چرا بیشتر موجودات زنده به دو جنس نر و ماده فرگشت یافتند

بیشتر جانوران و گیاهان از دو جنس نر و ماده هستند. ما انسان‌ها نیز از دو جنس زن و مرد هستیم. بیش از ۹۹ درصد موجودات پرسلولی روی زمین دو جنس دارند. در عین حال، برخی از موجودات روی زمین تک‌جنسی هستند و به‌صورت تولید مثل غیرجنسی زادآوری می‌کنند. چارلز داروین در سال ۱۸۶۲ گفته بود ما دلیل دو جنس بودن بسیاری از موجودات را هنوز نمی‌دانیم که چرا فرزندان حاصل باید از ترکیب دو ماده‌‌ی جنسی متولد شوند؟ او می‌گوید این مسئله هنوز در هاله‌ای از ابهام است. کل هدف زندگی موجودات زنده‌‌ای که نر و ماده دارند، تولید مثل جنسی است و برای این منظور باید جفت‌گیری کنند.

برای فهم بیشتر و روشن شدن سؤال اصلی این مطلب باید به مواردی مثل انواع تولید مثل جنسی، انتخاب جنسی و انتخاب طبیعی، عوامل بازدارنده‌ی تولید مثل گونه‌ها با یکدیگر، فرگشت تولید مثل جنسی و کروموزوم‌های جنسی، بپردازیم. در ادامه با زومیت همراه باشید تا به بررسی پاسخ سؤال یادشده بپردازیم. تولید مثل فرایندی زیست‌شناختی است که در آن ارگانیسم‌های جدید و منفردی به‌وجود می‌آیند. زادآوری از خصوصیت‌های اساسی تمام حیات است؛ هر ارگانیسمی که وجود دارد نتیجه‌ی یک زادآوری است. روش‌های شناخته‌شده‌ی زادآوری را در دو گروه طبقه‌بندی می‌کنند: تولید مثل جنسی و تولید مثل غیرجنسی.

تولید مثل جنسی به تولید مثلی که برای تولید نسل جدید گونه‌ی مورد نظر، به بیش از یک جنس نیاز باشد، می‌گویند. مثلا تولید مثل در انسان‌ها در دسته‌ی تولید مثل جنسی قرار می‌گیرد زیرا برای تولید نسل جدید به دو جنس نر و ماده نیاز است. تولید مثل جنسی به‌وسیله‌ی سلول‌های جنسی یعنی گامت نر و گامت ماده انجام می‌گیرد و برای تولید مثل، باید سلول‌های جنسی با هم ترکیب شوند و چون تولید مثل جنسی در پستانداران به‌صورت لقاح داخلی است، ترکیب گامت نر و ماده باید در بدن جاندار ماده انجام پذیرد. 

انواع تولید مثل جنسی عبارت‌اند از: لقاح خارجی و لقاح داخلی. در لقاح خارجی، جانوران گامت‌هایشان را از بدن خارج می‌کنند و گامت‌ها در بیرون از بدن والد خود لقاح می‌کنند. این نوع لقاح در ماهی‌ها، دوزیستان و بسیاری از بی‌مهرگان آبزی و فقط در آب امکان‌پذیر است. تعداد گامت‌هایی که در لقاح خارجی تولید می‌شود بسیار زیاد است چون احتمال به هم رسیدن گامت‌ها در آب کم است برای همین والد ماده تخمک‌های بیشتری تولید می‌کند تا احتمال لقاح بیشتر شود. در برخی جانوران آبزی و پستاندار مثل وال و دلفین و یک نوع کوسه‌ماهی، لقاح از نوع داخلی است.

نوع دیگر لقاح، لقاح داخلی است که در آن لقاح اسپرم وارد بدن والد ماده می‌شود و در بدن والد ماده، لقاح انجام می‌شود. در خزندگان، پرندگان و پستانداران لقاح از نوع داخلی است. احتمال زنده ماندن نوزادان در لقاح داخلی بیشتر است چون درون بدن والد خود رشد می‌کنند و محافظت و تغذیه می‌شوند. سلول تخم در رحم شروع به رشد می‌کند؛ رحم در بیشتر پستانداران وجود دارد. در رحم، خون جنین به واسطه‌ی بندناف با خون مادر مواد غذایی، اکسیژن و مواد دفعی را تبادل می‌کند. ما معمولا عادت داریم در مورد خود یا گونه‌های اهلی (گاو و گوسفند) جنس را با نر و ماده بودن برابر بدانیم.

گیاهان نیز دارای جنس هستند و حداقل می‌دانیم که گل‌ها دارای بخش‌های نر و ماده هستند. همه‌ی موجودات زنده دارای دو جنس نیستند و برخی از ساده‌ترین اشکال گیاهان و جانوران ممکن است چند جنسی باشند. به‌عنوان مثال در یک نوع از تک‌سلول‌های مژکدار به نام پارامسی، هشت جنس یا هشت نوع جفت‌گیری وجود دارد که همگی از نظر شکل ظاهری یکسان‌ هستند. حتی در جانداران پیچیده که دو جنس وجود دارد نیز ممکن است این دو جنس هر دو در یک نفر وجود داشته باشد. به این نوع جانوران که دارای هر دو اندام جنسی نر و ماده هستند اصطلاحا هرمافرودیت گفته می‌شود.

در تولید مثل غیرجنسی وقتی جاندار به مرحله‌ی معینی از رشد برسد می‌تواند تکثیر یابد و افراد جدیدی را به وجود آورد. بسیاری از موجودات زنده از جانداران ساده، مثل باکتری‌ها و تک‌سلولی‌ها تا بعضی از گیاهان و جانوران به این روش تولید مثل می‌کنند. بسیاری از جاندارانی که تولید مثل غیرجنسی می‌کنند، توانایی تولید مثل جنسی نیز دارند و انتخاب روش تولید مثلشان به شرایط محیطی بستگی دارد. برای مثال گونه‌ی کوسه‌ی سرچکشی در نبود جنس نر، تنها کوسه‌ی ماده قادر به تولید مثل غیرجنسی خواهد بود. در برخی از حشرات، گیاهان، بی‌مهرگان و حتی مهره‌دارانی از دسته خزندگان، دوزیستان و پرندگان هم رایج است که ماده یک تخم را بدون اسپرم جنس نر، تولید می‌کند.

اگر سدی فیزیکی میان افراد یک جمعیت قرار بگیرد که باعث تقسیم یک جمعیت به دو جمعیت شود، به صورتی که جمعیت‌های تازه تشکیل‌شده نتوانند با یکدیگر تولید مثل کنند، انتخاب طبیعی بعد از هزاران سال ممکن است باعث شکل‌گیری و تقویت سدهای جدایی تولید مثلی میان این دو جمعیت شود تا حدی که اگر سد فیزیکی برداشته شود، این دو جمعیت نتوانند باهم تولید مثل کنند. به این‌گونه‌زایی، گونه‌زایی دگرمیهنی گفته می‌شود. برای مثال در یک جمعیت موش‌ها اگر سدی فیزیکی مانند یک رود قرار گیرد، باعث می‌شود موش‌ها به دو جمعیت تقسیم شوند که هر جمعیت خزانه ژنی خودش را داشته باشد و شارش و مبادله‌ی ژن میان این دو جمعیت صورت نگیرد.

حال فرض کنیم یک شکارچی که در روز فعالیت می‌کند در یک طرف رود قرار گیرد؛ فشار انتخاب طبیعی طی نسل‌های متوالی باعث می‌شوند که این جمعیت موش‌ها بیشتر در شب فعالیت کنند. طی هزاران سال اگر این رود خشک هم شود، چون سد تولید مثل زمانی میان این دو جمعیت شکل گرفته است، این دو جمعیت موش‌ها نمی‌توانند باهمدیگر تولید مثل کنند. البته این یک مثال انتزاعی و ساده بود و گونه‌زایی دگرمیهنی به وضوح و به فراوانی مشاهده شده است. در گونه‌زایی هم‌میهنی نیازی به سد فیزیکی نیست. یکی از مکانیسم‌هایش، پلی‌پلوییدی یا دوبرابر شدن کوروموزم‌ها است که بیشتر در گیاهان اتفاق می‌‌افتد. جدایی زیستگاهی و انتخاب جنسی نیز در این نوع گونه‌زایی اثر دارند و دیده شده‌اند.

جدایی زیستگاهی: برای مثال دو گونه از مارهای غیرسمی از جنس Thammophis در یک منطقه زندگی می‌کنند اما زیستگاه یکی از این دو گونه آب است و دیگری در خشکی زندگی می‌کنند، پس عملا اعضا این دو گونه نمی‌توانند باهم تولید مثل کنند.

جدایی زمانی: برای مثال دو گونه راسوی خالدار شرقی در آمریکای شمالی وجود دارد که در یک زیستگاه مشترک زندگی می‌کنند اما اعضا یک گونه در اواخر زمستان جفت‌گیری می‌کند و اعضا گونه دیگر در اواخر تابستان جفت‌گیری می‌کنند. پس این دو گونه عملا هیچ وقت نمی‌توانند باهم تولید مثل کنند.

جدایی رفتاری: افراد هرگونه برای جفت‌یابی از خود رفتارهایی بروز می‌دهند که تفاوت این رفتار‌ها حتی در گونه‌های خویشاوند سد بزرگی محسوب می‌شود، برای مثال چکاوک شرقی و چکاوک غربی رنگ و شکل مشابهی دارند، اما رفتارهای جذب جفت آن‌ها متفاوت است و در نتیجه نمی‌توانند با همدیگر تولید مثل کنند و این باعث می‌شود خزانه‌ی ژنی متفاوتی داشته باشند.

جدایی مکانیکی: تفاوت‌های ساختاری بدن اعضا گونه باعث می‌شود آن‌ها نتوانند با گونه دیگری تولید مثل داشته باشند، برای مثال دو نوع حلزون وجود دارد که یکی از آن‌ها پیچش پوسته‌اش در جهت عقربه‌های ساعت است و گونه دیگر در خلاف جهت عقربه‌های ساعت است که باعث می‌شود منافذ تناسلی آن‌ها برهم منطبق نشود، پس این اعضا این دو گونه حلزون باهم دیگر تولید مثل نمی‌کنند و خزانه ژنی متفاوتی دارند.

اگرچه تولید مثل اغلب در راستای زادآوری در گیاهان و جانوران به کار می‌رود، ولی این مفهوم بنیادی‌تر از چیزی است که در نگاه اول به نظر می‌رسد. برای درک این موضوع باید به مبدا حیات برگشت. یکی از نخستین ویژگی‌هایی که موجب پیدایش حیات شده است باید توانایی واکنش‌های شیمیایی در زمین اولیه در تولید کپی از خودشان، بوده باشد. تولید مثل در پایه‌ای‌ترین سطح درواقع بازتولید شیمیایی است. در طول فرگشت حیات، باید سلول‌هایی با سطح فزاینده‌ای از پیچیدگی پدید آمده باشند. آنهایی که به هر دلیل قادر به تولید حداقل یک کپی موفق از خودشان نباشند ادامه نمی‌یابند.

در جانداران تک‌سلولی، تولید مثل یعنی توانایی یک سلول در بازتولید یک سلول جدید از خودش ولی در جانداران چندسلولی به‌معنی رشد و باززایی است. یک راه هر موجود زنده برای تولیدمثل این است که یک کپی همانند خودش بسازد. موجودات زنده‌ای که به این شکل تولید مثل غیرجنسی دارند قادر هستند با سرعت و به‌سادگی تکثیر شوند. تولید مثل جنسی، بسیار پیچیده است؛ یک موجود زنده نه‌تنها باید اسپرم یا تخمک تولید کند، بلکه او باید یک فرد از جنس مخالف پیدا و معیارهای انتخاب شریک را برآورده و سپس با موفقیت جفت‌گیری کند.

اینکه این فواید چه می‌توانند باشند، به هر روی، همچنان موضوع گفتگوهای مجامع علمی است. تولید مثل جنسی هزینه‌های دیگری هم دارد؛ یعنی حتما یک تخم باید بارور شود. درضمن ترکیب کردن دو ژنوم مختلف نیاز به فرایندی کاملا متفاوت از تقسیم شدن صرف دارد. تولید مثل جنسی همچنین بدین معنی است که هر والد تنها نیمی از ژن‌هایش را به فرزند منتقل می‌کند. این درحالی است که در تولید مثل غیر جنسی، والد فرزندانی به‌وجود می‌آورد که همه‌ی ژن‌هایش را به او منتقل می‌کند و تقریبا کپی خودش هستند.

در نگاه اول به نظر می‌رسد تولید مثل غیر جنسی در دنیایی که گفته می‌شود ژن‌ها تماما در تلاش برای تضمین بقای خود هستند، کارآمدتر است. نظریه‌ها در مورد فرگشت جنسیت باید توسط آزمون‌های تجربی بسیار مشکل اثبات شوند، پس درهای پاسخ به این موضوع همچنان به روی گمانه‌زنی‌ها باز است. مشهورترین نظریه در میان زیست‌شناسان این است که تولید مثل جنسی اجازه‌ی نوترکیبی ژنتیکی را می‌دهد. نوترکیبی ژنتیکی یعنی:

• جهش‌های موفق و سودمند از نسل‌های مستقل می‌توانند با هم ترکیب شوند.
• جهش‌های موفق و سودمند می‌توانند از جهش‌های مضر جدا شوند.
• ویژگی‌های ژنتیکی ناموفق می‌توانند به‌سادگی از یک جمعیت موجود حذف شوند.

بدون تولید مثل جنسی، انتخاب طبیعی روی کل آرایش ژنتیکی یک ارگانیسم عمل می‌کند، ولی با وجود تولید مثل جنسی، انتخاب طبیعی روی صفات ژنتیکی فرد عمل می‌کند. با تولید مثل جنسی، شمار کمتری از فرزندان بهترین صفات ژنتیکی را از هر دوی پدر و مادر دریافت می‌کنند. هر چند به نظر می‌رسد انتخاب طبیعی در حذف تغییرات کمتر بسیار مؤثر است، به‌ویژه در شرایط طاقت‌فرسای وحشی و جنگلی، جایی که تنها جزئی از فرزندان به سن تولید مثل می‌رسند. 

تولید مثل جنسی به ارگانیسم‌ها کمک می‌کند که سریع‌تر فرگشت یابند، زیرا آن‌ها می‌توانند با سرعت بیشتری به تغییرات شرایط سازگار شوند و در رقابت با تغییرات موفق‌تر باشند. سرعت رشد هر ارگانیسم وابسته به نرخ جهش‌های آن است. به هر حال، بیشتر جهش‌ها مضر هستند. بسیار به ندرت جهشی اتفاق می‌افتد که برای بقای فرزند و تولید مثل او بیش از پدر و مادرش سودمند و موفقیت‌آمیز باشد. با تولید مثل غیرجنسی، احتمال اینکه جهش‌های مضر انباشته شوند بیشتر است. بنابراین در تولید مثل غیرجنسی، انتخاب طبیعی عموما کمترین نرخ جهش را موجب می‌شود.

از طرفی، با تولید مثل جنسی، جهش‌های سودمند می‌توانند از جهش‌های مضر جدا شوند، و بنابراین دستگاه‌های تناسلی ارگانیسم‌های دارای تولید مثل جنسی می‌توانند برای حفظ نرخ بالای جهش رشد و نمو کنند. جمعیت‌های بزرگتر شانس بیشتری برای ظاهر شدن جهش‌های سودمند دارند، ولی برای ارگانیسم‌های تولید مثل غیرجنسی، زمان قابل توجهی نیاز است تا اینکه جمعیت تغییرپذیر به اندازۀ کافی رشد کند و شانسی برای ظاهر شدن دومین جهش سودمند به‌وجود آید.

گونه‌ای که تولید مثل غیرجنسی می‌کند، لازم نیست وقت و انرژی زیادی برای تحت تأثیر قرار دادن جنس مقابل صرف کند. آن‌ها صرفا رشد می‌کنند و به دو نیم تقسیم می‌شوند. این را مقایسه کنید با فرایند خطرناک و پرهزینه‌ی جذب جفت برای تولید مثل جنسی. هر چند باکتری‌ها به‌سادگی با دونیم‌شدن تکثیر می‌شوند، آن‌ها اغلب مواد ژنتیکی را هم مبادله می‌کنند. معمولا توسط آزاد کردن بخش‌های کوچکی به نام پلاسمید که می‌توانند توسط باکتری مجاور جذب شوند این کار انجام می‌شود؛ در این مسیر، جهش‌های سودمند تقسیم می‌شوند.

این تصویر، پیدایش لقاح داخلی را در مهره‌دارن نشان می‌دهد. نقاط زرد اندام‌های تناسلی موجودات را نشان می‌دهد که نقش انها انتقال اسپرم به ماده ازطریق آمیزش جنسی است.

این می‌تواند احتمالا به‌عنوان پیش‌درآمد جنسیت در نظر گرفته شود. پس از ظهور گیاهان و حیوانات در اقیانوس‌ها در ۶۰۰ میلیون سال پیش، تنها راه عملی برای این چندسلولی‌های آبزی جدید برای تولید مثل، آزاد کردن دانه‌ها و تخم‌ها بود. سلول‌هایی که شروع به تقسیم شدن کردند، به هم چسبیدند و هر بار که تقسیم می‌شدند تغییر می‌کردند، تا اینکه درنهایت یک بالغ جدید تشکیل می‌دادند. تنها زمان عملی برای پذیرش بالقو‌ه‌ی مواد ژنتیکی خارجی سودمند، پیش از شروع رشد تخم‌ها و دانه‌ها بود.

بسیاری از گیاهان و حیوانات دریایی امروزه گرده یا اسپرم در داخل آب آزاد می‌کنند تا توسط دانه‌ها و تخم‌های نزدیک (تا زمانی‌که آن‌ها بارور نشوند، شروع به رشد نخواهند کرد)، جذب شوند. هنگامی‌که گیاهان روی زمین پدیدار شدند، گرده‌های آن‌ها یا توسط باد حمل می‌شد یا به‌طور مستقیم توسط حشرات به تخم‌ها می‌رسید. در مورد اغلب حیوانات زمینی و بسیاری از حیوانات دریایی، اسپرم به‌طور بسیار کارآمدی با وارد شدن درون حفره‌ای در بدن که حاوی تخمک‌ها است، تحویل داده می‌شود. فرگشت عموما طرفدار هر جهشی است که محرک پیدا کردن شریک جنسی را افزایش دهد.

در حالی‌که موجودات ساده مانند حشرات از الگوهای رفتاری برنامه‌ریزی‌شده پیروی می‌کنند، حیوانات پیچیده‌تر مانند پستانداران دارای عصب‌های حساس در اندام‌های تناسلی خود هستند که مرکز لذت قدرتمندی را در مغزشان تحریک می‌کند. یکی از معروف‌ترین نظریه‌های جایگزین برای فرگشت جنسیت این ایده است که می‌گوید تولید مثل جنسی گوناگونی ژنتیکی گسترده‌تری به‌وجود می‌آورد. این مورد به‌ویژه در محیط‌هایی که به سرعت تغییر می‌کنند اهمیت دارد، جایی‌که برخی از تغییرات ممکن است به خاطر شرایط جدید از بین بروند اما دیگر تغییرات ممکن است برای بقای جاندار مناسب‌تر باشند.

تنها دلیل اینکه چرا تنوع یک جمعیت غیرجنسی کمتر است این است که فرگشت، جمعیتی که کمترین آهنگ جهش را داشته باشند انتخاب می‌کند به این منظور که انباشت جهش‌های مضر را کاهش دهد. یکی از جنجالی‌ترین نظریه‌های جایگزین، این ایده است که می‌گوید مردها اساسا انگل هستند. تولید مثل جنسی زمانی آغاز می‌شود که برخی اندام‌های انگلی مانند ویروس، شروع به تزریق مواد ژنتیکی خود به درون بدن یک میزبان بی‌اطلاع به منظور استفاده از دستگاه تولیدمثل او، می‌کنند.

به‌دلیل مواد ژنتیکی تقسیم‌شده و فواید تولید مثل جنسی، در طول تاریخ فرگشت، انگل‌ها یک همزیستی با هم‌فرگشت را با میزبان‌های خود به‌وجود می‌آورند. از این لحاظ، ممکن است مردها شبیه میزبان‌های والدینشان باشند ولی آن‌ها همچنان اصولا انگل هستند. نظریه‌های دیگری در مورد فرگشت تولید مثل جنسی وجود دارد، ولی بیشتر نظریه‌های دیگر معمولا از نظریه‌های منتشرشده و به‌سادگی قابل رد کردن هستند.

تاریخ کروموزم‌های جنسی XX در جنس ماده و XY در جنس نر  به اولین پستانداران برمی‌گردد، اما این کروموزوم‌ها چگونه فرگشت یافتند و چطور مانند کروموزوم‌های امروزی شدند؟ درحالی‌که کروموزوم Y، کروموزوم تعیین‌کننده‌ی جنسیت نر از توجه زیادی برخوردار است، یک زیست‌شناس روی کروموزوم X متمرکز شد و دریافت که داستان جالبی در پی کوچک شدن آن به Y وجود دارد.  در نخستین مطالعه‌ی تکاملی کروموزوم‌ مرتبط با جنس ماده، زیست‌شناس دوریس بچتراگ و همکارانش از دانشگاه کالیفرنیا، نشان دادند که تاریخ کروموزوم X جالب‌تر از مقدار مطالعات صورت‌گرفته مربوط به کروموزوم Y در تعیین جنسیت نر بوده است و سرنخ‌های مهمی نسبت به منشا و مزایای تولید مثل جنسی ارائه می‌دهد. بچتراگ استادیار بیولوژی یکپارچه و عضو مرکز دانشگاه برکلی می‌گوید:

برخلاف دیدگاه سنتی با نقش منفعل، کروموزوم X نقش بسیار فعالی در روند تکاملی تمایز کروموزوم‌های جنسی داشته است.

بچتراگ از دانشگاه برکلی با همکار فوق دکترای خود جفری‌ دی‌جنسن و ژی ژانگ اکنون در دانشگاه مونیخ، یافته‌های خود را در ژورنال زیست‌شناسی PLoS منتشر کردند. او می‌گوید در این مقاله، اولین تلنگر پازل تکامل کروموزوم جنسی را نشان دادیم؛ کروموزوم X تحت دوره‌ی سازگاری شدید در روند تکاملی ایجاد بخش‌های جدیدی از ژنوم نقش داشته است که تمایز جنسی را در بسیاری از گونه‌ها، از جمله خود ما تعیین کرده است. برای تعیین نر یا ماده بودن جنین، همه حیوانات و گیاهان، ژن‌ها را به کار نمی‌برند.

برای مثال بسیاری از خزندگان، به نشانه‌های محیطی مانند دما برای مشخص کردن جنس نر یا ماده تکیه می‌کنند. به‌گفته‌ی بچتراگ، در موجودات زنده‌ای که یک جفت از کروموزوم‌ها برای مشخص شدن جنسیت کنار گذاشته می‌شود، از مگس‌های میوه تا پستانداران و برخی از گیاهان، دو کروموزوم X به ارث برده شده توسط جنس ماده، تقریبا مشابه کروموزوم‌های غیر جنسی یکسان یا به اصطلاح اتوزوم، هستند. بااین‌حال کروموزوم Y، که توسط جنس نر با یک کروموزوم X به ارث برده می‌شود، نسخه‌ای کوچک‌شده از کروموزوم X است و با از دست دادن بسیاری از ژن‌ها تا زمانی‌که با کروموزوم X ترکیب شود، متوقف می‌گردد.

در پستانداران، کروموزوم‌های جنسی احتمالا حدود ۱۵۰ میلیون سال پیش ایجاد شدند درحالی‌که در مگس میوه‌ی دروسوفیلا ملانوگاستر (یک مگس آزمایشگاهی)، کروموزوم‌های جنسی به‌طور مستقل در حدود ۱۰۰ میلیون سال پیش به‌وجود آمدند. هم در انسان‌ها و هم در مگس‌های میوه، کروموزوم Y از چند هزار ژن به چند ده ژن، کاهش یافته است. به همین دلیل دانشمندان به‌دنبال این هستند که بدانند چرا و چگونه کروموزوم Y وقتی که تعامل خود را با کروموزوم X متوقف کرد، ژن‌هایش را از دست داده است.

دانشمندان دریافتند به‌عنوان تنها جفت کروموزومی که نشکسته است و هر بار با تقسیم سلولی نوترکیب می‌شود، جفت کروموزوم XY در جنس نر که قادر به استفاده از راه اصلی جهش‌های ژنتیکی مخرب نیست، حذف می‌شود. جفت کروموزوم XX در جنس ماده هم نوترکیب می‌شود اما برای Y، تنها راه برای خلاص شدن از یک جهش بد در یک ژن، غیرفعال کردن یا حذف کل ژن است. به‌گفته‌ی پژوهشگران در طول میلیون‌ها سال، ژن‌های غیرفعال از دست رفتند و کروموزوم Y، این چنین شکسته شده است. به‌گفته‌ی بچتراگ اگر شما هیچ نوترکیبی نداشته باشید، انتخاب طبیعی در ازبین‌بردن ژن مضر، چندان مؤثر نیست.

کروموزوم Y یک کروموزوم غیر جنسی است و بهای نگه داشتن ژن‌های از دست‌رفته را می‌پردازد. بچتراگ که عمدتا حرفه‌اش حول مطالعه‌ی نابودی یا تغییر کروموزوم Y است، چند سال پیش تصمیم گرفت تا روی کروموزوم X تمرکز کند و در مورد جفت کروموزوم جنسی به کاوش بپردازد. او اهداف مقاله‌اش را حول مطالعه‌ی سه کروموزوم جنسی در مگس میوه‌ی غربی نادر، مگس سرکه‌ی میراندا و پسرعموی تیره‌رنگ‌تری از مگس سرکه به‌نام دروسوفیلا ملانوگاستر (Drosophila melanogaster) گذاشت.

اما سومین و جوانترین کروموزوم‌ متفاوت است. کروموزوم Y هنوز چین‌خورده نیست، هر چند شامل بسیاری از ژن‌های غیرعملکردی است، اما حدود نیمی از کل آن درنهایت از دست خواهد رفت. درواقع کروموزوم X، که لقب نئو-X را دارد، تغییر سریع داشته است. به‌گفته‌ی پژوهشگران در حدود ۱۰ برابر میزان عادی در اتوزوم، سازگاری دیده می‌شود. بنابه مقاله‌ی بچتراگ، توالی ژن در کروموزوم X در حال ثابت شدن است درواقع جهش‌های تصادفی باعث چند تغییر مفید در کروموزوم Y می‌شود.

بین ۱۰ تا ۱۵ درصد از ژن‌های نئو-X در مقایسه با تنها ۱ تا ۳ درصد از ژن‌های غیر جنسی این سازگاری را نشان می‌دهند. این موضوع تعجب‌آور نیست، نئو-X با چالش بسیار بیشتری از اتوزوم‌ها مواجه است زیرا کروموزوم Y آن در حال کوتاه شدن است. ژن‌های آن، دیگر پروتئین تولید نمی‌کنند، بنابراین نئو-X مجبور به جبران تنظیم ژن آن است. ما تعداد زیادی از ژن‌های دخیل در جبران دز را روی کروموزوم X شناسایی کردیم. 

یکی دیگر از تغییرات در نئو-X این است که گمان‌های بچتراگ در از بین رفتن ژن‌هایی که برای جنس ماده مضر بوده، در حال وقوع است. زیست‌شناسان متوجه شدند که برخی از ژن‌ها اثرات مخالفی در جنس نر و ماده دارند و تکامل، تقلای جنگ بین ژن‌های کنار گذاشته‌ای از جنس نر است که تنها برای جنس ماده مضر بوده است تا سبب شود آن‌ها عقب‌نشینی کنند و بالعکس. یک مکان خوب برای قرار دادن ژن‌های متضاد جنسی که در یک جنس مفید است اما برای دیگری مضر است، در کروموزوم جنسی قرار دارد. کروموزوم Y، همیشه در جنس نر به پایان می‌رسد، طوری که ژن‌ها روی کروموزوم Y روی جنس ماده تأثیری ندارد.

او امیدوار است که این مگس تبدیل به یک مدل مطالعاتی همانند مگس ملانوگاستر دروسوفیلا، شود. او گفت درنهایت ما به مطالعه‌ی مدل‌هایی مانند مگس میراندا دروسوفیلا پرداختیم که چند سال پیش به آن نمی‌توانستیم فکر کنیم و پیش‌بینی می‌کنیم که تمام مقایسه‌های ژنوم، می‌تواند زیست‌شناسی تکاملی، محیط زیست و بسیاری از رشته‌های دیگر را متحول سازد. این پژوهش‌ها توسط مؤسسه‌ی ملی بهداشت، دانشکده پژوهشی آلفرد پی اسلوان در بخش مولکولی و زیست‌شناسی محاسباتی و بنیاد دیوید و لوسیل پاکارد ارائه شد. این پژوهش در ژورنال PLoS Biology منتشر شده است.

چرا در تولید مثل جنسی فقط یک جنس قادر به فرزندآوری است؟ چرا نرها وجود دارند؟ چون نیمی از جمعیت نمی‌توانند فرزند‌آوری کنند و این یک زیان بزرگ به حساب می‌آید. در مطلب، داروین، تکامل و انتخاب طبیعی، به‌طور مفصل در مورد انتخاب طبیعی پرداختیم. اما نوعی دیگر از انتخاب نیز در کار است که مکمل و درواقع، زیرمجموعه‌ی انتخاب طبیعی است. چارلز داروین، جنبه‌های بقا و تولید مثل را از یکدیگر تفکیک کرده است و خصایصی را که منجر به جفت‌گزینی موفق می‌شوند، به انتخاب جنسی مربوط می‌دانست که این در تمایز با انتخاب طبیعی بود.

اما امروزه، انتخاب طبیعی معنای وسیعی دارد که هر دو جنبه را شامل می‌شود یعنی حفظ خصایصی که به هر شیوه‌ی ممکن، برای رسیدن ژن‌های ارگانیسم به نسل بعد، سازنده هستند. انتخاب جنسی، نمی‌تواند مستقل از انتخاب طبیعی عمل کند. این انتخاب طبیعی است که تعیین می‌کند که هر یک از دو جنس یک‌گونه، چه صفاتی را باید در جنس مقابل خود موردتوجه قرار دهد تا موفقیت تولیدمثلی خود را به حداکثر برساند. افراد هر جنس، نمی‌توانند بدون درنظرگرفتن چالش‌هایی که انتخاب طبیعی پیش پای آن‌ها گذاشته است، اقدام به عمل بر مبنای ترجیحات خود کنند.

در انتخاب بین‌جنسی، اعضای یک جنس، صفاتی را در جنس دیگر ترجیح می‌دهند که در طی فرگشت، منجر به افزایش میزان آن صفت در جمعیت آن جنس و ترجیح آن صفت در جنس ترجیح‌دهنده خواهد شد. در نوع دیگری از انتخاب جنسی که انتخاب درون جنسی نام دارد، اعضای یک جنس بر سر به دست آوردن جنس مقابل یا منابعی که به دست آوردن جنس مقابل را تسهیل می‌کند، باهم دیگر رقابت می‌کنند. اغلب بین انتخاب درون‌جنسی و برون‌جنسی نیز، ارتباط وجود دارد. 

انتخاب طبیعی، انتخاب جنسی را در جهت‌های معینی سوق می‌دهد زیرا هر جنس، برای اینکه زادآوری و تولیدمثل موفق داشته باشد، نمی‌تواند به الزامات انتخاب طبیعی، بی‌توجه بماند. حال این سؤال مطرح است که چه زمانی تولید مثل جنسی فرگشت پیدا کرد؟ کدام موجودات زنده تولید مثل جنسی کردند؟ تاریخچه‌ی تکامل تولید مثل جنسی در ماهی باستانی به‌نام مایکروبراکیوس دیکی (Microbrachius dicki) پنهان شده است (شکل بالا). مایکروبراکیوس دیکی اولین موجود شناخته‌شده‌ای است که تولیدمثل به شیوه‌ی تخم‌ریزی را متوقف کرد و به‌جای آن، به جفت‌گیری با آمیزش جنسی روی آورد.

این ماهی در حدود ۳۸۵ میلیون سال پیش در دریاچه‌ای زندگی می‌کرد که در سرزمین اسکاتلند کنونی قرار داشت. این ماهی عضو بازومانندی دارد و از زمان پیدا شدن آن جزو مباحث مورد بحث دانشمندان بوده است. اما یافته‌های جدید نشان می‌دهد احتمالا این ماهی‌ها هنگام آمیزش جنسی بازوهای همدیگر را می‌گرفتند. مایکروبراکیوس دیکی از رده ماهی‌های استخوانی بوده و حدود ۸ سانتی‌متر طول داشته است. پژوهشگران در بررسی‌های فسیل این ماهی به عضوی «L شکل» رسیدند که مطالعات بیشتر نشان داد این عضو، اندام جنسی ماهی‌های نر بوده است.

 اولین مهره‌دارانی که ازطریق لقاح داخلی تولید مثل می‌کردند، همین ماهی‌ها بودند. لقاح داخلی درست همان کاری است که ما انسان‌ها انجام می‌دهیم. این ماهی‌ها جزو اولین گونه‌هایی بودند که جنس نر و ماده‌ی آن‌ها از نظر ظاهری تفاوت داشتند. این تفاوت ظاهری به دودیسی جنسی مشهور است. اکثر ماهی‌ها امروزی با آزاد کردن تخم‌ها و اسپرم‌های خود در آب، تولید مثل می‌کنند.. پژوهشگران هنوز دلیل وجود لقاح داخلی این موجودات را نمی‌دانند. اما این ماهی اولین جانداری بود که تولید مثل جنسی را انجام داد و ما آن را به شکل امروزی می‌بینیم.

به‌دلیل محیط خشن و متغیر جلبک B. pubescens، باعث شد به توانایی تولید مثل جنسی برسد. به نظر می‌رسد از صدها میلیون سال پیش که شرایط محیطی مثل اکسیژن و کربن دچار نوساناتی شد، فسیل‌های این جلبک‌ها ظاهر شدند. در آن زمان تولید مثل جنسی برای فرگشت موجودات زنده‌ی پرسلولی ضروری بوده است. اینکه چه ارتباطی بین تولید مثل جنسی، پرسلولی بودن، اکسیژن‌زایی و چرخه‌ی کربن وجود دارد هنوز مشخص نیست. اما این رخدادها ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند و با مطالعه‌ی این صخره‌ها می‌توان پی به راز به‌وجود آمدن وجودات پرسلولی برد. این پژوهش در ژورنال نیچر منتشر شده است.

کوتاه شدن کروموزم Y

کروموزوم Y به‌نوعی نماد مردانگی است اما در حال نقش باختن و ضعیف شدن است. اگرچه این کروموزوم، ژن SRY، تعیین‌کننده‌ی جنسیت پسر یا دختر را درون خود دارد اما ژن‌های خاص دیگری روی آن نیست و تنها کروموزومی است که برای زندگی الزامی نیست. از سوی دیگر، زنان بدون این کروموزوم هیچ مشکلی پیدا نخواهند کرد. SRY در نزدیکی ناحیه‌ی اتوزومی کاذب بازوی کوتاه کروموزوم Y قرار گرفته است و پروتئینی حاوی ۲۴۰ آمینواسید را کد می‌کند. ژن‌ها بدون این کروموزم هم راحت زندگی می‌کنند.

کروموزم Y به‌سرعت در حال از بین رفتن است. ژن‌ها با دو کروموزم X که کاملا سالم هستند، باقی می‌مانند درحالی‌که مردان با یک کروموزم X و یک کروموزم Y نامناسب، با مشکل مواجه می‌شوند. اگر نرخ از بین رفتن کروموزم Y به همین روال ادامه پیدا کند، کروموزم فوق ۴/۶ میلیون سال دیگر کاملا از بین خواهد رفت. این زمان شاید خیلی طولانی به‌ نظر برسد؛ ولی وقتی عمر حیات روی زمین را بررسی می‌کنیم (۳/۵ میلیارد سال) چنین زمانی چندان طولانی نیست. کروموزم Y همیشه به این شکل نبوده است. اگر به ۱۶۶ میلیون سال پیش و زمان اولین پستانداران برگردیم، داستان کاملا متفاوت می‌شود.

کروموزم اولیه‌ی Y، درابتدا به‌اندازه‌ کروموزم‌ X بود و تمامی ژن‌های یکسان با آن را در بر داشت. اما کروموزم Y یک نقص اساسی دارد؛ کروموزم Y برخلاف سایر کروموزم‌ها که دو نسخه در هر سلول دارند، تنها یک نسخه دارد که از پدران به پسران منتقل می‌شود. این بدین معنا است که ژن‌های موجود در کروموزم Y نمی‌توانند نوترکیبی ژنتیکی انجام دهند؛ نوترکیبی ژنتیکی عبارت است‌ از آمیختن ژن‌های هر نسل برای کمک‌ به حذف جهش‌های ژنتیکی مضر. ژن‌های کروموزم Y که از مزایای نوترکیبی محروم هستند، باگذشت زمان از بین می‌ٰروند و درنهایت از ژنوم حذف خواهند شد.

با وجود این مشکلات، پژوهش‌ها نشان می‌دهند که کروموزم Y درحال توسعه‌ی مکانیزم‌های متقاعد‌کننده‌ای برای کند کردن نرخ از‌ دست دادن ژن‌ها تا حد ممکن است. به‌عنوان مثال، در مطالعه‌ای که در ژورنال Plos Genetics شد، بخش توالی کروموزم Y از ۶۲ مرد مختلف نشان داد که این امر مستلزم تغییرات ساختاری در مقیاس بزرگ است و امکان تقویت ژن (دریافت نسخه‌های متعدد از ژن‌هایی که عملکرد اسپرم سالم را تقویت می‌کنند و مقدار از‌ دست رفتن ژن را کاهش می‌دهند) را فراهم می‌کند.

ژن‌های تقویت‌شده، نقشی اساسی در تولید اسپرم و تنظیم نسبت جنسیت فرزندان، حداقل در جوندگان، بازی می‌کنند. پژوهشگران اخیرا با انتشار مقاله‌ای در ژورنال Molecular Biology And Evolution شواهدی نشان دادند مبنی بر اینکه این افزایش کپی‌ ژن در تعدادی از موش‌ها، نتیجه‌ی انتخاب طبیعی است. جامعه‌ی علمی در پاسخ به سؤالی در مورد اینکه آیا کروموزم Y در آینده‌ ناپدید خواهد شد یا خیر، به‌ دو دسته موافقان و مخالفان تبدیل شده است. مخالفان معتقدند که مکانیزم‌ دفاعی کروموزم Y کارهای مهمی انجام می‌دهد و کروموزم Y را نجات خواهد داد. اما موافقان معتقدند که این مکانیزم دفاعی تنها برای مدت کوتاه جواب خواهد داد و سرانجام کروموزم Y از بین خواهد رفت.

جنی گریوز، یکی از موافقان نابودی کروموزم Y از دانشگاه لاتروب استرالیا، ادعا می‌کند که اگر به این موضوع در طولانی‌مدت نگاه کنیم، کروموزم Y قطعا نابود خواهد شد؛ حتی اگر زمان این نابود شدن کمی بیشتر از حد انتظار طول بکشد. او در مقاله‌ای در سال ۲۰۱۶ می‌گوید که موش‌های صحرایی ژاپنی و ول‌حفار‌ها به‌طور کامل کروموزم Y خودشان را از دست داده‌اند و معتقد است که روند تولید یا از بین رفتن ژن‌ها در کروموزم Y قطعا مشکلاتی در باروری به‌وجود می‌آورد. این امر نهایتا موجب تشکیل گونه‌های کاملا جدید می‌شود. 

حتی اگر کروموزم Y در انسان‌ها ناپدید شود، لزوما به این معنا نیست که مردان به پایان راه خود می‌ٰرسند. حتی در گونه‌هایی که کروموزم Y خود را به‌طور کامل ازدست داده‌اند، وجود نرها و ماده‌ها، برای تولید مثل ضروری است. در این موارد، ژن SRY که مسئول مشخص کردن مرد شدن جنین بود به کروموزم دیگری وارد می‌شود؛ به این معنا که این‌گونه بدون نیاز به کروموزم Y جنسیت نر تولید می‌کند. اما این کروموزم جدید که SRY قرار است به آن برود، بازهم به‌ دلیل عدم نوترکیبی که قبلا موجب از بین رفتن کروموزم Y شده بود، شروع‌ به از بین رفتن می‌کند.

نکته‌ی جالب توجه درمورد گونه‌ی انسان‌ها این است که با وجود ضروری بودن کروموزم Y برای تولید مثل، بسیاری از این ژن‌هایی که این کروموزم در خود دارد، اصلا برای تولید مثل ضروری نیستند؛ بدین معنا که مهندسی ژنتیک ممکن است در آینده‌ای نزدیک بتواند چیزی را جایگزین عملکرد ژن‌ها در کروموزم Y کند و به زوج‌های هم‌جنس زن یا مردان نابارور اجازه‌ی باروری دهد. البته حتی اگر این روش باروری برای همه ممکن شود، بعید به‌ نظر می‌رسد که انسان‌های بارور تولید مثل طبیعی را متوقف کنند.

اگرچه این موضوع بسیار جالب و یکی از بحث‌های داغ این روز‌های پژوهش‌های دنیای ژنتیک است، جای نگرانی زیادی وجود ندارد. ما حتی نمی‌دانیم که اصلا کروموزم Y ناپدید خواهد شد یا خیر و حتی اگر چنین چیزی رخ دهد، به‌احتمال زیاد هنوز هم به جنس مرد برای ادامه روند تولید مثل عادی نیاز خواهد بود. درواقع این ایده‌ی سیستم کتاب مزرعه‌‌ی حیوانات که تعداد کمی‌ از مردان خوش‌شانس برای تبدیل شدن به پدر اکثر جامعه بچه‌ها شانس دارند، مطرح نیست و ۴/۶ میلیون سال دیگر، نکات حائز اهمیت دیگری وجود خواهند داشت.