درخت حیات

پخش جوهر در آب و ارتباطش با زیست‌شناسی!

یکی از موهبات علم‌ورزی در حوزه‌ای به نسبت کم‌سن و سال چون زیست‌شناسی تکاملی این است که انبوهی از ابزارها که در شاخه‌های ریش‌سپید علم چون فیزیک، به منظور توصیف پدیده‌ها به وجود آمدند، پیش روی شما قرار دارد. قاعدتا تمام ابزارها برای تبیین پدیده‌های زیستی، به ویژه فرآیندها و روندهای تکاملی، سودمند نخواهد بود و شاید حتی استفاده از برخی آنها شما را به کژراهی تاریک و پرسنگلاخ بکشاند. گاهی اما این ابزارها فرآیندهایی را توصیف می‌کند که شباهت باورنکردنی به موضوع مورد بررسی در تکامل داشته و حتی به انقلابی علمی می‌انجامد!

کد خبر: ۱۱۹۹۴۵۱

پخش جوهر یا هر مایع دیگری را در طبیعت می‌توان به صورت حرکت تصادفی «ذره‌های» جوهر تصور کرد. برای ساده‌ترشدن مسأله تصور کنید ذره‌های جوهر فقط می‌توانند به کف یا سطح ظرف حرکت کنند و در یک ثانیه هر ذره به اندازه‌ای ثابت جابه‌جا می‌شود (یعنی سرعت ذره‌ها ثابت در نظر گرفته می‌شود). اگر با یک سرنگ جوهر را در مرکز این ظرف خیالی تزریق کنیم، آنگاه برخی ذره‌ها برحسب تصادف به سوی سطح حرکت خواهند کرد و برخی به سمت کف ظرف؛ با توجه به این که در این ظرف خیالی فقط دو جهت حرکت برای یک ذره ممکن است، احتمال رفتن به بالا به اندازه احتمال رفتن به سمت ته ظرف خواهد بود. باتوجه به این که تعداد ذره‌ها در یک قطره جوهر بسیار زیاد است و نیمی از آنها به سمت بالای ظرف و نیمی دیگر به سمت پایین خواهند رفت، در نتیجه حرکت میانگین این ذره‌ها صفر خواهد بود. اما مسأله مورد علاقه ما نحوه جابه‌جایی هریک از ذره‌های جوهر و نه میانگین جابه‌جایی این ذره‌هاست. ضریب پخش در فیزیک نشان‌دهنده این آهنگ پخش است و مستقیما با تفاوت در میزان جابه‌جایی ذره‌ها نسبت به یکدیگر رابطه دارد. وقتی تفاوت در میزان جابه‌جایی ذره‌ها جوهر زیاد باشد، جوهر با آهنگ تندتری در ظرف پخش خواهد شد و برعکس.
شاید بعد از این توضیحات این پرسش در ذهن شما پیش بیاید که این ضریب پخش چه ارتباطی با زیست‌شناسی تکاملی دارد؟
یک جهش ژنتیکی در جمعیت را در نظر بگیرید که هیچ اثری بر شایستگی زیستی موجود حامل این جهش ندارد؛ یعنی تعداد زادگان فرد حامل این جهش‌ با فردی بدون این جهش، اما از هر منظر دیگر مشابه و یکسان خواهد بود. در اینجا دو سرنوشت برای جهش قابل تصور است:
1- فراوانی جهش برحسب تصادف در جمعیت زیاد می‌شود، تا جایی که در نهایت تمام اعضای جمعیت دارای این جهش خواهند بود (تثبیت).
2- حذف تصادفی جهش از جمعیت (انقراض).
همانند مثال ذره‌های جوهر در ظرف خیالی ما، تنها دو جهت حرکت برای جهش در جمعیت قابل تصور است: تثبیت در جمعیت (بالای ظرف) یا انقراض (ته ظرف). تفاوت در میزان تغییر در فراوانی جهش (همانند تفاوت در میزان جابجایی ذره‌های جوهر) با فراوانی آن جهش در جمعیت رابطه مستقیم و با اندازه جمعیت رابطه عکس دارد. این تفاوت را می‌توان در معادله ضریب پخشی که از فیزیک به عاریه می‌گیریم جایگذاری کرد و از معادله ضریب پخش به معادله پخش جهش‌های ژنتیکی می‌رسیم! در این تبدیل، هر ذره جوهر معادل فراوانی یک جهش خاص در یک جمعیت است؛ در برخی جمعیت‌ها، فراوانی جهش افزایش می‌یابد و در نهایت این جهش در جمعیت تثبیت می‌شود (در مدل پخش: ذره به سمت بالای ظرف می‌رود) و در برخی جمعیت‌ها فراوانی این جهش در نهایت صفر می‌شود و انقراض می‌یابد (در مدل پخش: ذره به ته ظرف می‌رود). آشکار است که در واقعیت، اثبات‌های ریاضی برای چنین کاری وجود دارد و صرفا بر معنای شباهت ظاهری نمی‌توان معادله‌ای از فیزیک را در زیست به کار بست.
بر این اساس می‌توان پیش‌بینی کرد جهش‌هایی که بر شایستگی زیستی اثری ندارند چگونه در جمعیت پخش می‌شوند. یکی از ویژگی‌های مدل‌های علمی توانایی پیش‌بینی، فرای توصیف‌های کلامی و تشبیهات است و این مدل ساده فیزیکی امکان پیش‌بینی و بررسی دقیق‌تر ژنتیک جمعیت‌های زیستی را می‌دهد.