نقشی جدید برای تغییرات تصادفی در رصد کردن تکامل
نمونه‌ای دیگر از کاربست ریاضیات در اصلاح نظری رایج، اما نادرست، در تکامل
برای دهه‌ها، زیست‌شناسان تکاملی، بر اساس مشاهدات، باور داشتند سرعت تکامل در دوره‌های زمانی کوتاه افزایش می‌یابد؛ الگویی که در دادههای مختلف، از ژنوم‌ها گرفته تا دادههای فسیلی دیده می‌شود. مثلاً وقتی سهره‌ها وارد یکی از جزایر گالاپاگوس شوند در سال‌های نخست شاهد تغییرات شدیدی هستیم اما پس از آنکه این بازه‌ی زمانی کوتاه و با تغییرات سریع طی شد و پرنده با محیط سازگاری یافت ثبات نسبی را شاهدیم. علت چیست؟ تا کنون توضیح این بوده که مکانیسم‌هایی درون بدن پرنده فعال می‌شوند که امکان ایجاد تنوع‌های جدید را می‌دهند. و تا به حال پرسش اصلی زیست‌شناسان تکاملی این بوده که این مکانیسم‌ها چیستند و چگونه با تغییر در شرایط فعال می‌شوند تا تنوع‌های جدیدی آفریده و به آزمون گذاشته شوند.
حالا رقیبی بسیار جدی برای این الگوی استدلالی آشنا منتشر شده است.
ابتدا با یک تمثیل آغاز کنیم. فرض کنید تیله‌ای شیشه‌ای را بر روی یک میز می‌اندازیم و صحنه را فیلمبرداری کرده و فیلم را در دور کُند به نمایش می‌گذاریم. تیله به میز برخورد کرده و بلند می‌شود و باز مجدد با میز برخورد می‌کند. بارهای بعدی هر بار کمتر بلند می‌شود تا جاییکه در نهایت تیله بر روی میز ساکن می‌شود. با اینکه در ابتدا تغییرات زیادی را تجربه می‌کند اما ضریب بازگشت ثابت است.
هم در تغییرات در حرکات تیله و هم در تغییرات در تبار سهره‌ها، در بازه‌های زمانی کوتاه دامنه‌ی تغییرات اولیه بیشتر است.
نویز تکاملی چیست؟
نویز تکاملی ایجاد تنوع در ویژگی‌ها به دلیل «نوسانات تصادفی» در سیستم‌های زیستی است. به عبارتی همه تغییراتی که در سطح ویژگی‌های ظاهری می‌بینیم ناشی از تفاوت‌های ژنتیکی نبوده بلکه گاه ناشی از عوامل محیطی یا فرآیندهای تصادفیِ طی رشداند.
نکته‌ی مهم مقاله‌ی جدید آن است که این نویزها به زمان وابسته نیستند به این معنا که در بازه‌های زمانی کوتاه اولیه‌ی ورود پرنده به جزیره بیشتر باشند و در زمان‌های طولانی‌تر ثبات بعدی کمتر. در واقع همیشه با یک نرخ ثابتی رخ می‌دهند. در این پژوهش با به کارگیری یک رویکرد آماری جدید، متوجه شدند که این نویزِ مستقل‌اززمان، که اغلب با زدن برچسب "بی‌اهمیت"، نادیده گرفته می‌شود، یک الگوی هذلولی گمراه‌کننده ایجاد می‌کند و باعث می‌شود به نظر رسد که نرخ‌های تکاملی در بازه‌های زمانی کوتاه‌تر افزایش می‌یابند؛ در حالی که در واقع چنین نیستند. به عبارت دیگر، یافته‌های پژوهش نشان می‌دهد که تبارشاخه‌های کوچک‌تر و جوان‌تر، از جمله دسته‌ی کوچک سهره‌هایی که وارد جزیره‌ای جدید شده‌اند، نه به دلیل ویژگی‌های ذاتی بلکه به دلیل نویز آماری سریع‌تر تکامل می‌یابند.
این یافته دردسرهایی برای پژوهشگران حوزه‌ی تکامل ایجاد می‌کند: از این به بعد عاملی را که تاکنون با برچسب «کم‌اهمیت» کنار می‌گذاشتند باید لحاظ کنند زیرا الگوهای هذلولی‌شکلی می‌آفریند شبیه الگوی پرتاب تیله بر روی میز. نویز به عنوان فرایندی تصادفی الگوهایی می‌آفریند که تمییز قائل شدن میان آن و فرایند انتخاب طبیعی ناممکن به نظر می‌رسد. به عبارتی تصادف نقشی بس پررنگ‌تر از آنچه تا کنون در نظر داشتیم در تکامل بازی می‌کند.
با این توضیحات چکیده‌ی مقاله را بخوانیم:
«در مجموعه دادههای مختلف زیستی، از ژنوم‌ها گرفته تا فسیل‌ها، به نظر می‌رسد که نرخ‌های تکامل در مقیاس‌های زمانی کوتاه افزایش می‌یابد. تاکنون چنین پدیده‌ای به‌عنوان نشانه‌ای از عملکرد متفاوت فرآیندها در مقیاس‌های زمانی مختلف دیده می‌شد، که حتی به طور بالقوه می‌تواند به عنوان مبنای نظریه‌ی جدیدی باشد که تکامل‌کلان و تکامل‌خرد را به هم مرتبط می‌کند. در اینجا مجموعه‌ای از مدل‌ها را معرفی می‌کنیم که رابطه‌ی بین نرخ تغییرات و زمان را ارزیابی می‌کنند و نشان می‌دهند که این الگوها، مصنوعاتِ آماریِ خطاهایِ مستقل‌اززمانِ موجود در مجموعه دادههای اکولوژیکی و تکاملی هستند که الگوهای هذلولی از نرخ‌ها را طی زمان تولید می‌کنند. نشان می‌دهیم که وقتی نموداری برای بررسی نسبت «نویز به زمان» با «زمان» رسم می‌شود الگوی هذلولی ظاهر می‌شود. در واقع، تصادفی کردن مقدار تغییر طی زمان، الگوهایی می‌آفریند که عملکردی مشابه با الگوهای مشاهده‌شده دارند. نادیده گرفتن خطاها فقط الگوهای واقعی را پنهان نمی‌کند، بلکه درنظر گرفتن آنها الگوهای جدیدی را ایجاد می‌کند که مدت‌هاست دانشمندان را گمراه کرده است.»
دو نکته
یک. بی‌تردید این یافته مدل‌های ریاضیاتی تکامل فرهنگی را تغییر خواهد داد.
دو. از منظر فلسفه علم نیز این پژوهش مثالی جالب است از اینکه چرا گاه باید در دادههای مشاهدتی بسیار بدیهی نیز تردید کرد. برچه مبنایی؟ بر مبنای ریاضیات که نوعی فعالیت غیرتجربی است!
هادی صمدی
@evophilosophy
نمونه‌ای دیگر از کاربست ریاضیات در اصلاح نظری رایج، اما نادرست، در تکامل
برای دهه‌ها، زیست‌شناسان تکاملی، بر اساس مشاهدات، باور داشتند سرعت تکامل در دوره‌های زمانی کوتاه افزایش می‌یابد؛ الگویی که در دادههای مختلف، از ژنوم‌ها گرفته تا دادههای فسیلی دیده می‌شود. مثلاً وقتی سهره‌ها وارد یکی از جزایر گالاپاگوس شوند در سال‌های نخست شاهد تغییرات شدیدی هستیم اما پس از آنکه این بازه‌ی زمانی کوتاه و با تغییرات سریع طی شد و پرنده با محیط سازگاری یافت ثبات نسبی را شاهدیم. علت چیست؟ تا کنون توضیح این بوده که مکانیسم‌هایی درون بدن پرنده فعال می‌شوند که امکان ایجاد تنوع‌های جدید را می‌دهند. و تا به حال پرسش اصلی زیست‌شناسان تکاملی این بوده که این مکانیسم‌ها چیستند و چگونه با تغییر در شرایط فعال می‌شوند تا تنوع‌های جدیدی آفریده و به آزمون گذاشته شوند.
حالا رقیبی بسیار جدی برای این الگوی استدلالی آشنا منتشر شده است.
ابتدا با یک تمثیل آغاز کنیم. فرض کنید تیله‌ای شیشه‌ای را بر روی یک میز می‌اندازیم و صحنه را فیلمبرداری کرده و فیلم را در دور کُند به نمایش می‌گذاریم. تیله به میز برخورد کرده و بلند می‌شود و باز مجدد با میز برخورد می‌کند. بارهای بعدی هر بار کمتر بلند می‌شود تا جاییکه در نهایت تیله بر روی میز ساکن می‌شود. با اینکه در ابتدا تغییرات زیادی را تجربه می‌کند اما ضریب بازگشت ثابت است.
هم در تغییرات در حرکات تیله و هم در تغییرات در تبار سهره‌ها، در بازه‌های زمانی کوتاه دامنه‌ی تغییرات اولیه بیشتر است.
نویز تکاملی چیست؟
نویز تکاملی ایجاد تنوع در ویژگی‌ها به دلیل «نوسانات تصادفی» در سیستم‌های زیستی است. به عبارتی همه تغییراتی که در سطح ویژگی‌های ظاهری می‌بینیم ناشی از تفاوت‌های ژنتیکی نبوده بلکه گاه ناشی از عوامل محیطی یا فرآیندهای تصادفیِ طی رشداند.
نکته‌ی مهم مقاله‌ی جدید آن است که این نویزها به زمان وابسته نیستند به این معنا که در بازه‌های زمانی کوتاه اولیه‌ی ورود پرنده به جزیره بیشتر باشند و در زمان‌های طولانی‌تر ثبات بعدی کمتر. در واقع همیشه با یک نرخ ثابتی رخ می‌دهند. در این پژوهش با به کارگیری یک رویکرد آماری جدید، متوجه شدند که این نویزِ مستقل‌اززمان، که اغلب با زدن برچسب "بی‌اهمیت"، نادیده گرفته می‌شود، یک الگوی هذلولی گمراه‌کننده ایجاد می‌کند و باعث می‌شود به نظر رسد که نرخ‌های تکاملی در بازه‌های زمانی کوتاه‌تر افزایش می‌یابند؛ در حالی که در واقع چنین نیستند. به عبارت دیگر، یافته‌های پژوهش نشان می‌دهد که تبارشاخه‌های کوچک‌تر و جوان‌تر، از جمله دسته‌ی کوچک سهره‌هایی که وارد جزیره‌ای جدید شده‌اند، نه به دلیل ویژگی‌های ذاتی بلکه به دلیل نویز آماری سریع‌تر تکامل می‌یابند.
این یافته دردسرهایی برای پژوهشگران حوزه‌ی تکامل ایجاد می‌کند: از این به بعد عاملی را که تاکنون با برچسب «کم‌اهمیت» کنار می‌گذاشتند باید لحاظ کنند زیرا الگوهای هذلولی‌شکلی می‌آفریند شبیه الگوی پرتاب تیله بر روی میز. نویز به عنوان فرایندی تصادفی الگوهایی می‌آفریند که تمییز قائل شدن میان آن و فرایند انتخاب طبیعی ناممکن به نظر می‌رسد. به عبارتی تصادف نقشی بس پررنگ‌تر از آنچه تا کنون در نظر داشتیم در تکامل بازی می‌کند.
با این توضیحات چکیده‌ی مقاله را بخوانیم:
«در مجموعه دادههای مختلف زیستی، از ژنوم‌ها گرفته تا فسیل‌ها، به نظر می‌رسد که نرخ‌های تکامل در مقیاس‌های زمانی کوتاه افزایش می‌یابد. تاکنون چنین پدیده‌ای به‌عنوان نشانه‌ای از عملکرد متفاوت فرآیندها در مقیاس‌های زمانی مختلف دیده می‌شد، که حتی به طور بالقوه می‌تواند به عنوان مبنای نظریه‌ی جدیدی باشد که تکامل‌کلان و تکامل‌خرد را به هم مرتبط می‌کند. در اینجا مجموعه‌ای از مدل‌ها را معرفی می‌کنیم که رابطه‌ی بین نرخ تغییرات و زمان را ارزیابی می‌کنند و نشان می‌دهند که این الگوها، مصنوعاتِ آماریِ خطاهایِ مستقل‌اززمانِ موجود در مجموعه دادههای اکولوژیکی و تکاملی هستند که الگوهای هذلولی از نرخ‌ها را طی زمان تولید می‌کنند. نشان می‌دهیم که وقتی نموداری برای بررسی نسبت «نویز به زمان» با «زمان» رسم می‌شود الگوی هذلولی ظاهر می‌شود. در واقع، تصادفی کردن مقدار تغییر طی زمان، الگوهایی می‌آفریند که عملکردی مشابه با الگوهای مشاهده‌شده دارند. نادیده گرفتن خطاها فقط الگوهای واقعی را پنهان نمی‌کند، بلکه درنظر گرفتن آنها الگوهای جدیدی را ایجاد می‌کند که مدت‌هاست دانشمندان را گمراه کرده است.»
دو نکته
یک. بی‌تردید این یافته مدل‌های ریاضیاتی تکامل فرهنگی را تغییر خواهد داد.
دو. از منظر فلسفه علم نیز این پژوهش مثالی جالب است از اینکه چرا گاه باید در دادههای مشاهدتی بسیار بدیهی نیز تردید کرد. برچه مبنایی؟ بر مبنای ریاضیات که نوعی فعالیت غیرتجربی است!
هادی صمدی
@evophilosophy