أحياء المرحلة الثانوية · Grades 10–12

13الطفرات والتنوع الوراثي

يولد طفل بلا صباغ البتة — شعر أبيض، وجلد شاحب، وعينان لا تحتملان الضوء الساطع — لوالدين عاديين من عائلة لا تاريخ لها بهذه الحال. ومستعمرة بكتيريا لم تلق مضادًا حيويًا قط تحوي، من بين مئة مليون خلية، قليلًا يقاومه من قبل. ويجد بستاني غصنًا واحدًا في شجيرة ورد يحمل أزهارًا بلون آخر. في كل حالة تغيرت متتالية من DNA، مرة واحدة، في خلية واحدة؛ وفي كل حالة ينسخ التغير بأمانة بعد ذلك. وهذا الفصل عن تلك التغيرات: ما هي، ومن أين تأتي، وكيف تحد الخلية منها، ولماذا تتوقف الحياة على ألا تتوقف هي أبدًا تمامًا.

13.1 ما الطفرة

تعريف 13.1 (الطفرة)

الطفرة تغير في متتالية نوكليوتيدات جزيء DNA، ينتقل إلى ذرية الخلية التي وقع فيها. وأشيعها الطفرات النقطية، وهي تصيب نوكليوتيدًا واحدًا أو بضعة:

الاستبدال: نوكليوتيد يحل محله آخر؛
الإقحام: نوكليوتيد أو أكثر يضاف؛
الحذف: نوكليوتيد أو أكثر يزال.

والتغيرات الأكبر — قطعة تضاعف أو تنقلب أو تنقل، أو صبغي كامل يكتسب أو يفقد — طفرات كذلك.

ثلاث طفرات نقطية للمتتالية نفسها (والأحرف مجمّعة ثلاثًا ثلاثًا لسبب يفسره ). فالاستبدال يغير موضعًا واحدًا؛ أما الإقحام أو الحذف فيزيح كل ما بعده. — ثلاث طفرات نقطية للمتتالية نفسها (والأحرف مجمّعة ثلاثًا ثلاثًا لسبب يفسره الفصل 14). فالاستبدال يغير موضعًا واحدًا؛ أما الإقحام أو الحذف فيزيح كل ما بعده.

قضية 13.2 (أين تقع الطفرات، وعند من)

الطفرة التي تقع في خلية جسدية (طفرة جسدية) تنتقل إلى ذرية تلك الخلية وحدها: أي إلى رقعة من نسيج على الأكثر، في فرد واحد. أما الطفرة في خلية جنسية — مشيج أو أحد سلائفه — فتنتقل إلى النسل الذي يحبل منه وإلى كل خلية من خلاياه: والطفرة السلالية هي الصنف الوحيد الذي يدخل في وراثة النوع. فغصن شجيرة الورد الغريب طفرة جسدية؛ أما حال الطفل عديم الصباغ فجاءت من طفرة سلالية عند سلف ما، حملت صامتة أجيالًا.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

مثال 13.3 (تواتر الطفرات)

يخلّف التضاعف نحو خطأ واحد لكل $10^9$ نوكليوتيد (الفصل 11). فمورّثة فيها $3000$ زوج قواعد ينسخ فيها إذن خطأ نحو مرة في كل $300\,000$ تضاعف؛ والإنسان، وينسخ مجينه نحو $10^{16}$ مرة في العمر، تتراكم عنده طفرات في كل مورّثة في خلايا كثيرة. ويولد كل طفل بنحو 60 طفرة جديدة لم يحملها أي من والديه — وكلها تقريبًا في 98% من المجين التي ليست مورّثات.

13.2 الأسباب: عفوية ومستحثة

قضية 13.4 (الطفرات العفوية)

تنشأ الطفرات في كل خلية، من دون أي عامل خارجي: من الازدواجات الخاطئة النادرة التي تفلت من تحقق البوليميراز، ومن عدم استقرار DNA الكيميائي نفسه، إذ تتضرر قواعده آلاف المرات في اليوم في كل خلية بالماء وبجزيئات الاستقلاب العادي الفعالة. وهذه الطفرات العفوية عشوائية: فهي تقع في أي موضع، بنسبة لا تتوقف على ما إذا كان التغير سينفع الخلية.

شواهد. نثر ليدربرغ (1952) بكتيريا لم تعرض قط لمضاد حيوي على طبق، وتركها تنمو مستعمرات، ثم ضغط وسادة من المخمل على الطبق وطبع بصمتها — المستعمرات نفسها في المواضع نفسها — على عدة أطباق تحوي المضاد الحيوي. فظهرت المستعمرات المقاومة القليلة في المواضع نفسها على كل طبق مضاد. ولما كانت آتية من مستعمرات الطبق الأصلي نفسها، وهو لم ير المضاد قط، كانت طفرة المقاومة موجودة قبل التعرض: فالمضاد كشفها ولم يسببها. وقد وقعت الطفرات عشوائيًا أثناء نمو المستعمرات، بلا نظر إلى نفعها المقبل. ∎

الطبع بالنسخ. المستعمرات التي نمت بلا مضاد حيوي تطبع على أطباق بمضاد. فتظهر المستعمرات المقاومة (بالأحمر) في مواضع متطابقة على كل نسخة: فالمقاومة كانت موجودة في المستعمرات الأصلية، قبل أي تماس مع الدواء.

تعريف 13.5 (المطفِّر)

المطفِّر عامل فيزيائي أو كيميائي يرفع نسبة الطفرات بإضراره بجزيء DNA. فالضوء فوق البنفسجي يلحم تيمينين متجاورين على شريط؛ والأشعة السينية والنشاط الإشعاعي تقطع الشرائط؛ والمواد الكيميائية مثل بنزوبيرين دخان التبغ أو أفلاتوكسين الحبوب المعفنة تلتصق بالقواعد وتشوه اللولب. والخلية التي تتعرض لمطفِّر تحمل طفرات مستحثة إلى جانب طفراتها العفوية — وهي أيضًا في مواضع عشوائية، لكنها أكثر عددًا.

مثال 13.6 (فوق البنفسجي على الخميرة)

خلايا خميرة تنثر على أطباق وتعرض للضوء فوق البنفسجي مددًا متزايدة: فبعد $10\,\mathrm{s}$ يخفق نصف الخلايا في تكوين مستعمرة، وبعد $20\,\mathrm{s}$ ربعها، وبعد $30\,\mathrm{s}$ ثمنها — فكل جرعة تنصّف الناجيات. وبين الناجيات، ترتفع نسبة المستعمرات ذوات الصفة المتغيرة تغيرًا مرئيًا (لونًا أو شكلًا أو عجزًا عن النمو على سكر معين) من واحدة في المليون إلى واحدة في الألف. فالمصباح يقتل بإضراره بجزيء DNA ضررًا لا يصلح، ويطفّر بإضراره به دون ذلك بقليل.

بقاء خلايا الخميرة بدلالة التعرض لفوق البنفسجي. الخلايا العادية تفقد نصف عددها كل 10\, s؛ وسلالة عاجزة عن إصلاح ضرر فوق البنفسجي تفقد تسعة أعشارها كل 10\, s. والفرق هو عمل الإصلاح. — بقاء خلايا الخميرة بدلالة التعرض لفوق البنفسجي. الخلايا العادية تفقد نصف عددها كل $10\,\mathrm{s}$ ؛ وسلالة عاجزة عن إصلاح ضرر فوق البنفسجي تفقد تسعة أعشارها كل $10\,\mathrm{s}$ . والفرق هو عمل الإصلاح.

طبقان بذرت فيهما البكتيريا نفسها. اليسار: بلا تعريض، مرج متصل. واليمين: بعد التعريض لفوق البنفسجي، لم ينم مستعمرات إلا الخلايا التي أصلح ضرر DNA فيها في الوقت المناسب.

13.3 الخلية تدافع: الإصلاح

قضية 13.7 (إصلاح DNA)

تصاب الخلية بعشرات الألوف من آفات DNA في اليوم ولا تكاد تحتفظ بشيء منها: فأنظمة إنزيمية مخصصة تجوب اللولب المزدوج، وتتعرف قاعدة متضررة أو مزدوجة خطأً، وتقطع القطعة المعيبة من أحد الشريطين وتعيد بناءها بالشريط الآخر أصلًا — أي تتام الفصل 3 من جديد. ولا تصير الآفة طفرة إلا إذا أفلتت من الإصلاح قبل أن ينسخها التضاعف التالي. والإصلاح هو سبب كون نسبة الطفرات $10^{-9}$ لا $10^{-5}$ .

شواهد. المصابون بالحالة الوراثية جفاف الجلد المصطبغ تنقصهم إنزيمة من الإنزيمات التي تستأصل ضرر فوق البنفسجي. فجلودهم، إذا تعرضت لضوء النهار العادي، تصاب بالسرطانات ألف مرة أكثر من الجلد الطبيعي ومنذ الطفولة الباكرة؛ وإذا حميت من الشمس كانت طبيعية. فوق البنفسجي نفسه، والآفات نفسها — لكن من دون الإصلاح تبقى الآفات، وتتراكم الطفرات في المورّثات التي تضبط انقسام الخلية (الفصل 17). وسلالات الخميرة والبكتيريا التي تنقصها إنزيمات الإصلاح تبين فرط الحساسية نفسه في المختبر. ∎

السباق بين الإصلاح والتضاعف. الآفة التي تستأصل ويعاد بناؤها من الشريط الآخر لا تخلف أثرًا؛ أما الآفة التي لا تزال موجودة حين تمر الشوكة فتنسخ في المتتالية وتصير طفرة.

13.4 عواقب الطفرة

قضية 13.8 (من المتتالية إلى النمط الظاهري)

الطفرة تحوّل أليلًا إلى أليل جديد. ويتوقف أثرها على موضع وقوعها وعلى ما تفعله بالبروتين الذي ترمز له المورّثة (والفصل 14 يعطي القواعد):

خارج أي مورّثة، أو في موضع لا يغير البروتين: لا أثر — وهي الأغلبية الساحقة؛
داخل مورّثة، وتغير حمضًا أمينيًا واحدًا: بروتين يعمل بصورة مختلفة قليلًا، أو لا يعمل البتة، أو يعمل أحيانًا على نحو أفضل؛
داخل مورّثة، وتزيح الرسالة أو تبترها: بروتين لا يعمل عادةً.

وأما كون البروتين المتغير ضارًا أو محايدًا أو نافعًا فيتوقف على المحيط: فالأليل نفسه لمورّثة الهيموغلوبين عبء في منطقة بلا ملاريا وحماية حيث توجد الملاريا.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

مثال 13.9 (صباغ فُقد، وصباغ حُفظ)

صباغ الميلانين يصنعه إنزيم. وتعرف عشرات الطفرات المختلفة لمورّثته، تنتج كل منها إنزيمًا لا يعمل، وتنتج عند شخص يحمل أليلين من هذا القبيل حالَ انعدام الصباغ التي افتتح بها الفصل. وقد نشأ كل منها عشوائيًا، مرة واحدة، في خلية جنسية؛ ولا تظهر الحال المرئية إلا حين يورث حاملان أليليهما الصامتين الطفل نفسه. والمورّثة نفسها، في أليل آخر، تصنع إنزيمًا أقل نشاطًا قليلًا — ومنه جلد أفتح، وهو شائع في جمهرات عاشت آلاف السنين في خطوط عرض عالية، حيث يتيح صباغ أقل قليلًا للجلد أن يصنع فيتامين D أكثر من شمس ضعيفة.

قضية 13.10 (الطفرة، مصدر التنوع)

كل أليل لكل مورّثة بدأ طفرةً لأليل أسبق. والطفرة هي العملية الوحيدة التي تخلق معلومة وراثية جديدة؛ أما الخلط الجنسي في السنة الأخيرة فلا يفعل إلا أن يعيد تركيب ما صنعته الطفرة. والطفرة، على ندرتها وعشوائيتها وكونها محايدة أو ضارة في الفرد غالبًا، هي مع ذلك ما يوفر، عبر الأجيال، التنوع الذي يتوقف عليه تطور الفصل 5.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

طريقة 13.11 (تحليل طفرة)

قارن المتتالية الطافرة بالأصلية، حرفًا حرفًا، وسمِّ التغير (استبدال، أو إقحام، أو حذف؛ وكم نوكليوتيدًا).
عيّن موضعها: في مورّثة أم خارجها؛ وإن كانت في مورّثة، فهل انزاحت قراءة الرسالة.
عيّن الخلية التي وقعت فيها: جسدية (فرد واحد، نسيج واحد) أم سلالية (منقولة).
ابحث عن سبب إن كانت النسبة غير معتادة (تعرض لمطفِّر، أو إصلاح معيب)؛ وإلا فانسبها إلى المصادفة.
احكم على العاقبة على مستوى البروتين، ثم الخلية، ثم الكائن، ثم الجمهرة — بهذا الترتيب، وفي محيط مذكور.

ملاحظة 13.12 (العشوائية، بدقة)

«عشوائية» لا تعني أن كل المواضع تطفر بالقدر نفسه — فبعض المتتاليات أهش — ولا أن الطفرات بلا سبب. إنما تعني أن وقوع الطفرة مستقل عما إذا كانت ستنفع الخلية: فالبكتيريا المقاومة للمضاد الحيوي في أطباق النسخ لم يجعلها المضاد مقاومة، وما من كائن يستطيع أن «يقرر» أن يطفر في اتجاه نافع. والانتقاء هو الذي يوجّه، بعد ذلك؛ أما الطفرة فلا تفعل إلا أن توفر.

13.5 تمارين

تمرين 13.1 ★

عرّف الطفرة وسمِّ أصناف الطفرة النقطية الثلاثة.

حل

حل التمرين 13.1.

تغير في متتالية نوكليوتيدات DNA، ينتقل إلى ذرية الخلية. والأصناف: استبدال، وإقحام، وحذف.

تمرين 13.2 ★

قارن ATGCCTGAAT بالطافرات ATGCCAGAAT وATGCCTGAT وATGCCTTGAAT. سمِّ كل طفرة.

حل

حل التمرين 13.2.

ATGCCAGAAT: استبدال (T بالقاعدة A في الموضع 6). وATGCCTGAT: حذف حرف A واحد. وATGCCTTGAAT: إقحام حرف T واحد.

تمرين 13.3 ★

ما الفرق بين الطفرة الجسدية والطفرة السلالية؟ وأيهما يهم الوراثة؟

حل

حل التمرين 13.3.

الجسدية: في خلية جسدية، لا تنتقل إلا إلى ذرية تلك الخلية داخل الفرد. والسلالية: في مشيج أو سليفه، تنتقل إلى النسل وإلى كل خلاياه. ولا تدخل في الوراثة إلا الطفرات السلالية.

تمرين 13.4 ★

سمِّ ثلاثة مطفِّرات، وأعطِ لأحدها الضرر الذي يلحقه بجزيء DNA.

حل

حل التمرين 13.4.

الضوء فوق البنفسجي، والأشعة السينية، وبنزوبيرين دخان التبغ (وكذلك النشاط الإشعاعي والأفلاتوكسين). وفوق البنفسجي يلحم تيمينين متجاورين من شريط واحد، فيشوه اللولب.

تمرين 13.5 ★

ما الذي يستعمله نظام الإصلاح أصلًا ليعيد بناء قطعة متضررة؟ ولماذا كان ذلك ممكنًا؟

حل

حل التمرين 13.5.

الشريط المتمم السليم: فلما كان كل شريط يحدد الآخر، أمكن إعادة بناء المتتالية الصحيحة للقطعة المتضررة من شريكها.

تمرين 13.6 ★★

من شكل البقاء، أي نسبة من الخميرة العادية تنجو من $40\,\mathrm{s}$ من فوق البنفسجي؟ وأي نسبة من السلالة الناقصة الإصلاح؟ وبأي عامل يحسّن الإصلاح البقاء عند تلك الجرعة؟

حل

حل التمرين 13.6.

العادية: نحو 6%؛ والناقصة الإصلاح: 0.01%. فالإصلاح يحسّن البقاء نحو 600 ضعف عند تلك الجرعة.

تمرين 13.7 ★★

مزرعة من $10^9$ بكتيريا تنثر على طبق بمضاد حيوي فتنمو 20 مستعمرة. قدّر تواتر الخلايا المقاومة. وهل يخبرك ذلك بأن المضاد الحيوي هو الذي سبب الطفرة؟

حل

حل التمرين 13.7.

$20/10^9 = 2 \times 10^{-8}$ . ولا: فالطبق لا يكشف إلا أي الخلايا كانت مقاومة من قبل؛ أما كون المضاد الحيوي سبب الطفرة فيحتاج إلى اختبار النسخ.

تمرين 13.8 ★★

فسّر بكلماتك لماذا تثبت المواضع المتطابقة للمستعمرات المقاومة على أطباق النسخ أن الطفرات وقعت قبل التعرض.

حل

حل التمرين 13.8.

تتلقى كل نسخة خلايا من المستعمرات الأصلية نفسها. فلو أن المضاد سبّب المقاومة عند التماس، لكانت الخلايا المصابة قلة عشوائية على كل نسخة، في مواضع لا صلة بينها. أما وجود المقاومة دائمًا في المواضع نفسها فيعني أن تلك المستعمرات الأصلية، وقد نمت بلا دواء، كانت تحوي خلايا مقاومة من قبل.

تمرين 13.9 ★★

مورّثة فيها $3000$ زوج قواعد تنسخ بخطأ واحد لكل $10^9$ نوكليوتيد. ففي نسيج من $10^{12}$ خلية، كلها منحدرة من خلية واحدة بأربعين انقسامًا، كم خلية تحمل تقريبًا طفرة جديدة في تلك المورّثة؟ (لا تعد إلا الأخطاء المرتكبة في الانقسام الأخير.)

حل

حل التمرين 13.9.

الأخطاء لكل نسخة من المورّثة: $2 \times 3000 \times 10^{-9} = 6 \times 10^{-6}$ (على الشريطين). ومن بين $10^{12}$ خلية أنتجت في الانقسام الأخير، نحو $6 \times 10^{6}$ تحمل طفرة جديدة في تلك المورّثة.

تمرين 13.10 ★★

شجيرة ورد تحمل غصنًا واحدًا بأزهار من لون آخر. والعقل المأخوذة من ذلك الغصن تعطي شجيرات باللون الجديد؛ أما بذور أزهاره فتعطي ورودًا عادية. فسّر النتيجتين.

حل

حل التمرين 13.10.

طفرة جسدية في خلية برعم أعطت الغصن لونه؛ والعقل هي ذلك النسيج، فتحفظه. أما الخلايا الجنسية في الأزهار فتشتق من الغصن نفسه، لكن تغيرًا في أليل واحد لا ينتقل إلا إلى نصف الأمشاج، وقد لقّحت البييضات بحبوب طلع تحمل الأليل العادي؛ فالأليل الجديد، إن كان متنحيًا، يختفي في البادرات.

تمرين 13.11 ★★

لماذا يصاب المصاب بجفاف الجلد المصطبغ بسرطانات الجلد ولا يصاب، مثلًا، بسرطانات المعي؟

حل

حل التمرين 13.11.

الإنزيمة الناقصة تصلح ضرر فوق البنفسجي؛ وفوق البنفسجي لا ينفذ إلا إلى الجلد. أما المعي فلا يتلقى فوق بنفسجي، ولا يصاب بمثل تلك الآفات، ولا يحتاج إلى ذلك الإصلاح.

تمرين 13.12 ★★★

واقي الشمس يمتص فوق البنفسجي. باستعمال شكل البقاء، فسّر ما الذي يفعله واقٍ يمرر عشر فوق البنفسجي بعدد الآفات في خلية الجلد في ساعة من الشمس، ولماذا لا يعني «لا حروق شمس» «لا طفرات».

حل

حل التمرين 13.12.

الآفات تتناسب مع الجرعة: فعشر فوق البنفسجي يعني عشر الآفات في الخلية في الساعة — وهي مع ذلك آلاف. وحروق الشمس موت خلايا كثيرة؛ ودون تلك الجرعة تنجو الخلايا، لكن الآفات التي تفلت من الإصلاح تصير طفرات. فغياب الحرق يعني أن الضرر كان محتملًا، لا أنه غائب.

تمرين 13.13 ★★★

أليل لمورّثة الهيموغلوبين يحمي من الملاريا عند حاملي نسخة واحدة لكنه يسبب مرضًا شديدًا عند حاملي نسختين. ناقش ما إذا كانت هذه الطفرة «ضارة» أم «نافعة»، وما الذي يقرر ذلك.

حل

حل التمرين 13.13.

ما من واحد منهما في ذاته. ففي منطقة فيها ملاريا ترفع النسخة الواحدة البقاء، ويظل الأليل شائعًا رغم مرض حاملي النسختين؛ وحيث تغيب الملاريا لا يسبب إلا المرض ويبقى نادرًا. فالمحيط، وعدد النسخ، يقرران قيمة الطفرة.

تمرين 13.14 ★★★

بكتيريا في مرق بلا مضاد حيوي توجد فيها، بعد 30 جيلًا، خلية مقاومة واحدة لكل مليون. فإذا أضيف المضاد عندئذ، فماذا يحدث للمزرعة في غضون يوم؟ فسّر لماذا يصر الأطباء على أخذ جرعة المضاد الحيوي كاملة.

حل

حل التمرين 13.14.

تموت الخلايا الحساسة؛ وتنقسم المقاومة، وهي موجودة من قبل، بحرية، فتصير المزرعة كلها مقاومة في غضون يوم. والجرعة التي توقف باكرًا تترك آخر الناجيات — وهي الأشد مقاومة — حية لتنمو من جديد، في جسم صار غنيًا بالمقاومة؛ أما أخذ الجرعة كاملة فيقتلها قبل أن تتكاثر.

تمرين 13.15 ★★★

«إذا كانت الطفرات ضارة دائمًا تقريبًا، فلا يمكن بناء التطور عليها.» ناقش في فقرة، مستعملًا مفاهيم العشوائية، ونسبة الطفرات المحايدة، والمحيط، وسلّم الزمن.

حل

حل التمرين 13.15.

معظم الطفرات محايدة (خارج المورّثات أو بلا أثر في البروتين)، وأقلية منها ضارة، وقليل جدًا نافع؛ وهي، لكونها عشوائية، تقع بصرف النظر عن الفائدة، لكن الانتقاء يبقي النافعة ويزيل الضارة. والفائدة تتوقف على المحيط، فالطفرة الضارة اليوم قد تكون هي المهمة حين تتغير الظروف. وعبر آلاف الأجيال، ومع مليارات الأفراد، تنشأ حتى الطفرات النافعة النادرة مرارًا: فالتطور مبني على الباقي المفروز، لا على متوسط الطفرات.

13.6 مسألة: ختم المخمل

مسألة 13.1

مسألة نهاية الأسبوع — إعادة بناء الطبع بالنسخ عند ليدربرغ: مستعمرات تعد، ومقاومات ترسم خرائطها، وأصل الطفرات يحسم، ونسبتها تقاس

ينثر تلميذ نحو 200 بكتيريا، من مزرعة لم تلق المضاد الحيوي الستربتوميسين قط، على طبق بلا مضاد. وبعد ليلة، نمت 200 مستعمرة، كل منها من خلية واحدة وكل منها تحوي نحو $10^7$ خلية. ثم تضغط وسادة مخمل على الطبق وتطبع على ثلاثة أطباق تحوي الستربتوميسين. وفي اليوم التالي، يبين الطبق A مستعمرتين مقاومتين، والطبق B مستعمرتين، والطبق C مستعمرتين — في الموضعين نفسيهما على الأطباق الثلاثة.

الجزء الأول — التجربة.

لماذا يجب أن تأتي مستعمرات الطبق الأصلي من خلايا مفردة، ولماذا يبقى عدد البكتيريا المنثورة صغيرًا؟
فسّر ما الذي ينقله المخمل، ولماذا يحفظ موضع المستعمرة.
موضعان من أصل 200 يعطيان مستعمرات مقاومة على كل نسخة. فما الذي يبينه اتفاق النسخ الثلاث؟
افترض بدلًا من ذلك أن المضاد الحيوي يستحث المقاومة في نسبة صغيرة من الخلايا عند التماس. صف النمط الذي كانت النسخ الثلاث لتبينه عندئذ.
أي الفرضيتين — طفرة قبل التماس، أم استحثاث بالتماس — يدعمها النمط المشاهد؟ اذكر الحجة في جملة واحدة.

الجزء الثاني — رجوعًا إلى الطبق الأصلي.

يأخذ التلميذ خلايا من الموضعين المقاومين على الطبق الأصلي (وهو لم يمس المضاد قط) ومن موضعين آخرين، ويختبر كل عينة على الستربتوميسين. تنبأ بالنتائج.
المستعمرتان في الموضعين المقاومين تحوي كل منهما نحو $10^7$ خلية. فهل كل خلاياهما مقاومة أم بعضها فقط؟ وما الذي تحتاج إلى معرفته لتقرر؟
تنمو المستعمرة من خلية واحدة عبر نحو 23 انقسامًا. فإذا وقعت الطفرة في الانقسام العشرين، فأي نسبة من خلايا المستعمرة تحملها؟ وإذا وقعت في الانقسام الثالث؟
فسّر لماذا يستطيع اختبار مستعمرة كاملة أن يكشف طفرة لم تقع إلا في نسبة من خلاياها.
لماذا لا تنجح التجربة إلا إذا نمت المستعمرات على أطباق النسخ بالضبط حيث كانت الأصلية؟

الجزء الثالث — قياس النسبة.

يعيد التلميذ التجربة بخمسين طبقًا أصليًا فيها 200 مستعمرة لكل منها: أي 10 000 مستعمرة، تعطي 30 منها نسخًا مقاومة. فأي نسبة من المستعمرات تحمل خلية مقاومة واحدة على الأقل؟
نشأت كل مستعمرة من خلية واحدة بنحو $10^7$ انقسام خلوي. قدّر احتمال أن ينتج انقسام معين طفرة مقاومة.
مقاومة الستربتوميسين تقتضي تغيرًا في موضع واحد بعينه من مورّثة واحدة. قارن تقديرك بنسبة خطأ التضاعف البالغة $10^{-9}$ لكل نوكليوتيد، وعلّق.
مزرعة من $10^9$ خلية تنمّى من خلية واحدة في مرق خال من المضاد. باستعمال نسبتك، قدّر كم خلية مقاومة يرجح أن تحويها حين يضاف المضاد أخيرًا.
إذا وقعت طفرة المقاومة باكرًا في نمو تلك المزرعة، فكيف يتغير عدد الخلايا المقاومة؟ ولماذا تعطي مزارع مكررة أعدادًا شديدة الاختلاف؟

الجزء الرابع — ماذا يعني ذلك.

فسّر الفرق بين «الطفرات عشوائية» و«الطفرات نادرة»، وأيهما ترسيه التجربة.
لم يخلق المضاد الحيوي المقاومة. فماذا فعل بالجمهرة؟
ترجم التجربة إلى لغة القضية 13.10: ما الذي وفّر التنوع، وما الذي فرزه؟
يعترض تلميذ بأن المستعمرتين المقاومتين على الطبق الأصلي «بدتا كسائرهما تمامًا». فسّر لماذا تستطيع طفرة أن تكون غير مرئية حتى يتغير المحيط.
اذكر النتيجة: ما الذي أثبتته المواضع المتطابقة على نسخ المخمل الثلاث عن أصل الطفرات، والنسبة لكل انقسام التي قستها.

حل

حل المسألة 13.1.

1. حتى تكون كل مستعمرة نسيلة معروفة الأصل، وحتى تكون المستعمرات متباعدة بما يكفي للتمييز بينها على النسخ.

2. بضع خلايا من أعلى كل مستعمرة، بالترتيب الهندسي نفسه الذي على الطبق، لأن الوسادة تضغط مسطحة من دون انزلاق.

3. أن الخلايا المقاومة كانت موجودة في تينك المستعمرتين الأصليتين: فثلاث نسخ مستقلة لا تتفق بالمصادفة.

4. مستعمرات مقاومة في مواضع عشوائية لا صلة بينها على الأطباق الثلاثة، لأن أي الخلايا استُحثت يختلف من نسخة إلى أخرى.

5. طفرة قبل التماس: فالمقاومة ترسم على المستعمرات الأصلية، وهي لم تلق الدواء قط.

6. الخلايا من الموضعين المقاومين تنمو على الستربتوميسين؛ والخلايا من المواضع الأخرى لا تنمو.

7. بعضها فقط على الأرجح: فالطفرة وقعت في انقسام ما أثناء نمو المستعمرة، ولا يقاوم إلا ذرية تلك الخلية. وللبت في ذلك، ينثر عدد معلوم من خلايا المستعمرة على الستربتوميسين وتعد الناجيات.

8. في الانقسام العشرين من ثلاثة وعشرين: $1/2^{20-1}$ …وأبسط من ذلك، تنقسم الخلية الطافرة 3 مرات أخرى: $2^3 = 8$ خلايا مقاومة من أصل $2^{23}$ ، أي نحو واحدة في المليون. وفي الانقسام الثالث: واحدة من الخلايا الثماني الموجودة عندئذ، أي ثمن المستعمرة.

9. حتى بضع خلايا مقاومة بين نحو $10^4$ خلية يرفعها المخمل تكفي لتأسيس مستعمرة على طبق المضاد؛ فالاختبار يكشف وجود خلايا مقاومة، لا نسبتها.

10. تقوم الحجة على الموضع: فلا يمكن أن تطابَق مستعمرة على نسخة بمستعمرة على الطبق الأصلي إلا إذا حفظت الهندسة.

11. $30/10\,000 = 3 \times 10^{-3}$ .

12. نحو $3 \times 10^{-3}$ طفرة لكل $10^7$ انقسام: أي $3 \times 10^{-10}$ لكل انقسام.

13. من رتبة نسبة الخطأ نفسها عند نوكليوتيد واحد: فطفرة المقاومة في جوهرها استبدال واحد بعينه أفلت من الإصلاح.

14. $10^9$ انقسام عند $3 \times 10^{-10}$ : أي وسطيًا كسر من طفرة واحدة، فمعظم المزارع لا تحمل شيئًا أو تحمل بضع خلايا مقاومة (تضاعف كل طفرة بعد ذلك الانقسامات التي تليها).

15. الطفرة في انقسام باكر يرثها جزء كبير من المزرعة، فيكون العدد كبيرًا؛ أما المتأخرة فلا تعطي إلا بضع خلايا مقاومة. ولأن التوقيت عشوائي، تعطي المزارع المكررة أعدادًا شديدة التشتت — وهي نفسها علامة على أن الطفرات تنشأ قبل المضاد الحيوي لا استجابة له.

16. نادرة: أي أن الطفرات تقع قليلًا في كل انقسام. وعشوائية: أي أنها تقع باستقلال عن فائدتها. والتجربة ترسي العشوائية (بحجة المواضع)؛ أما أعداد الجزء الثالث فتقيس الندرة.

17. فرز الجمهرة: فقد قتل الخلايا الحساسة وترك المقاومة تتكاثر — أي انتقاءً.

18. وفّرت الطفرة الأليل المقاوم، عشوائيًا، قبل أي حاجة؛ وفرز المضاد الحيوي الجمهرة فلم يبقِ إلا حامليه.

19. الطفرة تغير جزيئًا يدخل في فعل الدواء، لا نمو المستعمرة ولا مظهرها من دون الدواء؛ والفرق الوراثي لا يكون له أثر مرئي إلا في محيط يهم فيه.

20. أثبتت المواضع المتطابقة على النسخ الثلاث أن طفرات المقاومة تنشأ قبل التعرض للمضاد الحيوي وباستقلال عنه؛ والنسبة المقيسة نحو $3 \times 10^{-10}$ لكل انقسام خلوي.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد