ارائه‌دهنده: دکتر محمدرضا اجتهادی (عضو هیئت علمی دانشکده‌ی فیزیک دانشگاه صنعتی شریف)

روز سه‌شنبه، 27 اسفندماه 1398، دومین جلسه‌ی آنلاین چای و فیزیک با حضور بیش از 80 نفر برگزار شد. دکتر اجتهادی بحث خود را از تکامل موجودی مانند دوچرخه، که از زمان تولدش تا امروز تنوع زیادی پیدا کرده است و ما انواع دوچرخه‌ها و اسکوترها را در اطرافمان می‌بینیم، آغاز کردند. و این شروعی بود برای درآمدی که ایشان از شالوده‌ی زیست‌شناسی، تکامل و بیوفیزیک در این جلسه‌ی چای و فیزیک ارائه کردند. در نهایت این بحث به ماهیت ویروس‌ها و البته ویروس کرونا ختم شد. در متن می‌توانید گزیده‌ای از توضیحات ارزشمند دکتر اجتهادی را بخوانید.

تکامل

با نگاه کردن همزمان به شیر، ببر، یوزپلنگ و گربه پی می‌بریم که قویاً احتمال می‌رود این گونه‌های مختلف ریشه‌ی مشترکی داشته باشند. داروین با نگاه دقیق به شباهت برخی گونه‌ها و البته فاصله‌ی زیاد ظاهری برخی خانواده‌های حیوانات طرحی درختوار برای شکل‌گیری، تقسیم و تکامل گونه‌ها ارائه کرد. این روابط را انسان در زبان هم می‌بیند، زبان پرتغالی با اسپانیایی نزدیکی بسیاری دارد در حالی که یک فرد پرتغالی به سختی می‌تواند با یک آلمانی‌زبان ارتباط برقرار کند. این روابط دور و نزدیک زبان‌ها نهایتاً به یک نمودار درختی، دقیقا همانند نمودار تکاملی گونه‌های زنده منجر می‌شود.

در مسئله‌ی حیات ریزمقیاس با چه اندازه هایی رو‌به‌رو هستیم؟

اتم‌ها در مولکول دی‌ان‌اِی: 0.2 نانومتر
مولکول‌های آلی و قطر دی‌ان‌اِی: 2 نانومتر
پروتئین‌ها: 5 تا 10 نانومتر
ویروس‌ها: 50 تا 100 نانومتر
باکتری‌ها: 1 میکرومتر
سلول‌های حیوانی: 10 میکرومتر

موجود زنده چیست؟

موجود زنده دو ویژگی مهم دارد: اول باید بتواند در جهت بقای خود تلاش کند؛ یعنی به دنبال غذا بگردد، نسبت به خطرات خارجی واکنش نشان دهد و خود را نجات دهد، همچنین این‌ها مستلزم داشتن ماشینی است که برنامه‌ی بقای هر موجود را به بهترین شکل اجرا کند. دوم قابلیت تولید مثل است. یک موجود زنده از سلول‌های خود حیات می‌گیرد. سلول کوچکترین المان زنده است. خود سلول از یک سری مولکول آلی، پروتئین‌ها و مولکول DNA که حاوی کد ژنتیکی منحصربه‌فرد هستند، درست شده. اما این اجزا وقتی کنار هم قرار می‌گیرند چه ویژگی اسرارآمیزی دارند که کارخانه‌ی‌ پیچیده‌ی سلول را تشکیل می دهند؟

جواب به نقشه و طرحی برمی‌گردد که بر اساس آن اجزای بی‌جان یک سلول گرد هم آمده‌اند. این نقشه ظریف و بی‌نقص است. تعداد بسیار زیادی مولکول به شکل خاصی در جای‌جای سلول قرار گرفته‌اند. تحلیل رفتار کارخانه شاید با نگاه‌کردن به تک‌تک این مولکول‌ها سخت باشد اما این ماشین پیچیده که اجزای بسیار زیادی دارد، در نهایت کاری مفید و حیاتی در یک ارگان از بدن جاندار انجام می‌دهد. سلول زنده است و در جهت بقا و تولید مثل کار انجام می‌دهد. البته این وظایف می‌توانند بین چند نوع سلول مختلف به‌طور هماهنگ تقسیم شوند. ماشین سلول انرژی مصرف می‌کند، به ماده‌ی کاتالیزور برای واکنش‌های شیمیایی درون خود احتیاج دارد، در جهت منافع خود کار انجام می‌دهد و مثل هر ماشین دیگری مقداری انرژی هدر می‌دهد. اگر اجزای یک سلول را بر اساس نقشه‌ی منحصربه‌فردش در آزمایشگاه بر هم سوار کنیم، محیط مناسب بقا و تولید مثل آن را به وجود بیاوریم و انرژی و ماده‌ی کاتالیزور را هم تأمین کنیم، این ماشین دقیقاً همان‌گونه که در بدن ماست کار خواهد کرد. در حال حاضر این کار از روی کپی‌برداری نقشه‌ی سلول که در مولکول‌هایی به اسم DNA ذخیره می‌شود توسط زیست شناسان انجام می شود، البته با نسخه‌برداری از یک سلول واقعی که نقشه‌ی فوق‌العاده‌ی خود را طی میلیون‌ها سال تکامل بدست آورده است.

آنتروپی و حیات

یک اکوسیستم شامل موجودات زنده، در جهت منظم‌شدن و یا حداقل در جهت حفظ نظم (آنتروپی) پیش می‌رود. از آن‌جایی که این سیستم همواره باید جریانی از انرژی را از بطن خود عبور دهد، در نگاه اول به نظر می‌رسد که این موضوع در تضاد با قانون دوم ترمودینامیک است. اما خواهیم دید که این‌طور نیست. ناحیه‌ای مناسب روی سیاره‌ی زمین -از کف اقیانوس‌ها تا حداکثر ارتفاعاتی که پرندگان زندگی می‌کنند- که دربردارنده‌ی حیات است را بیوسفر می‌نامند. بیوسفر از خورشید انرژی دریافت می‌کند و توسط موتورهایی که درون سلول‌های موجودات زنده هستند، نظم حیات موجودات را حفظ می‌کند. در نهایت انرژی به بیرون از زمین گسیل می‌شود و قابل بازیابی نیست. این جریان انرژی که از خورشید سرچشمه می‌گیرد و دوباره به اطراف پراکنده می‌شود برای حفظ حیات در بیوسفر ضروری است. در این قسمت کوچک غیرمنزوی از جهان آنتروپی کم می‌شود، اما آنتروپی کل جهان همچنان رو به افزایش است؛ پس در مجموع قانون دوم ترمودینامیک نقض نمی‌شود. بیوسفر مانند یک یخچال عمل می‌کند.

جهش یک گونه یا تقسیم یک گونه‌ی ریشه به چند نوع دیگر چگونه رخ می‌دهد؟

جهش‌ها عموماً تصادفی‌اند. جزئی از سلول بدن یک جاندار را در نظر بگیرید که به طور کاملاً تصادفی توسط یک عامل خارجی با جزئی دیگر عوض می‌شود. چقدر احتمال دارد این دستکاری تصادفی -بدون هیچ طرح کار شده‌ای- به طرزِ کارِ جدیدِ بی‌نقصی برای سلول بدل شود و قابلیت‌های تازه‌ای به آن اضافه کند؟ شانس بسیارکمی وجود دارد که این تغییرات تصادفی منجر به تکامل یک گونه شوند. پروسه‌ی تکامل به زمان بسیار زیادی -از مرتبه‌ی هزاران یا میلیون‌ها سال- نیاز دارد که از بین همه‌ی جاندارانِ یک گونه‌ی خاص که دستخوش اتفاقات تصادفی شده‌اند فقط در یکی جهشی مثبت رخ دهد. این تک جاندار باید غذای کافی پیدا کند و تولید مثل انجام دهد تا ژن جدید به نسل‌های بعدی منتقل شود. در حالت‌هایی که تکثیر انبوه باشد و منابع غذایی توسط گونه‌ی تکامل‌یافته اشغال شود، گونه‌ی قدیمی‌تر دچار انقراض می‌شود.

باکتری‌ها و ویروس‌ها:

باکتری‌ها یکی از انواع سلول‌های بیولوژیکی‌اند و از کوچکترین اقسام موجود زنده به شمار می‌روند که قابلیت بقا و تولید مثل دارند. دستور زندگی باکتری‌ها همانند هر سلول دیگری در DNAشان ذخیره می‌شود. باکتری‌ها سیستمی مستقل هستند که مسیر تکاملی پیچیده‌ترشدن را انتخاب کرده‌اند. ویروس‌ها اما موجوداتی نیمه‌زنده‌اند و مرز بین دنیای زنده و غیرزنده را مشخص می‌کنند. ویروس‌ها یک صندوقچه‌ی پروتئینی دارند که حاوی مولکول DNA ویروس است، اما هیچ ارگانی در ساختار ویروس وجود ندارد که دستور DNA را بگیرد و کار مربوطه را انجام دهد. دستور کارهایی که در ویروس‌ها هستند لزوماً اهمیت خاصی ندارند، اما اگر به یک سلول که حاوی تجهیزات لازم است داده شوند برنامه‌ی اصلی سلول را مختل می‌کنند؛ بنابراین حیات جانداری که توسط نقش‌های متفاوت و تکمیل‌کننده‌ی سلول‌هایش ادامه دارد به خطر می‌افتد.

درواقع ویروس‌ها انگل سلول‌های زنده یا باکتری‌ها هستند. آن‌ها به طریقی وارد بدن میزبان زنده می‌شوند و به آن دسته از سلول‌هایی که شکل مناسب برای اتصال را دارند می‌چسبند. این امکان وجود دارد که ویروس با پروتئین‌هایی که DNA اصلی سلول را بازتولید می‌کنند اختلاط کند و بخشی از آن را تغییر دهد. این DNAهای ناسالم دوباره در سلول تکثیر می‌شوند و درنهایت سلول از DNA ویروس اشباع می‌شود، از ماموریت اصلی خود خارج می شود و معمولاً اتفاقی که می‌افتد تخریب سلول به شکل انفجاری است. ویروس‌ها روی سلول‌های دیگر پخش می‌شوند و زیاد و زیادتر می‌شوند و سرانجام، اگر گلبول‌های سفید مقاومت کافی نداشته باشند -در بدترین حالت- ویروس‌ها می‌توانند یک ارگان حیاتی بدن میزبان را از بین ببرند. البته از آن‌جا که ویروس بدون سلول زنده حیاتی ندارد، دوست ندارد که میزبان را بکشد، زیرا با مرگ موجود زنده فعالیتِ ویروس هم متوقف می‌شود و قابلیت تکثیر نخواهد داشت.

معمولاً ویروس‌ها خیلی کشنده نیستند. اگر موجود از خطر مرگ جان سالم به در ببرد و به وضعیت عادی خود برگردد، به همراه دستکاری کوچکی که ویروس در ژن جاندار انجام داده، دیگر هیچوقت با همان ویروس یا ویروس‌های مشابه کشته نخواهد شد. ژن او به فرزندانش منتقل می‌شود و نسل‌های بعدی‌اش نیز در مقابل ویروس‌های تجربه‌شده محفاظت خواهند شد. احتمال زیادی وجود دارد که در شرایط مناسب برای ویروس، فرزندان دوباره به ویروس مبتلا شوند اما حتماً با آن کنار خواهند آمد و مشکل حادی به وجود نمی‌آید. پس به عبارتی برخی ویروس‌ها در پروسه‌ی تکامل موجودات نقش مثبت نیز ایفا کرده‌اند. حتماً تعدادی را ناخواسته کشته‌اند، ولی ژن غالبی که منتقل شده نوعی بوده که از ویروس نجات پیدا کرده و در مقابل آن و نمونه‌های مشابه ایمن است. «آنچه که آدمی را نکشد، او را قوی‌تر می‌کند!»

برخی نظریات تکاملی بیان می‌کنند که ویروس‌ها، که امروزه از باکتری‌ها حدوداً ده برابر کوچکترند، زمانی هم‌اندازه‌ی آن‌ها بوده‌اند و DNA کامل‌تری هم داشته‌اند، اما به مرور به باکتری‌ها وابسته‌تر شده‌اند و قسمت‌هایی از ساختارشان که ضرورتی نداشته‌اند و در باکتری‌ها موجود بوده‌اند را حذف کرده‌اند. و به همین ترتیب، مسیری تکاملی در جهت ساده‌ترشدن پیش گرفته‌اند، به عبارتی تصمیم گرفته‌اند انگل بهتری باشند تا یک ماشین مستقل؛ برخلاف باکتری‌ها که در طول زمان پیچیده‌تر و کامل‌تر شده‌اند.
در ادامه، دکتر اجتهادی به مسئله‌ی مرغ‌وتخم‌مرغ‌گونه‌ای در بحث مبداء حیات تک‌سلولی که با آن روبه‌رو هستیم اشاره کردند: می‌دانیم که حیات چگونه از شکل تک‌سلولی به امروز رسیده‌است، اما هنوز نظریه‌ای با مقبولیت عمومی راجع به اینکه اولین DNA چگونه شکل گرفته‌است نداریم! یک گمانه‌زنی انتقال حیات از بیرون زمین و توسط یک شهاب‌سنگ است. همچنین برخی تخمین‌ها نشان می‌دهند که مدت زمان لازم برای تکامل از صفر تا شکل کنونی، کمی از سن سیاره زمین بیشتر است، و این خود دلیلی است برای روی‌آوردن به نظریاتی که منشاء حیات را خارجی می‌پندارند. چیزی که مشخص است این است که هنوز تصویر کاملی از منشاء پیدایش حیات در دست نیست.

و اما… ویروس کرونا!

کروناویروس‌ نام خانواده‌ی خاصی از ویروس‌ها است که طیف وسیعی، از ویروس سرماخوردگی معمولی تا عامل بیماری‌های شدیدتر مثل سارس و کوویید19، را شامل می‌شوند. ساختار این‌گونه تقریباً مانند سایر ویروس‌ها شامل محفظه‌ای پروتئینی، مانند تصویر 1 که روی آن تاج‌هایی از جنس گلیکوپروتئین وجود دارد، است با این تفاوت که مانند تصویر 2 زائده‌ی کوچکی روی سطح آن قرار دارد که ویروس به وسیله‌ی آن نوکلئیک‌اسید خود را وارد سیتوپلاسم سلول میزبان می‌کند. این خانواده بیشتر در حیوانات دیده می‌شوند (مثلاً در بدن خفاش‌ها حدود 500 نوع کرونا ویروس وجود دارد) و تنها هفت گونه از آن‌ها با انسان مشترک‌اند که بیشتر دستگاه تنفسی بدن انسان را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

شکل 1                                                               شکل 2

ویروس کوویید19 مانند بقیه‌ی اعضای خانواده خود وارد سلول‌های دستگاه تنفسی میزبانش می‌شود و در حالت حاد منجر به نابودی تعداد زیادی از سلول‌های دستگاه تنفسی می‌گردد و روند اکسیژن‌رسانی را مختل می‌کند، مانند اتفاقی که هنگام غرق‌شدن رخ می‌دهد با این تفاوت که در فرآیند غرق‌شدن عاملی بیرونی مانع رسیدن اکسیژن می‌شود ولی در این بیماری سلول‌های دستگاه تنفسی کارآیی خود را از دست می‌دهند.
به‌طور کلی هنوز برای این ویروس درمان خاصی پیدا نشده‌است. بهترین راهِ موجود پیشگیری و جلوگیری از تماس با افراد مبتلاست. همچنین از آن‌جایی که بدن بعد از ابتلا به بیماری اقدام به تولید پادتن علیه ویروس می‌کند احتمال ابتلای دوباره‌ی افراد، حداقل در یک بازه‌ی زمانی کوتاه (کوتاه‌تر از زمانی که ویروس برای جهش نیاز دارد) کم است و بدن نسبت به ویروس مقاوم می‌شود. در حال حاضر هنوز واکسنی برای این ویروس در دسترس نیست، اما بسیاری از دانشمندان، پزشکان و شرکت‌های دارویی به دلیل شرایط خاص بیماری تمام توان خود را برای پیداکردن واکسن مناسب گذاشته‌اند.
در آخر هرچند پاندمی کرونا می‌تواند منجر به مرگ انسان‌های بسیار و تغییر خیلی از مناسبات بین‌انسانی شود، اما نهایتاً منجر به مقاوم‌تر شدن نسل انسان‌ها می‌شود…

نویسندگان: مهیار عباسی و فاطمه سلیمانی مقدم