چقدر زمان برای تکامل گونه‌های جدید لازم است؟

چارلز داروین از بینهایت شکل زیبای تکامل در طبیعت شگفت‌زده بود. به نظر می‌رسد زمین کنونی میزبان تقریباً ۱ تریلیون گونه است؛ اما چه مقدار طول کشید تا این گونه‌ها به تکامل برسند؟ به نقل از توماس اسمیت، استاد بوم‌شناسی و زیست تکاملی دانشگاه لوس‌آنجلس کالیفرنیا:

پاسخ به پرسش فوق براساس شکل‌های مختلف حیات متفاوت است و به معیارهایی مثل رده‌ی گونه و شرایط محیطی وابسته است.

گونه‌ها طیف‌های متنوعی را دربرمی‌گیرند که در مقیاس‌های زمانی انسانی تا ده‌ها میلیون سال پیش زندگی می‌کردند. ازآنجاکه تکامل به واسطه‌ی تغییرات موروثی، سرعت تولید مثل گونه یا زمان نسل رخ می‌دهد، سرعت شکل‌گیری گونه‌ها یا نرخ گونه‌زایی، محدود می‌شود. برای مثال، ازآنجاکه سرعت تولیدمثل باکتری‌ها بالا است و در هر چند دقیقه یا ساعت به دو قسمت تقسیم می‌شوند می‌توانند در طی چند سال یا حتی چند روز به گونه‌های جدید تکامل‌یافته تبدیل شوند.

بااین‌حال، شناسایی گونه‌های جدید باکتریایی کار دشواری است. درحالی‌که دانشمندان گونه‌ها را براساس قابلیت اصلاح نژادی (پیوند نژادهای مختلف با یکدیگر) توصیف می‌کنند، باکتری‌ها ازطریق آمیزش جنسی تکثیر نمی‌شوند. بااین‌حال براساس پژوهش سال ۲۰۰۸ در مجله‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences، رشته‌ی باکتری اشریشیا کلی (E. Coli) که از چند دهه‌ پیش شناسایی شد، برای استفاده از سیترات به‌عنوان منبعی غذایی در محیط اکسیژن‌دار به تکامل رسیده است. ازآنجاکه عدم توانایی تغذیه از سیترات یکی از ویژگی‌های گونه‌ی اشیریشیا کلی است، تغییر این روند نشان‌دهنده‌ی شکل‌گیری گونه‌ای جدید بود که در طی چند سال به تکامل رسید.

موانع جغرافیایی باعث شدند گونه‌های جدیدی مثل مارهای بوآ و پایتون در طی ده‌ها میلیون‌ سال شکل بگیرند که هر دو دارای جدی مشترک هستند. در این تصویر مار بوای درختی زمردی را مشاهده می‌کنید که یکی از گونه‌های بومی آمریکای جنوبی است.

گیاهان می‌توانند در پدیده‌ای موسوم به پلی پلوئیدی، ژنوم‌های کامل بذرهای خود را تکثیر کنند، این فرایند به تولید کپی‌هایی از هر کروموزوم و گونه‌های جدیدی در یک نسل می‌انجامد. جداسازی تولیدمثلیِ حاصل به‌صورت خودکار به شکل‌گیری گونه‌های جدید منجر می‌شود. ازآنجاکه بسیاری از گیاهان ازطریق خود تکثیر می‌شوند، ارگانسیم پلی پلوئید می‌تواند گونه‌های جدیدی را به وجود بیاورد. به نقل از دانشگاه سانتاباربارا در کالیفرنیا:

گیاهان اغلب خودبارورکننده هستند درنتیجه می‌توانند یک جمعیت کامل را به وجود بیاورند.

حتی در قلمروی حیوانات، گونه‌زایی می‌تواند در مقیاس‌های زمانی قابل رصد برای انسان رخ دهد. از این میان می‌توان به حشراتی با تولید نسل سریع اشاره کرد. برای مثال مگس‌های سیب (Rhagoletis pomonella) همیشه از گیاهان زالزالک تغذیه می‌کردند اما برخی از آن‌ها با ورود به شمال شرق ایالات متحده در اواسط سده‌ی ۱۸۰۰ میلادی به سیب‌ها روی آوردند. براساس پژوهش سال ۲۰۰۶ در مجله‌ی Annals of Entomological Society of America از آن زمان دو گونه‌ی مگس به صورت مجزا تولید مثل کردند و حالا به‌عنوان «نژادهای میزبان» شناخته می‌شوند که اولین گام در یک نوع گونه‌زایی بدون مانع فیزیکی است.

گونه‌زایی در مهره‌داران معمولاً با سرعت کندی رخ می‌دهد اما ممکن است در برخی شرایط با سرعت بالا اتفاق بیفتد. براساس پژوهش سال ۲۰۱۷ در مجله‌ی Science، سهره‌های گالاپاگوس که به جزیره‌ای جدید مهاجرت کردند و با یک پرنده‌ی بومی آمیزش کردند، رسته‌ای ایزوله و جدید را در سه نسل به وجود آوردند. این رسته بیشتر نشان‌دهنده‌ی آغاز گونه‌زایی بسیار سریعی ازطریق پیوند‌زنی گونه‌ها است تا انباشته‌سازی آهسته‌ی سازگاری‌ها. به عقیده‌ی لیف آندرسون یکی از مؤلفان این مقاله و متخصص ژنتیک دانشگاه اپسالا در سوئد:

این سناریوی احتمالی نشان می‌دهد گونه‌های جدید چگونه شکل می‌گیرند؛ اما اینکه گونه‌ها تا چه اندازه در بازه‌های طولانی زمانی دوام می‌آورند، مشخص نیست.

گونه‌های جدید ماهی سیکلید هر سال کشف می‌شوند.

محدودیت سرعت

ماهی‌های سیکلید در دریاچه‌ی ویکتوریای آفریقا رکورد سرعت گونه‌زایی کامل را از آن خود کردند. این ماهی‌ها در طی ۱۲ هزار سال گذشته و تنها از یک گونه‌ی بنیان‌گذار به ۳۰۰ گونه به تکامل رسیده‌اند. برخی‌ پژوهش‌ها به‌ویژه پژوهش سال ۲۰۰۰ در مجله‌ی Proceedings of the Royal Society B این سیر زمانی را زیر سؤال بردند اما گونه‌زایی سیکلید خارق‌العاده است.

برای پیدا کردن کران بالایی زمان‌های گونه‌زایی به گونه‌زایی حاصل از محدودیت‌های فیزیکی نگاه کنید. برای مثال مارهای بوآ که در آمریکا پیدا می‌شوند و مارهای پایتون که گونه‌های بومی آفریقا و آسیا هستند پس از جدا شدن آمریکای جنوبی از آفریقا از یکدیگر متمایز شدند. احتمالاً روند گونه‌زایی کامل پس از جدا شدن قاره‌ها، به اندازه‌ی ده‌ها تا صدها میلیون سال به طول انجامیده است. آخرین جد مشترک این مارها در حدود ۷۰ میلیون سال پیش در طول عصر دایناسورها زندگی می‌کرد درحالی‌که قاره‌های آفریقا و آمریکای جنوبی در حدود ۱۴۰ میلیون سال پیش از یکدیگر جدا شدند. تعیین زمان میانگین یا متداول‌ترین زمان گونه‌زایی دشوار است اما دانشمندان می‌توانند جدیدترین نیاکان را تخمین بزنند و ایده‌ای جدید بدهند. به گفته‌ی آندرسون:

در پرندگان و پستانداران می‌بینیم که تفکیک بین گونه‌های رشد یافته مانند میلیون‌ها سال پیش رخ می‌دهد.

پژوهش سال ۲۰۱۵ مجله‌ی Molecular Biology and Evolution تخمین دیگری را ارائه می‌دهد. پژوهشگرها با بررسی داده‌های بیش از ۵۰ هزار گونه (به‌ویژه باکتری‌ها) به این نتیجه رسیدند که گونه‌زایی مستلزم انباشته شدن جهش‌ها در بازه‌ای بیش از ۲ میلیون سال است. این مسئله در میان مهره‌داران، بندپایان یا آرتوپرودها (گونه‌ای شامل حشرات، تنندگان و سخت‌پوستان) و گیاهان صدق می‌کند. بااین‌حال پژوهشگرها هشدار می‌دهند، چنین مدل‌هایی مستلزم فرضیه‌های متعدد هستند. دانشمندان بیشتر متمرکز بر معیارهایی مثل فشارهای محیطی یا انزوای تولید مثلی هستند که سرعت گونه‌زایی را کاهش یا افزایش می‌دهند. اسمیت می‌گوید:

از میان تمام گونه‌ّها، هرچقدر فشار انتخابی بیشتر و جریان ژنی کمتر باشد، احتمال رسیدن به گونه‌زایی بیشتر است.