زیست شناسی نوین چیست؟

زیست شناسی به علم مطالعه حیات گفته می‌شود. این علم بسیار گسترده است ولی یک مضمون مشترک دارد؛ همه موجودات از سلول تشکیل شده‌اند که ماده ژنتیک دارد و می‌تواند آن را به نسل بعد منتقل کند. با پیشرفت ابزارهای مطالعه زیست‌شناسی و همچنین گسترش اطلاعات ما در خصوص جزئیات سازنده موجودات زنده، مطالعات زیست شناسی متفاوت شد و زیست شناسی نوین را پدید آورد. در زیست شناسی نوین به جای مطالعات یک جزء از ارگانیسم، تمامی اجزا با هم بررسی می‌شوند. در این مطلب ویژگی‌های زیست شناسی نوین توضیح داده خواهند شد.

زیست شناسی نوین چیست ؟

زیست شناسی نوین شکلی جدید از مطالعه حیات است. در این علم به جای توجه به جزئیات، نگاه کلی‌تری به موجودات زنده می‌شود تا ارتباطات و نحوه تعامل جزئیات موجود در آن‌ها بررسی شود. در واقع در طی سال‌های طولانی مطالعه حیات، اطلاعات زیادی در رابطه با جزئیات سلول بدست آمده است که در زیست شناسی نوین به جای توجه به یک جز،‌ اجزا در کنار هم بررسی می‌شوند تا نحوه تعامل آن‌ها با یکدیگر درک شود.

همچنین با پیشرفت علوم مختلف و پی‌بردن به ارتباط آن‌ها با یکدیگر، زیست‌شناسی از اطلاعات سایر علوم نیز استفاده می‌کند. این مسئله باعث تولید ابزارهای پیچیده‌ای و پیشرفته‌ای برای مطالعه حیات شده است. با این حال، مطالعات زیستی چون با حیات انسان‌ها و سایر موجودات زنده در ارتباط است، حساسیت بیشتری دارد. به همین جهت اخلاق زیستی در زیست شناسی نوین به صورت شاخه‌ای جداگانه ایجاد شد تا بر این مطالعات نظارت داشته باشد. در ایران دکتر محمود بهزاد با تالیف کتاب‌های بسیاری در زمینه فیزیولوژی، بیوشیمی، ژنتیک و غیره، زیست شناسی نوین را به ایران معرفی کرد. به همین جهت لقب پدر زیست شناسی نوین ایران را به او اختصاص دادند. در ادامه مطلب ویژگی‌های زیست شناسی نوین توضیح داده می‌شوند.

کل نگری

«کل نگری» (Holism) به مطالعه تمام یک سیستم پیچیده به طور همزمان گفته می‌شود. به این معنی که اطلاعات زیادی و جزئیاتی که در رابطه با اجزای یک سیستم بدست آمده را درکنار هم بررسی می‌کنیم تا ارتباط آن‌ها با یکدیگر را برای انجام فعالیت‌های زیستی سیستم پیچیده بدست آوریم. برای مثال می‌دانیم که هورمون‌ها چه گیرنده‌ای دارند و ساختار این گیرنده‌ها چیست. اما با نگاه کل‌نگر می‌توانیم تمامی مسیرهای پیام‌رسانی که این هورمون‌ها در بدن فعال می‌کنند و ارتباطی که با هم دارند را متوجه شویم.

دیدگاه کل‌نگری در مقابل دیدگاه «فروکاست‌گرایی» (Reductionism) قرار می‌گیرد. مفهوم فروکاست‌گرایی را اولین بار «رنه دکارت» (René Descartes) معرفی کرد که در آن اجزای یک سیستم پیچیده مثل انسان را به بخش‌های کوچکتر تقسیم کرده و بررسی می‌کنند. برای مثال مطالعه سلول‌های اپی‌تلیال موجود در بافت روده کوچک دیدگاهی فروکاستی است اما مطالعه روده کوچک و پی‌بردن به نحوه عملکرد آن دیدگاهی کلی‌تر است. برای کل‌نگری در حوزه زیست‌شناسی شاخه‌ای جدید به نام «زیست شناسی سامانه‌ای» (Systems Biology) به وجود آمده است که در ادامه مطلب توضیح داده می‌شود.

زیست شناسی سامانه‌ ای در زیست شناسی نوین

زیست شناسی سامانه‌ای موجودات زیستی را به صورت یک سامانه در نظر می‌گیرد و ارتباطات و رفتارهای اجزای این سامانه مانند مولکول‌ها، سلول‌ها، اندام‌ها و حتی ارتباط موجودات با یکدیگر را با هم بررسی می‌کند. این سامانه می‌تواند در سطح سلول باشد یعنی ارتباط اجزای مختلف سلول را با یکدیگر بررسی کند و هم می‌تواند در سطوح بزرگتری مثل بافت، اندام یا انسان باشد.

در دیدگاه فروکاست‌گرایانه، رفتار سامانه خطی، قابل پیش‌بینی و جبرپذیر است اما زیست‌ شناسی سامانه‌ای بر غیرخطی بودن، حساسیت به شرایط اولیه، تصادفی و رفتار آشفته سامانه تاکید می‌کند. زیست شناسی سامانه‌ای از مدل‌سازی‌ها و اطلاعات ریاضی و محاسبانی استفاده می‌کند. اطلاعات مورد نیاز برای مدل‌سازی در این سامانه‌ها نیز از طریق «امیکس» (Omics) فراهم می‌شود.

در زیست شناسی سامانه ای چه چیزی بررسی می‌شود ؟

کسی که زیست شناسی سامانه‌ای در سطح یک سلول را بررسی می‌کند اطلاعات مربوط به همه ژن‌هایی که به mRNA بیان می‌شوند و به صورت پروتئین یا متابولیت نقش خود را انجام می‌دهند را در یک محدوده زمانی خاص بررسی می‌کند. در واقع مطالعه این فرد به چهار بخش تقسیم می‌شود.

• اندازه‌گیری‌های کمی
• مدل‌سازی ریاضی براساس اطلاعات کمی بدست آمده
  برای مثال در ایمنولوژی باید شبکه‌های پیچیده‌ بین سلول‌ها، سیستم ایمنی و میکروارگانیسم شناخته شود. مدل‌ها به داده‌های تجربی قوی به عنوان ورودی و به عنوان مرجع برای اطمینان از بررسی واقعیت نیاز دارند.
• بازسازی نحوه واکنش یک سلول در شرایط مختلف
• توسعه نظریه‌هایی که گونه‌های مختلف چگونه به این شرایط واکنش نشان می‌دهند.

آیا زیست شناسی سامانه‌ای با زیست شناسی مصنوعی متفاوت است‌ ؟

در زیست شناسی سامانه‌ای هدف بررسی موجودات زنده به صورت کلی و یکپارچه است اما در زیست شناسی مصنوعی از بخشی از اجزای موجود زنده برای تولید ابزار زیستی استفاده می‌شود تا به جای موجود زنده روی آن‌ها مطالعه شود. برای مثال در تراشه‌های میکروسیالی می‌توان سلول‌های اندام‌های مختلف بدن را کشت داد و اثر داروی جدید را به جای انسان روی این تراشه‌ها انجام داد.

نقش امیکس در زیست شناسی نوین چیست ؟

امیکس شاخه‌‌ای از علوم زیستی است که اطلاعات جامعی در خصوص یک فاکتور زیستی گرداوری می‌کند و با استفاده از آن می‌توان به اطلاعات لازم برای مدل‌سازی در زیست شناسی سامانه‌ای رسید. انواع آن در بخش زیر نوشته شده‌اند.

• «ژنومیکس» (Genomics): به بررسی کل ژنوم (ژن‌ها) یک سامانه زیستی گفته می‌شود. خود انواع گوناگونی دارد که به بخش‌های زیر تقسیم می‌شوند.
  • «ژنومیکس شناختی» (Cognitive Genomics): تغییرات در فرآیندهای شناختی و ارتباط آن با پروفایل ژنتیکی را مطالعه می‌کند.
  • «ژنومیکس مقایسه‌ای» (Comparative Genomics): ارتباط بین ساختار ژنتیکی و عملکرد آن‌ها در گونه‌های مختلف زیستی را بررسی می‌کند.
  • «ژنومیکس کاربردی» (Functional Genomics): ارتباط بین ژن و عملکرد پروتئین‌ها را بررسی می‌کند.
  • «متاژنومیکس» (Metagenomics): محتویات ژنی بدست آمده از نمونه‌های محیطی را بررسی می‌کند.
  • «نوروژنومیکس» (Neurogenomics): به بررسی نقش ژن‌ها در تکامل و عملکرد سیستم عصبی می‌پردازد.
  • «پن‌ژنومیکس» (Pangenomics): کل محتوای ژنتیکی که در یک گونه وجود دارد را بررسی می‌کند.
  • «ژنومیکس شخصی» (Personal Genomics): به توالی‌یابی و بررسی ژن‌های یک فرد می‌پردازد. وقتی محتوای ژنتیکی فرد بدست بیاید می‌توان آن را با پایگاه‌های داده ژنتیکی مقایسه کرد و احتمال بروز بیماری‌ها و جهش‌های ژنتیکی را در آن مشاهده کرد. این شاخه از ژنومیکس به پزشکی شخصی کمک می‌کند. ولی در صورت رعایت نکردن اخلاق زیستی می‌توان از اطلاعات حاصل از آن سلاح زیستی برای فرد ساخت.

• «اپی‌ژنومیکس» (Epigenomics): اپی‌ژنوم به ساختارهای حافظ ژنوم گفته می‌شود که شامل اتصال‌دهنده‌های پروتئین و RNA، ساختارهای جایگزین DNA، و تغییرات شیمیایی روی DNA می‌شود. در اپی‌ژنومیکس با استفاده از روش‌های توالی‌یابی DNA، پروتئومیکس و روش‌های بررسی ساختار DNA، تغییراتی مثل متیلاسیون DNA و تغییرات هیستون‌ها را بررسی می‌کنند.
• «میکروبیومیکس» (Microbiomics): به شناسایی و بررسی ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی جوامع میکروبی که در یک زیستگاه مشخص زندگی می‌کنند می‌پردازد.
• «لیپیدومیکس» (Lipidomics): لیپیدوم به کل محتوای چربی موجود در سامانه زیستی گفته می‌شود. لیپیدومیکس مسیرها و شبکه‌های لیپیدی موجود در یک سامانه را بررسی می‌کند. برای انجام مطالعات لیپیدومیکس از طیف‌سنجی جرمی بهره می‌گیرند.
• «پروتئومیکس» (Proteomics): به بررسی کل محتوای پروتئینی و عملکرد آن‌ها در یک سامانه زیستی می‌پردازد. در این روش هم برای شناسایی پروتئین‌ها از طیف‌سنجی جرمی استفاده می‌شود. این روش مطالعاتی انواع مختلفی دارد که در بخش زیر توضیح داده شده‌اند.
  • «کموپروتئومیکس» (Chemoproteomics): روشی است که به بررسی ارتباطات بین پروتئین و کوچک مولکول‌ها می‌پردازد.
  • «ایمنوپروتئومیکس» (Immunoproteomics): تمام پروتئین‌هایی که در پاسخ ایمنی نقش دارند را مطالعه می‌کند.
  • «نوتری‌پروتئومیکس» (Nutriproteomics): مولکول‌های هدف مغذی و غیرمغذی موجود در رژیم غذایی را بررسی می‌کند.
  • «پروتوژنومیکس» (Proteogenomics): از اطلاعات حاصل از بررسی پروتئوم برای بررسی نقش ژن‌ها استفاده می‌کند.
  • «ژنومیکس ساختاری» (Structural Genomics): ساختار سه‌بعدی همه پروتئون‌های حاصل از ژنوم با این روش مطالعه می‌شود.
• «گلیکومیکس» (Glycomics): تمامی قندها و کربوهیدرات‌های موجود در سامانه زیستی با این روش مطالعه می‌شود.
• «فودومیکس» (Foodomics): در این روش از اطلاعات بدست آمده از ژنومیکس، پروتئومیکس، ترنسکریپتومیکس و متابولومیکس فرد استفاده می‌کنند تا محتوای غذایی که فرد برای حفظ سلامتی باید مصرف کند را مشخص کنند. این علم اولین بار در سال ۲۰۰۹ مطرح شد.
• «ترنسکریپتومیکس» (Transcriptomics): ترنس‌کریپتوم به مجموعه محتوای مولکول‌های RNA سامانه گفته می‌شود که شامل mRNA ،rRNA ،tRNA و Non-coding RNA هستند. در این روش ترنسکریپتوم سامانه بررسی می‌شود.
• «متابولومیکس» (Metabolomics): متابولوم مجموعه‌ای از مولکول‌های کوچک است که در ماتریکس بیولوژیکی یافت می‌شود. این روش محتوای متابولوم سامانه زیستی را بررسی می‌کند.

مدل‌سازی در زیست شناسی سامانه‌ای

مدل‌سازی در زیست شناسی سامانه‌ای با هدف تولید الگوریتم‌ها، ساختارهای داده و تجسم اطلاعات انجام می‌شود. برای مدل‌سازی از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای سیستم‌های زیستی مانند شبکه‌های متابولیکی، القای پیام، شبکه‌های آنزیمی و شبکه‌های تنظیم ژن‌ها استفاده می‌شود. با استفاده از این مدل‌ها می‌توان به اطلاعات کمی در خصوص نقش اجزای مختلف در سامانه و در تعامل با یکدیگر دست یافت.

نگرش بین رشته‌ای در زیست شناسی نوین

نگرش بین‌ رشته‌ای محققان را قادر می‌سازد تا از مرزهای ایجاد شده بین رشته‌های مختلف عبور کنند. در این حالت، آن‌ها می‌توانند از اطلاعات موجود در رشته دیگر استفاده کنند و به نگرش بهتری در خصوص رشته خود برسند. برای مثال روان‌شناس‌ها از علوم موجود در نورون‌شناسی هم استفاده می‌کنند یا بیوشیمیست‌ها از علم نانوتکنولوژی استفاده می‌کنند. تحقیقات در حوزه‌های مختلف علوم در سال‌های اخیر افزایش یافته است. به حدی که شاخه‌های جدیدی از علوم مثل بیوفیزیک (ترکیب زیست و فیزیک) و بیوشیمی (ترکیب شیمی و زیست) ایجاد شده‌اند.

فناوری های زیستی

پیشرفت علم زیست شناسی تنها با نگاه کردن به موجودات مختلف حاصل نمی‌شود. بلکه نیازمند ابزارهایی است که این اطلاعات را دریافت، پردازش و منتشر کند. در زیست شناسی نوین از ابزارهای مختلف استفاده می‌شود که دو مورد از آن‌ها در بخش زیر توضیح داده شده‌اند.

فناوری‌های ارتباطی اطلاعاتی

به طور کلی «فناوری‌های اطلاعاتی ارتباطی» (Information and Communication Technology) ابزارهایی هستند که امکان تولید، ذخیره‌سازی، دریافت و ارسال اطلاعات را فراهم می کنند. در زیست شناسی نوین از این ابزارها بیشتر برای آموزش استفاده می‌شود.

مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک روشی است که در آن با استفاده از DNA نوترکیب می‌توان DNA ارگانسیم را تغییر داد تا ویژگی‌های مورد نظر محقق را نشان دهد. برای این کار ژن مورد نظر که ویژگی خاصی را ایجاد می‌کند وارد DNA وکتور (حامل) می‌شود و وکتور حاوی DNA به ارگانسیم وارد می‌شود. به ارگانیسمی که DNA نوترکیب را دریافت کرده است «تراریخته» (Genetically Modified Organism | GMO) می‌گویند که می‌تواند از روی DNA پروتئین‌های مورد نظر را بسازد.

مهندسی ژنتیک اولین بار در سال ۱۹۷۳ با تولید DNA نوترکیب از ژن ویروس لاندا و SV40 توسط «پاول برگ» (Paul Berg) معرفی شد. و یک سال بعد «هبرت بویر» (Herbert Boyer) و «استنلی کوهن» (Stanley Cohen) توانستند اولین موجود تراریخته را ایجاد کنند. مهندسی ژنتیک در صنعت، کشاورزی، پزشکی و تحقیقات کاربرد دارد که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

کاربرد مهندسی ژنتیک در صنعت چیست ؟

در صنعت ژن کد کننده برخی آنزیم‌ها، هورمون‌ها و غیره را وارد سلول میزبان می‌کنند و با استفاده از راکتورهای زیستی مقادیر بالایی از سلول تراریخته را تولید می‌کنند. این سلول‌ها می‌توانند مقدار زیادی از محصول مورد نظر را تولید کنند. تولید انسولین یکی از محصولاتی است که با این روش انجام می‌شود.

اغلب سلول‌های تراریخته باکتریایی هستند ولی باکتری چون ساختاری ساده دارد نمی‌تواند برخی از پروتئین‌های پیچیده انسان را تولید کند. به همین جهت از سلول‌های مخمر، حشرات یا حتی پستانداران نیز در صنعت برای این منظور استفاده می‌کنند. این بخش از زیست شناسی آنقدر گسترده است که به عنوان شاخه‌ای مجزا به اسم زیست فناوری صنعتی در دانشگاه‌ها تدریس می‌شود.

کاربرد مهندسی ژنتیک در کشاورزی

یکی از بحث برانگیزترین کاربردهای مهندسی ژنتیک، تولید و استفاده از محصولات کشاورزی تراریخته است. این علم که تحت عنوان زیست فناوری کشاورزی در دانشگاه‌ها تدریس می‌شود روشی است که با استفاده از آن می‌توان گیاهان را دست‌ورزی ژنتیکی کرد تا به محصول بیشتر رسید. همچنین می‌توان گیاهانی تولید کرد که نیازی به آفت‌کش نداشته باشد، در برابر استرس‌های محیطی مقاوم باشد یا ارزش غذایی بیشتری داشته باشد.

مثالی از آن، انتقال ژن مقاومت در برابر کم آبی از گیاهان موجود در کویر به گیاهان دیگر است به آن‌ها کمک می‌کنند تا در اقلیم خشک دوام آورند.

کاربرد مهندسی ژنتیک در پزشکی

مهندسی ژنتیک کاربردهای زیادی در پزشکی دارد. این کاربردها شامل ساخت دارو، ایجاد مدل‌های حیوانی برای تقلید شرایط بدن انسان و ژن‌درمانی است. برای مثال در روش ویرایش ژنی CRISPR، بخشی از DNA که دچار جهش شده است برش می‌خورد و توالی ژن سالم به جای آن نوشته می‌شود.

کاربرد مهندسی زنتیک در تحقیقات

مهندسی ژنتیک ابزار مهمی برای دانشمندان علوم زیستی است. دانشمندان با استفاده از این علم به تولید مدل‌های دست‌ورزی شده می‌پردازند و می‌توانند با استفاده از آن‌ها عملکرد ژن‌های مختلف را بررسی کنند. برای مثال در روش سرکوب ژنی بخشی از DNA که ژن مورد نظر را کد می‌کند، از کار انداخته می‌شود و پس از آن تاثیر آن ژن روی عملکرد ارگانیسم مطالعه می‌شود.

اخلاق زیستی در زیست شناسی نوین

با گسترش تحقیقات در حوزه زیست‌شناسی و تاثیر آن روی محیط و افراد جامعه، اهمیت رعایت اخلاق بیش از پیش خود را نشان داد. اخلاق زیستی به مطالعه مسائل اخلاقی، اجتماعی و حقوقی در تحقیقات زیستی و زیست‌پزشکی می‌پردازد.

اخلاق پزشکی ممکن است براساس نوع دین حاکم بر جامعه در کشورهای مختلف متفاوت باشد اما یک‌سری قوانین کلی و بین‌المللی تصویب شده است که محققان این حوزه ملزم به رعایت ان‌ها هستند. اخلاق زیستی حوزه‌های مختلفی را در برمی‌گیرد این حوزه‌ها شامل موارد زیر هستند.

• «اخلاق پزشکی» (Medical Ethics): به مسائل مربوط به درمان بیماران توجه می‌کند. برای مثال قوانینی که در رابطه با عکس گرفتن از بیمار و انتشار آن وجود دارد.
• «اخلاق پژوهشی» (Research Ethics): به شیوه درست و اخلاقی تحقیق در انسان و سایر جانداران توجه می‌کند. برای مثال قوانینی که در خصوص تحقیقات دارویی جدید در انسان وجود دارد. در صورتی اجازه کار بر انسان داده می‌شود که شرایط آزمایش برای فرد توضیح داده شده باشد و فرد با رضایت خود در آزمایش شرکت کند. همچنین آسیب و خطری که آزمایش برای انسان ایجاد می‌کند باید به حداقل برسد.
• «اخلاق زیست‌محیطی» (Environmental Ethics): به تاثیر انسان بر محیط زیست توجه می‌کند. برای مثال قوانینی که در خصوص دفع زباله‌های سمی کارخانه به محیط زیست وجود دارد.
• «اخلاق سلامت عمومی» (Public Health Ethics): به مسائلی مانند احترام به استقلال، خیرخواهی، عدم شرارت و عدالت توجه می‌کند.

واژه اخلاق زیستی اولین بار توسط «فریتز جهر» (Fritz Jahr) در سال ۱۹۲۷ در مقاله‌ای با عنوان «اخلاق زیستی ضروری» (Bioethical Imperative) در رابطه با حقوق گیاهان و حیوانات مورد استفاده در تحقیقات زیستی استفاده شد. یکی از مسائلی که حیات موجودات زنده را تهدید می‌کند و توسط اخلاق زیستی محدود شده است، استفاده از سلاح‌های زیستی است. افزایش اطلاعات در خصوص جزئیات موجود در ارگانیسم‌های زنده به سودجویان این امکان را می دهد که به طور خاص سلاح‌هایی برای از بین بردن آن موجود تولید کنند که در ادامه تاریخچه کوچکی از ان ارائه می‌شود.

سلاح زیستی

سلاح‌های زیستی به ابزارهای جنگی ساخته شده از سموم زیستی و عوامل بیماری‌زا مانند باکتری‌ها، ویروس‌ها، حشرات و قارچ‌ها گفته می‌شوند که به قصد از بین بردن موجودات زنده استفاده می‌شوند. حملات بیولوژیکی می‌تواند منجر به مرگ افراد غیرنظامی و اختلال شدید در زیرساخت‌های اقتصادی و اجتماعی شود.

اشکال ابتدایی جنگ بیولوژیکی از دوران باستان انجام شده است که در آن جنگ‌ها افراد مبتلا به بیماری واگیردار مثل «تب خرگوش» (Rabbit Fever) را به سرزمین‌های دشمن می‌فرستادند و باعث ایجاد بیماری همه‌گیر در آن سرزمین می‌شدند. در این وضعیت ارتش دشمن ضعیف می‌شد و آن‌ها می‌توانستند به پیروزی برسند. همچنین رومیان باستان سرنیزه‌ها و شمشیرهای خود را به فضولات و اجساد آغشته می‌کردند. فردی که با این شمشیرها زخمی می شد معمولا به کزاز مبتلا می‌شد.

با پیشرفت علم در حوزه شناخت عوامل بیماری‌زا، استفاده از سلاح‌های زیستی هدفمندتر شد به صورتی که می‌توانست یک نژاد خاص را بدون تغییر در زیرساخت محیطی از بین ببرد. به همین دلیل در سال ۱۹۲۵ پروتوکل ژنو استفاده از سلاح‌های زیستی و شیمیایی را ممنوع کرد. با این حال برخی از کشورها برنامه‌های نظامی برای تولید سلاح‌های زیستی در نظر گرفتند. برای مثال ارتش زیستی آمریکا، سم سیاه‌زخم، تب خرگوش، تب کیو و تب مالت را به صورت سلاح زیستی درآورده است.

جمع‌بندی

زیست شناسی نوین روشی جدید برای مطالعه موجودات زنده است که نگاهی کل‌نگر به موجودات دارد و به جای توجه به جزئیات، ارتباط‌ها را در یک سیستم واحد می‌سنجد. در زیست شناسی نوین با استفاده از فناوری‌های پیشرفته و استفاده از اطلاعات علوم دیگر، می‌توان به جای مطالعه کیفی موجودات به اطلاعات کمی دست پیدا کرد. این حجم از اطلاعات دست انسان را برای آسیب زدن به گونه خود و سایر گونه‌ها باز می‌گذارد به همین جدید شاخه‌ای به نام اخلاق زیستی در زیست شناسی نوین وجود دارد که نحوه پژوهش و کار روی موجودات زنده را تعیین می‌کند.