبالمثل، كشفت تجارب التطور الميكروبي طويلة الأمد أن السلالات المتكررة غالبًا ما تتبع مسارات ظاهرية متوازية مع اختلافها في الطفرات الأساسية التي تُمكّن تلك التغييرات. ^{[ 63 ]}

نظرًا لأن مجموعات الضبط المتكررة قد تتباين بشكل كبير، فإن دورها لا يقتصر على توفير نتيجة أساسية متوقعة واحدة، بل يتعداه إلى تحديد توزيع المسارات التطورية الممكنة في ظل ظروف محايدة أو أساسية. وهذا يسمح للباحثين بتحديد ما إذا كانت نتائج الطفرات أو الأنماط الظاهرية أو اللياقة البدنية الملاحظة في مجموعات المعالجة قابلة للتمييز إحصائيًا عن التباين الطبيعي للعمليات التطورية.

يوجد من أسماك الشوكية أنواع بحرية وأخرى تعيش في المياه العذبة، وقد تطورت الأنواع التي تعيش في المياه العذبة منذ العصر الجليدي الأخير. وتستطيع الأنواع التي تعيش في المياه العذبة تحمل درجات حرارة منخفضة. أجرى العلماء اختبارات لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم محاكاة هذا التطور في تحمل البرد عن طريق إبقاء أسماك الشوكية البحرية في مياه عذبة باردة. وقد استغرقت أسماك الشوكية البحرية ثلاثة أجيال فقط لتتطور لتُضاهي التحسن في تحمل البرد بمقدار 2.5 درجة مئوية الموجود لدى أسماك الشوكية البرية التي تعيش في المياه العذبة. ^{[ 64 ]}

تم تطوير الخلايا الميكروبية ^{[ 65 ]} ومؤخراً الخلايا الثديية ^{[ 66 ]} في ظل ظروف نقص المغذيات لدراسة استجابتها الأيضية وهندسة الخلايا للحصول على خصائص مفيدة.