کشف تاریخچه پنهان DNA با سم کین

بررسی دوره

درون DNA هر گونه ای که تاکنون زیسته، داستان های بی پایانی نهفته است درباره ی خاستگاه ها، نیاکان، سرنوشت و بسیاری موارد دیگر. تا همین اواخر، این اسرار کاملاً دست نیافتنی بودند. اما با کمک فناوری های جدید، دانشمندان اکنون در حال خواندن تاریخ پنهان DNA هستند و به کشفیات شگفت انگیزی درباره ی گذشته ی ما دست یافته اند.

DNA نه تنها رازهایی درباره ی نیاکان و روند تکامل ما در طول زمان در خود دارد، بلکه سازوکارهای درونی تریلیون ها سلول بدن ما را نیز روشن می سازد. علاوه بر این، سرنخ هایی درباره ی آینده از ویژگی های احتمالی نسل های آینده گرفته تا میزان احتمال ابتلای ما به برخی بیماری ها ارائه می دهد.

دروازه ی ورود شما به این گنجینه ی اطلاعات، دوره ی "کشف تاریخچه پنهان DNA" است مجموعه ای شامل 12 درس آموزنده و قابل فهم که توسط سم کین، نویسنده ی پرفروش نیویورک تایمز، ارائه شده است. توضیحات دقیق و روان او درباره ی پدیده های علمی مورد تحسین رسانه هایی همچون NPR، بوستون گلوب، دیسکاور و اینترتینمنت ویکلی قرار گرفته است.

در طول این مجموعه درس ها، با حقایق شگفت انگیزی درباره ی ژنتیک انسان و فرآیندهای تکاملی آشنا خواهید شد، از جمله:

• خویشاوندان نئاندرتال ما: زمانی تصور می شد که نئاندرتال ها کاملاً منقرض شده اند، اما آن ها همچنان درون بسیاری از ما زندگی می کنند. درصدی از DNA افراد اروپایی، آسیایی و سایر گروه های غیرآفریقایی منشأ نئاندرتالی دارد، که نشان می دهد نئاندرتال ها در مقطعی از تاریخ با انسان های امروزی آمیزش داشته اند.
• انقلاب تولیدمثل: جفتی که در اغلب پستانداران از جمله انسان وجود دارد، ویژگی هایی مشترک با مواد ژنتیکی رتروویروس ها دارد. این موضوع نشان می دهد که میلیون ها سال پیش، آلودگی سلول های جنینی به این ویروس ها، نحوه ی تولیدمثل نخستین پستانداران را تغییر داده است.
• منشأ لباس: با مقایسه ی DNA گونه های مختلف شپش، دانشمندان دریافته اند که شپش بدن انسان که فقط در لباس زندگی می کند حدود 170 هزار سال پیش تکامل یافته است، احتمالاً به این دلیل که انسان ها در آن دوران پوشیدن پوست حیوانات را آغاز کرده بودند.

داستان های پرماجرای کشفیات بزرگ

بدون نیاز به پیش زمینه ی علمی، این درس های جذاب و دقیق، ویژگی های بنیادی DNA، روش هایی که رازهای آن را آشکار کرده اند و همچنین داستان های انسانی دانشمندانی را که این حوزه را پایه گذاری کردند، پوشش می دهد دانشمندانی که اغلب برنده ی جایزه ی نوبل شدند و گاهی هم بحث برانگیز ظاهر شدند.

همه چیز از اواسط قرن نوزدهم با دو کشف آغاز شد که تقریباً یک قرن بعد به هم پیوند خوردند. راهب اتریشی گرگور مندل، با مطالعه ی گیاهان نخودفرنگی، قوانین وراثت را کشف کرد و نشان داد که این قوانین تحت کنترل واحدهای مشخصی هستند که بعدها "ژن" نامیده شدند. هم زمان، فریدریش میشر، زیست شیمی دان سوئیسی، در حال مطالعه ی هسته ی سلول ها بود و ماده ای چسبناک را کشف کرد که بعدها دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) نام گرفت. در نهایت، پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که ژن ها روی ساختارهایی به نام کروموزوم قرار دارند که درون هسته ی سلول ها دیده می شوند. برخی از دانشمندان حدس می زدند که این ژن ها ممکن است ارتباطی با همان مولکول ناشناخته ی میشر داشته باشند، به خصوص زمانی که DNA درون کروموزوم ها یافت شد و اندازه ی واقعی آن مشخص شد.

از اواسط قرن بیستم، پژوهش ها با سرعتی چشمگیر پیش رفت، که در این مجموعه درس ها از طریق روایت هایی جذاب بررسی می شود، از جمله:

• زیست شناسی با یک مخلوط کن: برای شناسایی قطعی ماده ی ژنتیکی، آلفرد هرشی و مارتا چیس آزمایشی حیرت انگیز انجام دادند که شامل ویروس ها، عناصر رادیواکتیو و یک مخلوط کن آشپزخانه بود. یافته های آن ها در سال ۱۹۵۲ ثابت کرد که DNA بدون شک عامل اصلی وراثت است.
• رمزگشایی ساختار DNA: یکی از مشهورترین رقابت های علمی بین دانشمندانی برجسته همچون لینوس پاولینگ، روزالیند فرانکلین و موریس ویلکینز و یک تیم تازه کار متشکل از جیمز واتسون و فرانسیس کریک شکل گرفت. هدف: کشف ساختار DNA و راز عملکرد ژنتیکی آن.
• نقشه برداری از ژنوم: پس از پیشرفت های فراوان، جایزه ی بزرگ در آغاز قرن بیست و یکم، ثبت کامل رمز ژنتیکی انسان بود که شامل سه میلیارد جفت باز می شد. دو تیم به رهبری فرانسیس کالینز و کرگ ونتر با رقابتی نفس گیر در اوایل دهه ی 2000 به این هدف دست یافتند.

سم کین این داستان ها را با توصیفات فنی شفاف و دقتی مشابه یک رمان نویس در به تصویر کشیدن درام های انسانی روایت می کند. به عنوان مثال، در شرح روش CRISPR تکنیک ویرایش ژنتیکی که امروزه زیست شناسی و پزشکی را متحول کرده است شما را از یک مرداب نمکی در اسپانیا، به کارخانه ای نوآورانه در ویسکانسین، و سپس به آزمایشگاه های پیشرفته در سراسر جهان می برد، جایی که تحقیقات علمی بی طرفانه به یک رقابت پرمخاطره برای دستیابی به سودهای تجاری کلان تبدیل شده است.

جهش های خوش شانس و داستان های دیگر

DNA نه تنها ویژگی های بیولوژیکی ما را شکل می دهد، بلکه در فرهنگ انسانی نیز نقش دارد. این موضوع را می توان در درس ششم مشاهده کرد، جایی که سام کین به ماجرای جالبی اشاره می کند که عنوان کتاب پرفروش سال 2012 او، شست ویولونیست، از آن الهام گرفته شده است. شست موردنظر متعلق به نیکولو پاگانینی، ویولونیست نابغه ی قرن نوزدهم بود که می توانست انگشتانش را به شکل های خارق العاده ای خم کند. این انعطاف پذیری فوق العاده به او اجازه می داد که تکنیک هایی را اجرا کند که برای دیگر نوازندگان غیرممکن بود. پاگانینی تقریباً به طور قطع یک ناهنجاری ژنتیکی داشت که در بیشتر فعالیت های انسانی یک نقطه ضعف محسوب می شد، اما در دنیای موسیقی او را به یک اسطوره تبدیل کرد.

به همین ترتیب، جهش های ژنتیکی دیگری نیز وجود دارند که در زمان های خاصی به مزیت تکاملی تبدیل شده اند:

گوارش: توانایی تجزیه ی لاکتوز (قند شیر) در ابتدا فقط برای کودکان اهمیت داشت. اما با اهلی کردن حیوانات و دسترسی همیشگی به شیر، یک جهش ژنتیکی که به بزرگسالان اجازه ی هضم لاکتوز را می داد، در بین جوامع دامدار گسترش یافت، زیرا این توانایی یک برتری بقا محسوب می شد.

زبان: دانشمندان کشف کرده اند که در میان پستانداران، یک ژن خاص وجود دارد که جهش آن در انسان باعث نقص در مهارت های زبانی می شود. انسان ها نسخه ای کمی متفاوت از این ژن را نسبت به شامپانزه ها دارند، که نشان می دهد این ژن احتمالاً نقش کلیدی در تکامل زبان ایفا کرده است.

هوش: هوش انسان تحت تأثیر مجموعه ای از ژن های مختلف است. به عنوان مثال، چند میلیون سال پیش، یک تغییر جزئی در بخشی از DNA باعث کوچک تر شدن عضلات فک در انسان های اولیه شد. این تغییر باعث شد که جمجمه ی انسان نازک تر شود و در نتیجه فضای بیشتری برای رشد مغز فراهم شود.

علاوه بر این، باز کردن رمز و رازهای پنهان DNA شامل تحلیل DNA شخصیت های تاریخی نیز می شود. این تحلیل ها معماهای دیرینه را حل کرده اند، از جمله درباره ی "مرد چدار" نئولیتیک، فرعون توت عنخ آمون، چنگیزخان، ریچارد سوم پادشاه انگلستان، و حتی رؤسای جمهور آمریکا، توماس جفرسون و وارن هاردینگ.

در تمامی این موارد و بسیاری دیگر، مطالعه ی DNA دانشی را که زمانی غیرقابل دسترس و گمشده تصور می شد، در اختیار ما قرار داده است. اکنون، به لطف داده های ژنتیکی، نه تنها به درک عمیق تری از گذشته رسیده ایم، بلکه از ساختار مغز و کنجکاوی ذاتی خود برای کشف های آینده نیز پرده برداشته ایم.

درس ها

ژن ها در برابر DNA

تحقیقات شما از میانه ی قرن نوزدهم آغاز می شود، زمانی که ژن ها و DNA به صورت جداگانه کشف شدند، اما تقریباً یک قرن طول کشید تا مشخص شود که این دو با هم مرتبط هستند! گرگور مندل، راهب اتریشی، با آزمایش روی نخودفرنگی ها، واحدهای گسسته ی وراثت را کشف کرد که بعدها ژن نامیده شد. هم زمان، فریدریش میشر، زیست شیمی دان سوئیسی، ماده ای چسبناک را از هسته ی سلول ها استخراج کرد که بعدها DNA نام گرفت. در این درس، مسیر این کشفیات را تا قرن بیستم دنبال کنید، زمانی که کروموزوم ها کشف شدند و در نهایت این فرضیه شکل گرفت که ژن ها و DNA به هم مرتبط اند.

جستجو برای کشف ساختار DNA

به ماجرای جذاب کشف ساختار مولکولی ژن بپیوندید. یکی از آزمایش های مشهور این حوزه آزمایش مخلوط کن بود که نشان داد DNA، نه پروتئین ها، اطلاعات ژنتیکی را منتقل می کند. همچنین با پنج دانشمندی که برای کشف ساختار DNA رقابت می کردند، از جمله روزالیند فرانکلین و دو محقق تازه کار که ابتدا به طرز شرم آوری شکست خوردند جیمز واتسون آمریکایی و فرانسیس کریک انگلیسی آشنا شوید.

رمزگشایی از مارپیچ دوگانه

در این درس، رقابت برای کشف ساختار مارپیچ دوگانه ی DNA به اوج خود می رسد. درحالی که لینوس پاولینگ، شیمی دان برجسته، در صدر رقابت قرار داشت، واتسون و کریک با استفاده از داده های روزالیند فرانکلین (بدون اطلاع او) به سرنخ مهمی دست یافتند. در این میان، سیاست های جنگ سرد پاولینگ را عقب انداخت. این درس شما را با مسیر استدلال علمی واتسون و کریک تا رسیدن به کشف بزرگ سال 1953 همراه می کند و بررسی می کند که چرا فرانکلین نتوانست از آن ها پیشی بگیرد.

از رمزهای ژنتیکی تا اثر انگشت DNA

کشف ساختار مارپیچ دوگانه ی DNA فقط یک آغاز بود. در این درس، قدم بعدی یعنی چگونگی سنتز پروتئین توسط DNA از طریق RNA را بررسی کنید. اینجا هم یک محقق ناشناخته، مارشال نیرنبرگ، کشف اساسی را انجام داد. سپس ببینید که اثر انگشت DNA چگونه در دهه ی 1980 ممکن شد و به حل دو پرونده ی جنایی پیچیده کمک کرد.

جنگ بر سر ژنوم انسان

این درس شما را به پروژه ی ژنوم انسان، که به «پروژه ی منهتن DNA» معروف شد، می برد. دو تیم به سرپرستی فرانسیس کالینز و کریگ ونتر رقابتی شدید برای تعیین توالی سه میلیارد جفت باز DNA در انسان داشتند. این پروژه، که نیازمند فناوری های جدید و روش های بحث برانگیز بود، در نهایت در سال 2003 کامل شد.

چگونه DNA خودش را کنترل می کند و فرهنگ ما را شکل می دهد؟

پس از رمزگشایی از ژنوم انسان، پروژه ی ENCODE با هدف شناسایی عناصر عملکردی ژنوم آغاز شد. این درس به بررسی تأثیر DNA بر زبان انسان می پردازد و ژن FOXP2 را که به مهارت گفتاری مرتبط است، تحلیل می کند. همچنین به بررسی نقش جهش های ژنتیکی در افزایش توانایی های مغزی و شناختی می پردازید.

نقش میکروب ها و ویروس ها در ژن های ما

در بدن ما، میکروب ها نه تنها باعث بیماری می شوند، بلکه بسیاری از آن ها در DNA ما جای گرفته و تکامل را هدایت کرده اند. به عنوان مثال، جفت پستانداران به نظر می رسد که نتیجه ی یک ویروس مهاجم است که میلیون ها سال پیش در ژنوم ما ادغام شده است. شگفت زده خواهید شد که 8٪ از ژنوم انسان منشأ ویروسی دارد!

چگونه اپی ژنتیک ژن ها خاموش و روشن می شوند؟

چرا سلول های بدن ما با وجود داشتن DNA یکسان عملکرد متفاوتی دارند؟ این راز در اپی ژنتیک نهفته است، جایی که دنباله ی DNA ثابت می ماند اما فعالیت ژن ها تغییر می کند. حتی شگفت انگیزتر اینکه اپی ژنتیک توضیح می دهد که چگونه تجربیات محیطی مانند قحطی می توانند تأثیری بین نسلی داشته باشند.

انسان ها، میمون ها و نئاندرتال ها

پس از پروژه ی ژنوم انسان، دانشمندان توانستند ارتباط تکاملی ما با گونه های دیگر را ترسیم کنند. مهم ترین کشف این بود که انسان های مدرن و نئاندرتال ها در گذشته ی دور با هم آمیزش داشته اند و بخش کوچکی از DNA نئاندرتال ها هنوز در جمعیت های امروزی باقی مانده است.

چگونه DNA تاریخ را آشکار می کند؟

DNA به حل رازهای دیرینه ی تاریخ بشر کمک کرده است، از جمله منشأ انسان ها، آغاز استفاده از لباس، و گسترش انقلاب کشاورزی. همچنین بررسی کنید که چگونه DNA به حل معماهای مربوط به توت عنخ آمون، چنگیزخان، ریچارد سوم، توماس جفرسون و آبراهام لینکلن کمک کرده است.

صعود، وعده و خطرات CRISPR

به اولین فناوری مهندسی ژنتیک دقیق یعنی CRISPR بپردازید، ابزاری که توانایی تغییر DNA انسان را دارد. داستان CRISPR را از یک مرداب نمکی در اسپانیا تا آزمایشگاه های بیوتکنولوژی و نبردهای حقوقی بر سر پتنت ها دنبال کنید و بررسی کنید که چگونه این فناوری می تواند هم نجات دهنده باشد و هم خطرناک.

DNA پزشکی را چگونه متحول می کند؟

در این درس، به پایه ی ژنتیکی بیماری ها و امکان پزشکی شخصی سازی شده بر اساس DNA می پردازید. چالش های بزرگی به ویژه در مورد مکانیسم های ژنتیکی مختلف سرطان ها در این مسیر وجود دارد. همچنین درباره ی آینده ی اکتشافات DNA و پیشرفت های علمی پیش رو تأمل کنید.