چرا بيشتر موجودات زنده به دو جنس نر و ماده فرگشت يافتند

بيشتر جانوران و گياهان از دو جنس نر و ماده هستند. ما انسان‌ها نيز از دو جنس زن و مرد هستيم. بيش از ۹۹ درصد موجودات پرسلولي روي زمين دو جنس دارند. در عين حال، برخي از موجودات روي زمين تك‌جنسي هستند و به‌صورت توليد مثل غيرجنسي زادآوري مي‌كنند. چارلز داروين در سال ۱۸۶۲ گفته بود ما دليل دو جنس بودن بسياري از موجودات را هنوز نمي‌دانيم كه چرا فرزندان حاصل بايد از تركيب دو ماده‌‌ي جنسي متولد شوند؟ او مي‌گويد اين مسئله هنوز در هاله‌اي از ابهام است. كل هدف زندگي موجودات زنده‌‌اي كه نر و ماده دارند، توليد مثل جنسي است و براي اين منظور بايد جفت‌گيري كنند.

براي فهم بيشتر و روشن شدن سؤال اصلي اين مطلب بايد به مواردي مثل انواع توليد مثل جنسي، انتخاب جنسي و انتخاب طبيعي، عوامل بازدارنده‌ي توليد مثل گونه‌ها با يكديگر، فرگشت توليد مثل جنسي و كرومواخبار تخصصي‌هاي جنسي، بپردازيم. در ادامه با اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران همراه باشيد تا به مطالعه پاسخ سؤال يادشده بپردازيم. توليد مثل فرايندي زيست‌شناختي است كه در آن ارگانيسم‌هاي جديد و منفردي به‌وجود مي‌آيند. زادآوري از خصوصيت‌هاي اساسي تمام حيات است؛ هر ارگانيسمي كه وجود دارد نتيجه‌ي يك زادآوري است. روش‌هاي شناخته‌شده‌ي زادآوري را در دو گروه طبقه‌بندي مي‌كنند: توليد مثل جنسي و توليد مثل غيرجنسي.

توليد مثل جنسي به توليد مثلي كه براي توليد نسل جديد گونه‌ي مورد انديشه متخصصين، به بيش از يك جنس نياز باشد، مي‌گويند. مثلا توليد مثل در انسان‌ها در دسته‌ي توليد مثل جنسي قرار مي‌گيرد زيرا براي توليد نسل جديد به دو جنس نر و ماده نياز است. توليد مثل جنسي به‌وسيله‌ي سلول‌هاي جنسي يعني گامت نر و گامت ماده انجام مي‌گيرد و براي توليد مثل، بايد سلول‌هاي جنسي با هم تركيب شوند و چون توليد مثل جنسي در پستانداران به‌صورت لقاح داخلي است، تركيب گامت نر و ماده بايد در بدن جاندار ماده انجام پذيرد. 

انواع توليد مثل جنسي عبارت‌اند از: لقاح خارجي و لقاح داخلي. در لقاح خارجي، جانوران گامت‌هايشان را از بدن خارج مي‌كنند و گامت‌ها در بيرون از بدن والد خود لقاح مي‌كنند. اين نوع لقاح در ماهي‌ها، دوزيستان و بسياري از بي‌مهرگان آبزي و فقط در آب امكان‌پذير است. تعداد گامت‌هايي كه در لقاح خارجي توليد مي‌شود بسيار زياد است چون احتمال به هم رسيدن گامت‌ها در آب كم است براي همين والد ماده تخمك‌هاي بيشتري توليد مي‌كند تا احتمال لقاح بيشتر شود. در برخي جانوران آبزي و پستاندار مثل وال و دلفين و يك نوع كوسه‌ماهي، لقاح از نوع داخلي است.

نوع ديگر لقاح، لقاح داخلي است كه در آن لقاح اسپرم وارد بدن والد ماده مي‌شود و در بدن والد ماده، لقاح در خزندگان، پرندگان و پستانداران لقاح از نوع داخلي است. احتمال زنده ماندن نوزادان در لقاح داخلي بيشتر است چون درون بدن والد خود رشد مي‌كنند و محافظت و تغذيه مي‌شوند. سلول تخم در رحم شروع به رشد مي‌كند؛ رحم در بيشتر پستانداران وجود دارد. در رحم، خون جنين به واسطه‌ي بندناف با خون مادر مواد غذايي، اكسيژن و مواد دفعي را تبادل مي‌كند. ما معمولا عادت داريم در مورد خود يا گونه‌هاي اهلي (گاو و گوسفند) جنس را با نر و ماده بودن برابر بدانيم.

گياهان نيز داراي جنس هستند و حداقل مي‌دانيم كه گل‌ها داراي بخش‌هاي نر و ماده هستند. همه‌ي موجودات زنده داراي دو جنس نيستند و برخي از ساده‌ترين اشكال گياهان و جانوران ممكن است چند جنسي باشند. به‌عنوان مثال در يك نوع از تك‌سلول‌هاي مژكدار به نام پارامسي، هشت جنس يا هشت نوع جفت‌گيري وجود دارد كه همگي از انديشه متخصصين شكل ظاهري يكسان‌ هستند. حتي در جانداران پيچيده كه دو جنس وجود دارد نيز ممكن است اين دو جنس هر دو در يك نفر وجود داشته باشد. به اين نوع جانوران كه داراي هر دو اندام جنسي نر و ماده هستند اصطلاحا هرمافروديت گفته مي‌شود.

در توليد مثل غيرجنسي وقتي جاندار به مرحله‌ي معيني از رشد برسد مي‌تواند تكثير يابد و افراد جديدي را به وجود آورد. بسياري از موجودات زنده از جانداران ساده، مثل باكتري‌ها و تك‌سلولي‌ها تا بعضي از گياهان و جانوران به اين روش توليد مثل مي‌كنند. بسياري از جانداراني كه توليد مثل غيرجنسي مي‌كنند، توانايي توليد مثل جنسي نيز دارند و انتخاب روش توليد مثلشان به شرايط محيطي بستگي دارد. براي مثال گونه‌ي كوسه‌ي سرچكشي در نبود جنس نر، تنها كوسه‌ي ماده قادر به توليد مثل غيرجنسي خواهد بود. در برخي از حشرات، گياهان، بي‌مهرگان و حتي مهره‌داراني از دسته خزندگان، دوزيستان و پرندگان هم رايج است كه ماده يك تخم را بدون اسپرم جنس نر، توليد مي‌كند.

اگر سدي فيزيكي ميان افراد يك جمعيت قرار بگيرد كه باعث تقسيم يك جمعيت به دو جمعيت شود، به صورتي كه جمعيت‌هاي تازه تشكيل‌شده نتوانند با يكديگر توليد مثل كنند، انتخاب طبيعي بعد از هزاران سال ممكن است باعث شكل‌گيري و تقويت سدهاي جدايي توليد مثلي ميان اين دو جمعيت شود تا حدي كه اگر سد فيزيكي برداشته شود، اين دو جمعيت نتوانند باهم توليد مثل كنند. به اين‌گونه‌زايي، گونه‌زايي دگرميهني گفته مي‌شود. براي مثال در يك جمعيت موش‌ها اگر سدي فيزيكي مانند يك رود قرار گيرد، باعث مي‌شود موش‌ها به دو جمعيت تقسيم شوند كه هر جمعيت خزانه ژني خودش را داشته باشد و شارش و مبادله‌ي ژن ميان اين دو جمعيت صورت نگيرد.

حال فرض كنيم يك شكارچي كه در روز فعاليت مي‌كند در يك طرف رود قرار گيرد؛ فشار انتخاب طبيعي طي نسل‌هاي متوالي باعث مي‌شوند كه اين جمعيت موش‌ها بيشتر در شب فعاليت كنند. طي هزاران سال اگر اين رود خشك هم شود، چون سد توليد مثل زماني ميان اين دو جمعيت شكل گرفته است، اين دو جمعيت موش‌ها نمي‌توانند باهمديگر توليد مثل كنند. البته اين يك مثال انتزاعي و ساده بود و گونه‌زايي دگرميهني به وضوح و به فراواني مشاهده شده است. در گونه‌زايي هم‌ميهني نيازي به سد فيزيكي نيست. يكي از مكانيسم‌هايش، پلي‌پلوييدي يا دوبرابر شدن كوروموزم‌ها است كه بيشتر در گياهان اتفاق مي‌‌افتد. جدايي زيستگاهي و انتخاب جنسي نيز در اين نوع گونه‌زايي اثر دارند و ديده شده‌اند.

جدايي زيستگاهي: براي مثال دو گونه از مارهاي غيرسمي از جنس Thammophis در يك منطقه زندگي مي‌كنند اما زيستگاه يكي از اين دو گونه آب است و ديگري در خشكي زندگي مي‌كنند، پس عملا اعضا اين دو گونه نمي‌توانند باهم توليد مثل كنند.

جدايي زماني: براي مثال دو گونه راسوي خالدار شرقي در آمريكاي شمالي وجود دارد كه در يك زيستگاه مشترك زندگي مي‌كنند اما اعضا يك گونه در اواخر زمستان جفت‌گيري مي‌كند و اعضا گونه ديگر در اواخر تابستان جفت‌گيري مي‌كنند. پس اين دو گونه عملا هيچ وقت نمي‌توانند باهم توليد مثل كنند.

جدايي رفتاري: افراد هرگونه براي جفت‌يابي از خود رفتارهايي بروز مي‌دهند كه تفاوت اين رفتار‌ها حتي در گونه‌هاي خويشاوند سد بزرگي محسوب مي‌شود، براي مثال چكاوك شرقي و چكاوك غربي رنگ و شكل مشابهي دارند، اما رفتارهاي جذب جفت آن‌ها متفاوت است و در نتيجه نمي‌توانند با همديگر توليد مثل كنند و اين باعث مي‌شود خزانه‌ي ژني متفاوتي داشته باشند.

جدايي مكانيكي: تفاوت‌هاي ساختاري بدن اعضا گونه باعث مي‌شود آن‌ها نتوانند با گونه ديگري توليد مثل داشته باشند، براي مثال دو نوع حلزون وجود دارد كه يكي از آن‌ها پيچش پوسته‌اش در جهت عقربه‌هاي ساعت است و گونه ديگر در خلاف جهت عقربه‌هاي ساعت است كه باعث مي‌شود منافذ تناسلي آن‌ها برهم منطبق نشود، پس اين اعضا اين دو گونه حلزون باهم ديگر توليد مثل نمي‌كنند و خزانه ژني متفاوتي دارند.

اگرچه توليد مثل اغلب در راستاي زادآوري در گياهان و جانوران به كار مي‌رود، ولي اين مفهوم بنيادي‌تر از چيزي است كه در نگاه اول به انديشه متخصصين مي‌رسد. براي درك اين موضوع بايد به مبدا حيات برگشت. يكي از نخستين ويژگي‌هايي كه موجب پيدايش حيات شده است بايد توانايي واكنش‌هاي شيميايي در زمين اوليه در توليد كپي از خودشان، بوده باشد. توليد مثل در پايه‌اي‌ترين سطح درواقع بازتوليد شيميايي است. در طول فرگشت حيات، بايد سلول‌هايي با سطح فزاينده‌اي از پيچيدگي پديد آمده باشند. آنهايي كه به هر دليل قادر به توليد حداقل يك كپي موفق از خودشان نباشند ادامه نمي‌يابند.

در جانداران تك‌سلولي، توليد مثل يعني توانايي يك سلول در بازتوليد يك سلول جديد از خودش ولي در جانداران چندسلولي به‌معني رشد و باززايي است. يك راه هر موجود زنده براي توليدمثل اين است كه يك كپي همانند خودش بسازد. موجودات زنده‌اي كه به اين شكل توليد مثل غيرجنسي دارند قادر هستند با سرعت و به‌سادگي تكثير شوند. توليد مثل جنسي، بسيار پيچيده است؛ يك موجود زنده نه‌تنها بايد اسپرم يا تخمك توليد كند، بلكه او بايد يك فرد از جنس مخالف پيدا و معيارهاي انتخاب شريك را برآورده و سپس با موفقيت جفت‌گيري كند.

اينكه اين فوايد چه مي‌توانند باشند، به هر روي، همچنان موضوع گفتگوهاي مجامع علمي است. توليد مثل جنسي هزينه‌هاي ديگري هم دارد؛ يعني حتما يك تخم بايد بارور شود. درضمن تركيب كردن دو ژنوم مختلف نياز به فرايندي كاملا متفاوت از تقسيم شدن صرف دارد. توليد مثل جنسي همچنين بدين معني است كه هر والد تنها نيمي از ژن‌هايش را به فرزند منتقل مي‌كند. اين درحالي است كه در توليد مثل غير جنسي، والد فرزنداني به‌وجود مي‌آورد كه همه‌ي ژن‌هايش را به او منتقل مي‌كند و تقريبا كپي خودش هستند.

در نگاه اول به انديشه متخصصين مي‌رسد توليد مثل غير جنسي در دنيايي كه گفته مي‌شود ژن‌ها تماما در تلاش براي تضمين بقاي خود هستند، كارآمدتر است. انديشه متخصصينيه‌ها در مورد فرگشت جنسيت بايد توسط آزمون‌هاي تجربي بسيار اشكال اثبات شوند، پس درهاي پاسخ به اين موضوع همچنان به روي گمانه‌زني‌ها باز است. مشهورترين انديشه متخصصينيه در ميان زيست‌شناسان اين است كه توليد مثل جنسي اجازه‌ي نوتركيبي ژنتيكي را مي‌دهد. نوتركيبي ژنتيكي يعني:

• جهش‌هاي موفق و سودمند از نسل‌هاي مستقل مي‌توانند با هم تركيب شوند.
• جهش‌هاي موفق و سودمند مي‌توانند از جهش‌هاي مضر جدا شوند.
• ويژگي‌هاي ژنتيكي ناموفق مي‌توانند به‌سادگي از يك جمعيت موجود حذف شوند.

بدون توليد مثل جنسي، انتخاب طبيعي روي كل آرايش ژنتيكي يك ارگانيسم عمل مي‌كند، ولي با وجود توليد مثل جنسي، انتخاب طبيعي روي صفات ژنتيكي فرد عمل مي‌كند. با توليد مثل جنسي، شمار كمتري از فرزندان بهترين صفات ژنتيكي را از هر دوي پدر و مادر دريافت مي‌كنند. هر چند به انديشه متخصصين مي‌رسد انتخاب طبيعي در حذف تغييرات كمتر بسيار مؤثر است، به‌ويژه در شرايط طاقت‌فرساي وحشي و جنگلي، جايي كه تنها جزئي از فرزندان به سن توليد مثل مي‌رسند. 

توليد مثل جنسي به ارگانيسم‌ها كمك مي‌كند كه سريع‌تر فرگشت يابند، زيرا آن‌ها مي‌توانند با سرعت بيشتري به تغييرات شرايط سازگار شوند و در رقابت با تغييرات موفق‌تر باشند. سرعت رشد هر ارگانيسم وابسته به نرخ جهش‌هاي آن است. به هر حال، بيشتر جهش‌ها مضر هستند. بسيار به ندرت جهشي اتفاق مي‌افتد كه براي بقاي فرزند و توليد مثل او بيش از پدر و مادرش سودمند و موفقيت‌آميز باشد. با توليد مثل غيرجنسي، احتمال اينكه جهش‌هاي مضر انباشته شوند بيشتر است. بنابراين در توليد مثل غيرجنسي، انتخاب طبيعي عموما كمترين نرخ جهش را موجب مي‌شود.

از طرفي، با توليد مثل جنسي، جهش‌هاي سودمند مي‌توانند از جهش‌هاي مضر جدا شوند، و بنابراين دستگاه‌هاي تناسلي ارگانيسم‌هاي داراي توليد مثل جنسي مي‌توانند براي حفظ نرخ بالاي جهش رشد و نمو كنند. جمعيت‌هاي بزرگتر شانس بيشتري براي ظاهر شدن جهش‌هاي سودمند دارند، ولي براي ارگانيسم‌هاي توليد مثل غيرجنسي، زمان قابل توجهي نياز است تا اينكه جمعيت تغييرپذير به اندازۀ كافي رشد كند و شانسي براي ظاهر شدن دومين جهش سودمند به‌وجود آيد.

گونه‌اي كه توليد مثل غيرجنسي مي‌كند، لازم نيست وقت و انرژي زيادي براي تحت تأثير قرار دادن جنس مقابل صرف كند. آن‌ها صرفا رشد مي‌كنند و به دو نيم تقسيم مي‌شوند. اين را مقايسه كنيد با فرايند خطرناك و پرهزينه‌ي جذب جفت براي توليد مثل جنسي. هر چند باكتري‌ها به‌سادگي با دونيم‌شدن تكثير مي‌شوند، آن‌ها اغلب مواد ژنتيكي را هم مبادله مي‌كنند. معمولا توسط آزاد كردن بخش‌هاي كوچكي به نام پلاسميد كه مي‌توانند توسط باكتري مجاور جذب شوند اين كار انجام مي‌شود؛ در اين مسير، جهش‌هاي سودمند تقسيم مي‌شوند.

اين تصوير، پيدايش لقاح داخلي را در مهره‌دارن نشان مي‌دهد. نقاط زرد اندام‌هاي تناسلي موجودات را نشان مي‌دهد كه نقش انها انتقال اسپرم به ماده ازطريق آميزش جنسي است.

اين مي‌تواند احتمالا به‌عنوان پيش‌درآمد جنسيت در انديشه متخصصين گرفته شود. پس از ظهور گياهان و حيوانات در اقيانوس‌ها در ۶۰۰ ميليون سال پيش، تنها راه عملي براي اين چندسلولي‌هاي آبزي جديد براي توليد مثل، آزاد كردن دانه‌ها و تخم‌ها بود. سلول‌هايي كه شروع به تقسيم شدن كردند، به هم چسبيدند و هر بار كه تقسيم مي‌شدند تغيير مي‌كردند، تا اينكه درنهايت يك بالغ جديد تشكيل مي‌دادند. تنها زمان عملي براي پذيرش بالقو‌ه‌ي مواد ژنتيكي خارجي سودمند، پيش از شروع رشد تخم‌ها و دانه‌ها بود.

بسياري از گياهان و حيوانات دريايي امروزه گرده يا اسپرم در داخل آب آزاد مي‌كنند تا توسط دانه‌ها و تخم‌هاي نزديك (تا زماني‌كه آن‌ها بارور نشوند، شروع به رشد نخواهند كرد)، جذب شوند. هنگامي‌كه گياهان روي زمين پديدار شدند، گرده‌هاي آن‌ها يا توسط باد حمل مي‌شد يا به‌طور مستقيم توسط حشرات به تخم‌ها مي‌رسيد. در مورد اغلب حيوانات زميني و بسياري از حيوانات دريايي، اسپرم به‌طور بسيار كارآمدي با وارد شدن درون حفره‌اي در بدن كه حاوي تخمك‌ها است، تحويل داده مي‌شود. فرگشت عموما طرفدار هر جهشي است كه محرك پيدا كردن شريك جنسي را افزايش دهد.

در حالي‌كه موجودات ساده مانند حشرات از الگوهاي رفتاري برنامه‌ريزي‌شده پيروي مي‌كنند، حيوانات پيچيده‌تر مانند پستانداران داراي عصب‌هاي حساس در اندام‌هاي تناسلي خود هستند كه مركز لذت قدرتمندي را در مغزشان تحريك مي‌كند. يكي از معروف‌ترين انديشه متخصصينيه‌هاي جايگزين براي فرگشت جنسيت اين ايده است كه مي‌گويد توليد مثل جنسي گوناگوني ژنتيكي گسترده‌تري به‌وجود مي‌آورد. اين مورد به‌ويژه در محيط‌هايي كه به سرعت تغيير مي‌كنند اهميت دارد، جايي‌كه برخي از تغييرات ممكن است به خاطر شرايط جديد از بين بروند اما ديگر تغييرات ممكن است براي بقاي جاندار مناسب‌تر باشند.

تنها دليل اينكه چرا تنوع يك جمعيت غيرجنسي كمتر است اين است كه فرگشت، جمعيتي كه كمترين آهنگ جهش را داشته باشند انتخاب مي‌كند به اين منظور كه انباشت جهش‌هاي مضر را كاهش دهد. يكي از جنجالي‌ترين انديشه متخصصينيه‌هاي جايگزين، اين ايده است كه مي‌گويد مردها اساسا انگل هستند. توليد مثل جنسي زماني آغاز مي‌شود كه برخي اندام‌هاي انگلي مانند ويروس، شروع به تزريق مواد ژنتيكي خود به درون بدن يك ميزبان بي‌اطلاع به منظور استفاده از دستگاه توليدمثل او، مي‌كنند.

به‌دليل مواد ژنتيكي تقسيم‌شده و فوايد توليد مثل جنسي، در طول تاريخ فرگشت، انگل‌ها يك همزيستي با هم‌فرگشت را با ميزبان‌هاي خود به‌وجود مي‌آورند. از اين لحاظ، ممكن است مردها شبيه ميزبان‌هاي والدينشان باشند ولي آن‌ها همچنان اصولا انگل هستند. انديشه متخصصينيه‌هاي ديگري در مورد فرگشت توليد مثل جنسي وجود دارد، ولي بيشتر انديشه متخصصينيه‌هاي ديگر معمولا از انديشه متخصصينيه‌هاي منتشرشده و به‌سادگي قابل رد كردن هستند.

تاريخ كروموزم‌هاي جنسي XX در جنس ماده و XY در جنس نر  به اولين پستانداران برمي‌گردد، اما اين كرومواخبار تخصصي‌ها چگونه فرگشت يافتند و چطور مانند كرومواخبار تخصصي‌هاي امروزي شدند؟ درحالي‌كه كرومواخبار تخصصي Y، كرومواخبار تخصصي تعيين‌كننده‌ي جنسيت نر از توجه زيادي برخوردار است، يك زيست‌شناس روي كرومواخبار تخصصي X متمركز شد و دريافت كه داستان جالبي در پي كوچك شدن آن به Y وجود دارد.  در نخستين مطالعه‌ي تكاملي كرومواخبار تخصصي‌ مرتبط با جنس ماده، زيست‌شناس دوريس بچتراگ و همكارانش از دانشگاه كاليفرنيا، نشان دادند كه تاريخ كرومواخبار تخصصي X جالب‌تر از مقدار مطالعات صورت‌گرفته مربوط به كرومواخبار تخصصي Y در تعيين جنسيت نر بوده است و سرنخ‌هاي مهمي نسبت به منشا و مزاياي توليد مثل جنسي ارائه مي‌دهد. بچتراگ استاديار بيولوژي يكپارچه و عضو مركز دانشگاه بركلي مي‌گويد:

برخلاف انديشه متخصصينات سنتي با نقش منفعل، كرومواخبار تخصصي X نقش بسيار فعالي در روند تكاملي تمايز كرومواخبار تخصصي‌هاي جنسي داشته است.

بچتراگ از دانشگاه بركلي با همكار فوق دكتراي خود جفري‌ دي‌جنسن و ژي ژانگ اكنون در دانشگاه مونيخ، يافته‌هاي خود را در ژورنال زيست‌شناسي PLoS منتشر كردند. او مي‌گويد در اين مقاله، اولين تلنگر پازل تكامل كرومواخبار تخصصي جنسي را نشان داديم؛ كرومواخبار تخصصي X تحت دوره‌ي سازگاري شديد در روند تكاملي ايجاد بخش‌هاي جديدي از ژنوم نقش داشته است كه تمايز جنسي را در بسياري از گونه‌ها، از جمله خود ما تعيين كرده است. براي تعيين نر يا ماده بودن جنين، همه حيوانات و گياهان، ژن‌ها را به كار نمي‌برند.

براي مثال بسياري از خزندگان، به نشانه‌هاي محيطي مانند دما براي مشخص كردن جنس نر يا ماده تكيه مي‌كنند. به‌گفته‌ي بچتراگ، در موجودات زنده‌اي كه يك جفت از كرومواخبار تخصصي‌ها براي مشخص شدن جنسيت كنار گذاشته مي‌شود، از مگس‌هاي ميوه تا پستانداران و برخي از گياهان، دو كرومواخبار تخصصي X به ارث برده شده توسط جنس ماده، تقريبا مشابه كرومواخبار تخصصي‌هاي غير جنسي يكسان يا به اصطلاح اتواخبار تخصصي، هستند. بااين‌حال كرومواخبار تخصصي Y، كه توسط جنس نر با يك كرومواخبار تخصصي X به ارث برده مي‌شود، نسخه‌اي كوچك‌شده از كرومواخبار تخصصي X است و با از دست دادن بسياري از ژن‌ها تا زماني‌كه با كرومواخبار تخصصي X تركيب شود، متوقف مي‌گردد.

در پستانداران، كرومواخبار تخصصي‌هاي جنسي احتمالا حدود ۱۵۰ ميليون سال پيش ايجاد شدند درحالي‌كه در مگس ميوه‌ي دروسوفيلا ملانوگاستر (يك مگس آزمايشگاهي)، كرومواخبار تخصصي‌هاي جنسي به‌طور مستقل در حدود ۱۰۰ ميليون سال پيش به‌وجود آمدند. هم در انسان‌ها و هم در مگس‌هاي ميوه، كرومواخبار تخصصي Y از چند هزار ژن به چند ده ژن، كاهش يافته است. به همين دليل دانشمندان به‌دنبال اين هستند كه بدانند چرا و چگونه كرومواخبار تخصصي Y وقتي كه تعامل خود را با كرومواخبار تخصصي X متوقف كرد، ژن‌هايش را از دست داده است.

دانشمندان دريافتند به‌عنوان تنها جفت كرومواخبار تخصصيي كه نشكسته است و هر بار با تقسيم سلولي نوتركيب مي‌شود، جفت كرومواخبار تخصصي XY در جنس نر كه قادر به استفاده از راه اصلي جهش‌هاي ژنتيكي مخرب نيست، حذف مي‌شود. جفت كرومواخبار تخصصي XX در جنس ماده هم نوتركيب مي‌شود اما براي Y، تنها راه براي خلاص شدن از يك جهش بد در يك ژن، غيرفعال كردن يا حذف كل ژن است. به‌گفته‌ي پژوهشگران در طول ميليون‌ها سال، ژن‌هاي غيرفعال از دست رفتند و كرومواخبار تخصصي Y، اين چنين شكسته شده است. به‌گفته‌ي بچتراگ اگر شما هيچ نوتركيبي نداشته باشيد، انتخاب طبيعي در ازبين‌بردن ژن مضر، چندان مؤثر نيست.

كرومواخبار تخصصي Y يك كرومواخبار تخصصي غير جنسي است و بهاي نگه داشتن ژن‌هاي از دست‌رفته را مي‌پردازد. بچتراگ كه عمدتا حرفه‌اش حول مطالعه‌ي نابودي يا تغيير كرومواخبار تخصصي Y است، چند سال پيش تصميم گرفت تا روي كرومواخبار تخصصي X تمركز كند و در مورد جفت كرومواخبار تخصصي جنسي به كاوش بپردازد. او اهداف مقاله‌اش را حول مطالعه‌ي سه كرومواخبار تخصصي جنسي در مگس ميوه‌ي غربي نادر، مگس سركه‌ي ميراندا و پسرعموي تيره‌رنگ‌تري از مگس سركه به‌نام دروسوفيلا ملانوگاستر (Drosophila melanogaster) گذاشت.

اما سومين و جوانترين كرومواخبار تخصصي‌ متفاوت است. كرومواخبار تخصصي Y هنوز چين‌خورده نيست، هر چند شامل بسياري از ژن‌هاي غيرعملكردي است، اما حدود نيمي از كل آن درنهايت از دست خواهد رفت. درواقع كرومواخبار تخصصي X، كه لقب نئو-X را دارد، تغيير سريع داشته است. به‌گفته‌ي پژوهشگران در حدود ۱۰ برابر ميزان عادي در اتواخبار تخصصي، سازگاري ديده مي‌شود. بنابه مقاله‌ي بچتراگ، توالي ژن در كرومواخبار تخصصي X در حال ثابت شدن است درواقع جهش‌هاي تصادفي باعث چند تغيير مفيد در كرومواخبار تخصصي Y مي‌شود.

بين ۱۰ تا ۱۵ درصد از ژن‌هاي نئو-X در مقايسه با تنها ۱ تا ۳ درصد از ژن‌هاي غير جنسي اين سازگاري را نشان مي‌دهند. اين موضوع تعجب‌آور نيست، نئو-X با چالش بسيار بيشتري از اتواخبار تخصصي‌ها مواجه است زيرا كرومواخبار تخصصي Y آن در حال كوتاه شدن است. ژن‌هاي آن، ديگر پروتئين توليد نمي‌كنند، بنابراين نئو-X مجبور به جبران تنظيم ژن آن است. ما تعداد زيادي از ژن‌هاي دخيل در جبران دز را روي كرومواخبار تخصصي X شناسايي كرديم. 

يكي ديگر از تغييرات در نئو-X اين است كه گمان‌هاي بچتراگ در از بين رفتن ژن‌هايي كه براي جنس ماده مضر بوده، در حال وقوع است. زيست‌شناسان متوجه شدند كه برخي از ژن‌ها اثرات مخالفي در جنس نر و ماده دارند و تكامل، تقلاي جنگ بين ژن‌هاي كنار گذاشته‌اي از جنس نر است كه تنها براي جنس ماده مضر بوده است تا سبب شود آن‌ها عقب‌نشيني كنند و بالعكس. يك مكان خوب براي قرار دادن ژن‌هاي متضاد جنسي كه در يك جنس مفيد است اما براي ديگري مضر است، در كرومواخبار تخصصي جنسي قرار دارد. كرومواخبار تخصصي Y، هميشه در جنس نر به پايان مي‌رسد، طوري كه ژن‌ها روي كرومواخبار تخصصي Y روي جنس ماده تأثيري ندارد.

او اميدوار است كه اين مگس تبديل به يك مدل مطالعاتي همانند مگس ملانوگاستر دروسوفيلا، شود. او گفت درنهايت ما به مطالعه‌ي مدل‌هايي مانند مگس ميراندا دروسوفيلا پرداختيم كه چند سال پيش به آن نمي‌توانستيم فكر كنيم و پيش‌بيني مي‌كنيم كه تمام مقايسه‌هاي ژنوم، مي‌تواند زيست‌شناسي تكاملي، محيط زيست و بسياري از رشته‌هاي ديگر را متحول سازد. اين پژوهش‌ها توسط مؤسسه‌ي ملي بهداشت، دانشكده پژوهشي آلفرد پي اسلوان در بخش مولكولي و زيست‌شناسي محاسباتي و بنياد ديويد و لوسيل پاكارد ارائه شد. اين پژوهش در ژورنال PLoS Biology منتشر شده است.

چرا در توليد مثل جنسي فقط يك جنس قادر به فرزندآوري است؟ چرا نرها وجود دارند؟ چون نيمي از جمعيت نمي‌توانند فرزند‌آوري كنند و اين يك زيان بزرگ به حساب مي‌آيد. در مطلب، داروين، تكامل و انتخاب طبيعي، به‌طور مفصل در مورد انتخاب طبيعي پرداختيم. اما نوعي ديگر از انتخاب نيز در كار است كه مكمل و درواقع، زيرمجموعه‌ي انتخاب طبيعي است. چارلز داروين، جنبه‌هاي بقا و توليد مثل را از يكديگر تفكيك كرده است و خصايصي را كه منجر به جفت‌گزيني موفق مي‌شوند، به انتخاب جنسي مربوط مي‌دانست كه اين در تمايز با انتخاب طبيعي بود.

اما امروزه، انتخاب طبيعي معناي وسيعي دارد كه هر دو جنبه را شامل مي‌شود يعني حفظ خصايصي كه به هر شيوه‌ي ممكن، براي رسيدن ژن‌هاي ارگانيسم به نسل بعد، سازنده هستند. انتخاب جنسي، نمي‌تواند مستقل از انتخاب طبيعي عمل كند. اين انتخاب طبيعي است كه تعيين مي‌كند كه هر يك از دو جنس يك‌گونه، چه صفاتي را بايد در جنس مقابل خود موردتوجه قرار دهد تا موفقيت توليدمثلي خود را به حداكثر برساند. افراد هر جنس، نمي‌توانند بدون درانديشه متخصصينگرفتن چالش‌هايي كه انتخاب طبيعي پيش پاي آن‌ها گذاشته است، اقدام به عمل بر مبناي ترجيحات خود كنند.

در انتخاب بين‌جنسي، اعضاي يك جنس، صفاتي را در جنس ديگر ترجيح مي‌دهند كه در طي فرگشت، منجر به افزايش ميزان آن صفت در جمعيت آن جنس و ترجيح آن صفت در جنس ترجيح‌دهنده خواهد شد. در نوع ديگري از انتخاب جنسي كه انتخاب درون جنسي نام دارد، اعضاي يك جنس بر سر به دست آوردن جنس مقابل يا منابعي كه به دست آوردن جنس مقابل را تسهيل مي‌كند، باهم ديگر رقابت مي‌كنند. اغلب بين انتخاب درون‌جنسي و برون‌جنسي نيز، ارتباط وجود دارد. 

انتخاب طبيعي، انتخاب جنسي را در جهت‌هاي معيني سوق مي‌دهد زيرا هر جنس، براي اينكه زادآوري و توليدمثل موفق داشته باشد، نمي‌تواند به الزامات انتخاب طبيعي، بي‌توجه بماند. حال اين سؤال مطرح است كه چه زماني توليد مثل جنسي فرگشت پيدا كرد؟ كدام موجودات زنده توليد مثل جنسي كردند؟ تاريخچه‌ي تكامل توليد مثل جنسي در ماهي باستاني به‌نام مايكروبراكيوس ديكي (Microbrachius dicki) پنهان شده است (شكل بالا). مايكروبراكيوس ديكي اولين موجود شناخته‌شده‌اي است كه توليدمثل به شيوه‌ي تخم‌ريزي را متوقف كرد و به‌جاي آن، به جفت‌گيري با آميزش جنسي روي آورد.

اين ماهي در حدود ۳۸۵ ميليون سال پيش در درياچه‌اي زندگي مي‌كرد كه در سرزمين اسكاتلند كنوني قرار داشت. اين ماهي عضو بااخبار تخصصيانندي دارد و از زمان پيدا شدن آن جزو مباحث مورد مباحثه دانشمندان بوده است. اما يافته‌هاي جديد نشان مي‌دهد احتمالا اين ماهي‌ها هنگام آميزش جنسي بازوهاي همديگر را مي‌گرفتند. مايكروبراكيوس ديكي از رده ماهي‌هاي استخواني بوده و حدود ۸ سانتي‌متر طول داشته است. پژوهشگران در مطالعه‌هاي فسيل اين ماهي به عضوي «L شكل» رسيدند كه مطالعات بيشتر نشان داد اين عضو، اندام جنسي ماهي‌هاي نر بوده است.

 اولين مهره‌داراني كه ازطريق لقاح داخلي توليد مثل مي‌كردند، همين ماهي‌ها بودند. لقاح داخلي درست همان كاري است كه ما انسان‌ها انجام مي‌دهيم. اين ماهي‌ها جزو اولين گونه‌هايي بودند كه جنس نر و ماده‌ي آن‌ها از انديشه متخصصين ظاهري تفاوت داشتند. اين تفاوت ظاهري به دوديسي جنسي مشهور است. اكثر ماهي‌ها امروزي با آزاد كردن تخم‌ها و اسپرم‌هاي خود در آب، توليد مثل مي‌كنند.. پژوهشگران هنوز دليل وجود لقاح داخلي اين موجودات را نمي‌دانند. اما اين ماهي اولين جانداري بود كه توليد مثل جنسي را انجام داد و ما آن را به شكل امروزي مي‌بينيم.

به‌دليل محيط خشن و متغير جلبك B. pubescens، باعث شد به توانايي توليد مثل جنسي برسد. به انديشه متخصصين مي‌رسد از صدها ميليون سال پيش كه شرايط محيطي مثل اكسيژن و كربن دچار نوساناتي شد، فسيل‌هاي اين جلبك‌ها ظاهر شدند. در آن زمان توليد مثل جنسي براي فرگشت موجودات زنده‌ي پرسلولي ضروري بوده است. اينكه چه ارتباطي بين توليد مثل جنسي، پرسلولي بودن، اكسيژن‌زايي و چرخه‌ي كربن وجود دارد هنوز مشخص نيست. اما اين رخدادها ارتباط نزديكي با يكديگر دارند و با مطالعه‌ي اين صخره‌ها مي‌توان پي به راز به‌وجود آمدن وجودات پرسلولي برد. اين پژوهش در ژورنال نيچر منتشر شده است.

كوتاه شدن كروموزم Y

كرومواخبار تخصصي Y به‌نوعي نماد مردانگي است اما در حال نقش باختن و ضعيف شدن است. اگرچه اين كرومواخبار تخصصي، ژن SRY، تعيين‌كننده‌ي جنسيت پسر يا دختر را درون خود دارد اما ژن‌هاي خاص ديگري روي آن نيست و تنها كرومواخبار تخصصيي است كه براي زندگي الزامي نيست. از سوي ديگر، زنان بدون اين كرومواخبار تخصصي هيچ اشكالي پيدا نخواهند كرد. SRY در نزديكي ناحيه‌ي اتواخبار تخصصيي كاذب بازوي كوتاه كرومواخبار تخصصي Y قرار گرفته است و پروتئيني حاوي ۲۴۰ آمينواسيد را كد مي‌كند. ژن‌ها بدون اين كروموزم هم راحت زندگي مي‌كنند.

كروموزم Y به‌سرعت در حال از بين رفتن است. ژن‌ها با دو كروموزم X كه كاملا سالم هستند، باقي مي‌مانند درحالي‌كه مردان با يك كروموزم X و يك كروموزم Y نامناسب، با اشكال مواجه مي‌شوند. اگر نرخ از بين رفتن كروموزم Y به همين روال ادامه پيدا كند، كروموزم فوق ۴/۶ ميليون سال ديگر كاملا از بين خواهد رفت. اين زمان شايد خيلي طولاني به‌ انديشه متخصصين برسد؛ ولي وقتي عمر حيات روي زمين را مطالعه مي‌كنيم (۳/۵ ميليارد سال) چنين زماني چندان طولاني نيست. كروموزم Y هميشه به اين شكل نبوده است. اگر به ۱۶۶ ميليون سال پيش و زمان اولين پستانداران برگرديم، داستان كاملا متفاوت مي‌شود.

كروموزم اوليه‌ي Y، درابتدا به‌اندازه‌ كروموزم‌ X بود و تمامي ژن‌هاي يكسان با آن را در بر داشت. اما كروموزم Y يك نقص اساسي دارد؛ كروموزم Y برخلاف ساير كروموزم‌ها كه دو نسخه در هر سلول دارند، تنها يك نسخه دارد كه از پدران به پسران منتقل مي‌شود. اين بدين معنا است كه ژن‌هاي موجود در كروموزم Y نمي‌توانند نوتركيبي ژنتيكي انجام دهند؛ نوتركيبي ژنتيكي عبارت است‌ از آميختن ژن‌هاي هر نسل براي كمك‌ به حذف جهش‌هاي ژنتيكي مضر. ژن‌هاي كروموزم Y كه از مزاياي نوتركيبي محروم هستند، باگذشت زمان از بين مي‌ٰروند و درنهايت از ژنوم حذف خواهند شد.

با وجود اين اشكالات، پژوهش‌ها نشان مي‌دهند كه كروموزم Y درحال توسعه‌ي مكانيزم‌هاي متقاعد‌كننده‌اي براي كند كردن نرخ از‌ دست دادن ژن‌ها تا حد ممكن است. به‌عنوان مثال، در مطالعه‌اي كه در ژورنال Plos Genetics شد، بخش توالي كروموزم Y از ۶۲ مرد مختلف نشان داد كه اين امر مستلزم تغييرات ساختاري در مقياس بزرگ است و امكان تقويت ژن (دريافت نسخه‌هاي متعدد از ژن‌هايي كه عملكرد اسپرم سالم را تقويت مي‌كنند و مقدار از‌ دست رفتن ژن را كاهش مي‌دهند) را فراهم مي‌كند.

ژن‌هاي تقويت‌شده، نقشي اساسي در توليد اسپرم و تنظيم نسبت جنسيت فرزندان، حداقل در جوندگان، بازي مي‌كنند. پژوهشگران اخيرا با انتشار مقاله‌اي در ژورنال Molecular Biology And Evolution شواهدي نشان دادند مبني بر اينكه اين افزايش كپي‌ ژن در تعدادي از موش‌ها، نتيجه‌ي انتخاب طبيعي است. جامعه‌ي علمي در پاسخ به سؤالي در مورد اينكه آيا كروموزم Y در آينده‌ ناپديد خواهد شد يا خير، به‌ دو دسته موافقان و مخالفان تبديل شده است. مخالفان معتقدند كه مكانيزم‌ دفاعي كروموزم Y كارهاي مهمي انجام مي‌دهد و كروموزم Y را نجات خواهد داد. اما موافقان معتقدند كه اين مكانيزم دفاعي تنها براي مدت كوتاه جواب خواهد داد و سرانجام كروموزم Y از بين خواهد رفت.

جني گريوز، يكي از موافقان نابودي كروموزم Y از دانشگاه لاتروب استراليا، ادعا مي‌كند كه اگر به اين موضوع در طولاني‌مدت نگاه كنيم، كروموزم Y قطعا نابود خواهد شد؛ حتي اگر زمان اين نابود شدن كمي بيشتر از حد انتظار طول بكشد. او در مقاله‌اي در سال ۲۰۱۶ مي‌گويد كه موش‌هاي صحرايي ژاپني و ول‌حفار‌ها به‌طور كامل كروموزم Y خودشان را از دست داده‌اند و معتقد است كه روند توليد يا از بين رفتن ژن‌ها در كروموزم Y قطعا اشكالاتي در باروري به‌وجود مي‌آورد. اين امر نهايتا موجب تشكيل گونه‌هاي كاملا جديد مي‌شود. 

حتي اگر كروموزم Y در انسان‌ها ناپديد شود، لاخبار تخصصيا به اين معنا نيست كه مردان به پايان راه خود مي‌ٰرسند. حتي در گونه‌هايي كه كروموزم Y خود را به‌طور كامل ازدست داده‌اند، وجود نرها و ماده‌ها، براي توليد مثل ضروري است. در اين موارد، ژن SRY كه مسئول مشخص كردن مرد شدن جنين بود به كروموزم ديگري وارد مي‌شود؛ به اين معنا كه اين‌گونه بدون نياز به كروموزم Y جنسيت نر توليد مي‌كند. اما اين كروموزم جديد كه SRY قرار است به آن برود، بازهم به‌ دليل عدم نوتركيبي كه قبلا موجب از بين رفتن كروموزم Y شده بود، شروع‌ به از بين رفتن مي‌كند.

نكته‌ي جالب توجه درمورد گونه‌ي انسان‌ها اين است كه با وجود ضروري بودن كروموزم Y براي توليد مثل، بسياري از اين ژن‌هايي كه اين كروموزم در خود دارد، اصلا براي توليد مثل ضروري نيستند؛ بدين معنا كه مهندسي ژنتيك ممكن است در آينده‌اي نزديك بتواند چيزي را جايگزين عملكرد ژن‌ها در كروموزم Y كند و به زوج‌هاي هم‌جنس زن يا مردان نابارور اجازه‌ي باروري دهد. البته حتي اگر اين روش باروري براي همه ممكن شود، بعيد به‌ انديشه متخصصين مي‌رسد كه انسان‌هاي بارور توليد مثل طبيعي را متوقف كنند.

اگرچه اين موضوع بسيار جالب و يكي از مباحثه‌هاي جديد اين روز‌هاي پژوهش‌هاي دنياي ژنتيك است، جاي نگراني زيادي وجود ندارد. ما حتي نمي‌دانيم كه اصلا كروموزم Y ناپديد خواهد شد يا خير و حتي اگر چنين چيزي رخ دهد، به‌احتمال زياد هنوز هم به جنس مرد براي ادامه روند توليد مثل عادي نياز خواهد بود. درواقع اين ايده‌ي سيستم جزوه رايگان مزرعه‌‌ي حيوانات كه تعداد كمي‌ از مردان خوش‌شانس براي تبديل شدن به پدر اكثر جامعه بچه‌ها شانس دارند، مطرح نيست و ۴/۶ ميليون سال ديگر، نكات حائز اهميت ديگري وجود خواهند داشت.