پرتوی‌های کیهانی عامل اصلی فرگشت

مجله علمی ایلیاد - تکامل چیست؟ چگونه جانداران از یک تک‌سلولی ساده، به این حد از پیشرفتگی رسیده‌اند؟ آیا تکامل از درون موجودات شکل گرفته یا عوامل خارجی بر آن تاثیر گذاشته؟ این سوالات اساسی است که بر ذهن انسان سایه افکنده و هر چه علم پیشرفته‌تر می‌شود، این ابهامات نیز بیشتر و پیوستگی علوم واضح‌تر می‌شود. با افزایش روز افزون درک ما از جهان اطرافمان، بینش ما نسبت ارتباط علوم با هم نیز تغییر می‌کند و در می‌یابیم که ما جدایی از این دنیا نیستیم؛ بلکه مثل مهره‌های دومینو کاملاً بهم وابسته و تحت تاثیر یکدیگر هستیم. اما سوالاتی نیز وجود دارد که همواره ذهن بشر را درگیر خود می‌کند.

شاید چندی پیش آسمان جایی غیرقابل دسترس و خیالی می‌نمود که جایگاه ستارگان، سیارات، ماه و خورشید است و تنها شب و روز را برای ما رقم می‌زند، یا راهنمای گمشدگان و در راه ماندگان است. اما امروزه با پیشرفت علم، اگر چه هنوز هم آسمان دور از دسترس است، اما خیالی و بیهوده نیست و تاثیر آسمان بر زندگی بشریت فقط محدود به شب و روز نمی‌شود؛ بلکه سرنوشت بشریت را تغییر داده است! شاید این حرف کمی دور از عقل باشد، ولی حقیقت امر چنین است که در این مقاله به آن خواهیم پرداخت و با هم سفری به اعماق آسمان تا اعماق یک سلول را آغاز خواهیم کرد تا بدانیم که این دو چه ارتباطی باهم دارند یا اصلاً می‌توان ارتباطی بین آن‌ها پیدا کرد یا خیر؟

پرتوهای کیهانی ذرات باردار پُرانرژی با طول بسیار زیاد که از تمام جهات زمین را بمباران می‌کنند هستند. این پرتو‌ها از تمام راستا به یک مقدار دریافت می‌شوند و راستای ورودشان منبع آن‌ها را مشخص نمی‌کند؛ چرا که این ذرات باردار هستند و در حین حرکت در فضا مسیرشان مرتباً عوض می‌شود. این پرتوها دو مرحله‌ای شکل می‌گیرند؛ مرحله‌ی ابتدایی که همان ذرات شتاب‌دار اولیه هستند که از منابع آستروفیکالیشان تولید می‌شود و شامل ذرات الکترون، پروتون، هلیوم، کربن، اکسیژن و آهن هستند. در مرحله‌ی ثانویه همان ذرات در تعامل با گاز‌های میان‌ستاره‌ای قرار می‌گیرند؛ هسته‌هایی نظیر لیتیوم و برلیوم و بور و حتی آنتی پروتون و پوزیترون‌ها نیز در آن‌ها به‌وجود می‌آید. در کل ذرات کیهانی شامل ۸۷درصد پرتون، ۱۲درصد ذرات آلفا و ۱درصد هسته‌های سنگین‌تر «Z≥3» می‌شوند. نحوه‌ی تولید این ذرات هنوز مشخص نیست و احتمال می‌رود که شتاب این ذرات به‌وسیله‌ی گسترش امواج حاصل از نواختر‌ها تامین می‌شود. این امواج در عبور از جو زمین و برخورد با ذرات اتمسفر به ذرات مختلفی مانند مزون‌ها و پوزیترون‌ها تبدیل می‌شوند.

پرتو‌های کیهانی با توجه به مقدار انرژی آن‌ها انواع مختلفی دارند و با توجه به همین موضوع احتمالاتی نیز در باب منابع آن‌ها وجود دارد:
- پرتوهای کیهانی خارج کهکشانی: انرژی بالاتر ازeV1021 
- پرتوهای کیهانی درون کهکشانی: انرژی eV1015_1016
- پرتوهای کیهانی خورشیدی: انرژی GeV30_15 
- پرتوهای کیهانی میان‌سیاره‌ای: انرژیMeV 100_10 
- پرتوهای کیهانی مگنتوسفر: انرژی بالاتر از MeV 10
 

 

«ویکتور هس» فیزیکدان اتریشی اولین بار، به‌وسیله‌ی یک بالن و با اندازه‌گیری مقدار یونش هوا در ارتفاعات مختلف موفق به کشف پرتوهای کیهانی گردید؛ همچنین با تکرار این آزمایش در زمان خورشیدگرفتگی و مشاهده‌ی عدم کاهش شارذرات، منشاء فراخورشیدی این پرتوها نمایان شد. انرژی بالای پرتوهای کیهانی نشان‌دهنده‌ی آن است که آن‌ها باید در فرایندهای پرانرژی، مانند انفجارهای ابرنواختری، به‌وجود آمده باشند. پروتون با حدود ۹۰درصد و هسته‌ی هلیوم با ۹درصد بیش‌ترین سهم را در این پرتوها دارند. البته مقدار اندکی هسته‌های سنگین‌تر نیز یافت می‌شود که انرژی آن‌ها بین ۱۰۸ تا ۱۰۲۰ ev است. در یک دهه‌ی اخیر با ساخت آشکارساز‌های بزرگ، ذراتی با انرژی بیش از۱۰۲۰ ev نیز که به ناحیه‌ی قطع GZK موسوم هستند نیز مشاهده شده است؛ اما به دلیل شار پایین این ذرات پر انرژی تنها راه مشاهده‌ی آن‌ها مطالعه‌ی چگونگی گسترش بارش‌های ذرات ثانویه حاصل از آن‌ها در جو زمین است. برای تعیین انرژی و نوع این ذرات لازم است توزیع ذرات ثانویه حاصل از بارش‌های هوایی با نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برهم‌کنش ذرات مختلف با جو زمین مقایسه شود. برخورد پرتوهای پرانرژی کیهانی و مولکول‌های جو، تابش ثانویه پدید می‌آید. این تابش را می‌توان از روی زمین رصد کرد، در حالی که برای مشاهده‌ی مستقیم پرتوهای کیهانی باید از جو خارج شد. آشکارسازهای مورد استفاده برای رصد پرتو کیهانی شبیه به آن‌هایی است که در فیزیک ذرات به‌کار می‌رود. با توجه به اینکه ذرات در شتاب‌دهنده‌های زمینی حداکثر به انرژی ۱۰۱۲ ev می‌رسند، پرتوهای کیهانی یک آزمایشگاه طبیعی عالی در پیش‌روی فیزیک ذرات قرار می‌دهند. بسیاری از ماهواره‌ها و فضاپیماها مجهز به آشکارسازهای پرتو کیهانی هستند.

امروزه ما می‌دانیم که پرتو‌های کیهانی کهکشانی، قطعات اتمی مانند پروتون‌ها یا همان ذرات باردار مثبت، الکترون‌ها یا همان ذرات باردار منفی و هسته اتمی هستند. در حالی که می‌دانیم اکنون می‌توان آن‌ها را در ابرنواختر ایجاد کرد، ممکن است منابع دیگری برای ایجاد پرتو کیهانی وجود داشته باشد. همچنین دقیقاً مشخص نیست که چگونه ابرنواخترها می‌توانند این پرتو‌های کیهانی را خیلی سریع تولید کنند. خورشید نیز بخشی از این پرتو‌ها را تولید کرده و راهی زمین می‌کند، اما خود خورشید نیز محافظی برای زمین محسوب می‌شود؛ چرا که پرتو‌ها‌ی کیهانی کهکشانی را تعدیل کرده و ذرات کم انرژی را منحرف می‌کند.

پرتو‌های کیهانی به‌طور مداوم زمین را بمباران می‌کنند، ولی این پرتو‌های قدرتمند به ندرت به زمین می‌رسند و با برخورد به اتم‌های فوقانی جو، ذرات ثانویه‌ای ایجاد می‌کنند که به ما و زمین می‌رسد. با کمک طیف‌سنجی هسته‌ی اتم‌های پرتو‌ی کیهانی که در آشکارسازها یافت می‌شود، می‌توان تا حدودی به منشاء پرتو‌های کیهانی پی برد. همان‌طور که گفته شد پرتو‌های کیهانی شامل ۹۰درصد هیدروژن و ۹درصد هلیوم و مقدار اندکی از عناصر سنگین‌تر است که همین مقدار کم دانشمندان را قادر ساخته بین پرتو‌های کیهانی مختلف تفاوت قائل شوند. با کمک این عناصر دانشمندان در رصدخانه‌ی Pierre Augerدر سال ۲۰۱۷ توانستند نشانه‌هایی از منشاء پرتو‌های کیهانی را کشف کنند.

همچنین دانشمندان با کمک نیمه‌ی عمر عناصر رادیواکتیو تنوانستند تخمین بزنند که یک پرتو‌ی کیهانی چه مدت در فضا بوده است. در سال ۲۰۱۷ دانشمندان آزمایشی را با عنوان«ISS-CREAM» روانه‌ی ایستگاه بین‌المللی فضای کردند. کار این آزمایش پاسخ به سوالاتی نظیر اینکه آیا ابرنواختر‌ها ذرات کیهانی را تولید می‌کنند یا خیر، بود. این ابزار همچنین اطلاعات بهتری را در اختیار ایستگاه فضایی قرار می‌دهند، چرا که دیگر از تداخلات جوی زمین خبری نیست. ابزار CREAM عوارض پرتوهای کیهانی را از هیدروژن تا آهن اندازه‌گیری می‌کند. میدان مغناظیسی و جو زمین این سیاره را از ۹۹.۹درصد پرتوهای کیهانی محافظت می‌کند. یک ابزاری بر روی مریخ‌نورد کیوراسیتی نصب شده که دوز پرتوهای کیهانی دریافت شده توسط فضانوردانی که حتی فقط در مسیر زمین مریخ قرار بگیرند را ۰.۶۶ میانگین دوز موثر میزان انرژی بر هر کیلوگرم اندازه‌گیری کرده است که معادل قرار گرفتن کل بدن در معرض سی‌تی‌اسکن در هر ۶ الی ۵ روز است. با افزایش ۵.۵ درصدی ۱ دوز افزایش ابتلا به سرطآن‌های کشنده را همراهی می‌کند. دوز عادی که فرد روی زمین به‌طور روزانه دریافت می‌کند چیزی حدود ۱۰ میکروگرم است.

پرتوهای کیهانی قبل از برخورد به جو زمین ذرات پرانرژی و خطرناکی هستند که «پرتوهای کیهانی اولیه» نامیده می‌شوند؛ اما سپس در سپر ژئومغناطیسی زمین فیلتر شده و پس از برخورد با هسته‌ی اتم‌ها‌ی اتمسفر پرتوهای‌های ثانویه را تشکیل می‌دهند که همچون بارانی یا به اصطلاح آبشاری بر سطح زمین باریده می‌شوند.
 

سرعت تشکیل یون‌ها در ارتفاعات مختلف از جو بستگی به انرژی ذرات پرتو‌ی کیهانی دارد. در ارتفاع زیر ۱۵ کیلومتر تولید یون منحصراً توسط آبشار ذرات ثانویه میون‌ها صورت می‌گیرد. ذرات پایون‌ها بیشترین ذرات ثانویه را تشکیل می‌دهند و همان‌طور که می‌دانید جز سبک‌ترین میون‌ها هستند. پایون‌های خنثی «π0» با وزنی حدود ۲۶۴ برابر الکترون، خیلی زود به دو پرتوی گاما تبدیل می‌شوند.

 

پایون‌های باردار که شامل پایون‌های π+ و π− هستند و وزنی حدود ۲۷۳ برابر الکترون دارند، دیرتر تبدیل می‌شوند و بنابراین بعضی از آن‌ها با هسته‌‌های مولکول‌های هوا ادغام می‌شوند که می‌توانند به میون‌ها و نوترینو‌ها تبدیل شوند.

 

 π⁺→μ⁺+υ 

 

پرتوهای گامای حاصل از پایون‌های خنثی شاید ذرات جدید الکترون و پوزیترون را تشکیل دهند که خود این ذرات نیز می‌تواند طی فرآیند «تابش ترمزی» یا همان تولید پرتو با کاهش سرعت ذره‌ی باردار، پرتوهای گامای بیشتری تولید کنند. در قطب‌های استراتوسفر که ارتفعات بالاتر از ۱۱ کیلومتر را شامل می‌شود، تولید یون‌ها توسط ذرات کم انرژی بین محدوده‌ی ۰.۱-۰.۵ MeVاست که به شدت توسط باد‌های مغناطیسی خورشید تعدیل شده است. در کل پرتو‌ی کیهانی ثانویه شامل پرتوهای ایکس، میون‌ها، پروتون‌ها، ذرات آلفا، پایون‌ها، الکترون‌ها و نوترون‌ها هستند. این تابش‌ها در تروپوسفر فوقانی، حدوداً ارتفاع ۱۰ کیلومتر، بسیار شدید است و بنابراین نگرانی خاصی را برای خدمه‌ی هواپیمایی و مسافران مکرر که ساعات زیادی را در هر سال در این محیط صرف می‌کنند، به‌وجود می‌آورد.

هر چه بیشتر در جو فرو می‌رویم تعداد ذرات ثانویه به سرعت افزایش می‌یابد، اما در راه و در هر تعامل، ذرات انرژی را از دست می‌دهند و نهایتاً قادر به ایجاد ذرات جدید نخواهند بود و پس از اینکه آبشار ذرات به حداکثر خود رسید، تعداد ذرات رو به کاهش می‌رود و فقط کسر کوچکی از ذرات به زمین می‌رسند که این میزان بسته به انرژی اولیه‌ی پرتو‌ی کیهانی، عرض جغرافیایی و ارتفاع زمین بستگی دارد. شدت پرتوهای کیهانی با عرض جغرافیایی متغیر است، زیرا زمین مانند آهنربایی عظیم عمل می‌کند. این پرتوهای کیهانی از خط استوا منحرف شده و به نواحی قطبی هدایت می‌شوند. در نتیجه شدت پرتوهای کیهانی در نواحی استوایی حداقل بوده و در جهت قطبین افزایش می‌یابد. همچنین شدت پرتوهای کیهانی در برابر ارتفاع نیز بسیار متغیر است. در ارتفاعات بالاتر از سطح دریا، اتمسفر کمتری برای جذب پرتوهای کیهانی وجود دارد و از اینرو شدت پرتو بیشتر است.

 

در حقیقیت مقدار بسیار زیادی از پرتو‌ی کیهانی هرگز به زمین نمی‌رسند، اما به علت زیادی پرتو‌های کیهانی تقریباً هر منطقه از زمین به اندازه یک کف دست مورد اصابت یک ذره در هر ثانیه قرار می‌گیرد و در کل پرتو‌ی کیهانی ثانویه یک سوم رادیواکتیویته‌ی طبیعی را تشکیل می‌دهد. از مهم‌ترین ویژگی‌های پرتو کیهانی ثانویه مانند گاما و نوترون آن است که این تابش‌ها و ذرات به علت اثر یونندگی در بافت، خطری برای سلامتی انسآن‌ها و حیوانات محسوب می‌شوند. تابش گاما و نوترون که قدرت نفوذ بالایی دارند، خطر خارجی محسوب می‌شوند. هنگامی که پرتو‌ی کیهانی به تعداد زیادی ذرات ثانویه تبدیل می‌شوند به آن‌ها «دوش هوایی» گفته می‌شود، ولی وقتی این ذرات به زمین می‌رسند، آن‌ها را «دوش هوایی وسیع»یا «EAS» می‌نامند.

علاوه بر این‌ها یکی دیگر از مضرات پرتو‌ی کیهانی تغییر ماهیت عناصر اتمسفر به ایزوتوپ‌های دیگرشان است که به آن «تحول عنصری» گفته می‌شود؛ به این ترتیب که تابش ثانویه که توسط پرتو‌ی کیهانی تولید می‌شود با هسته‌ی اتم‌های اتمسفر ترکیب شده و منجر به تولید نوکلید‌ها یا ایزوتوپ‌های مختلف می‌شود که به آن‌ها ایزوتوپ‌های کیهانی می‌گوییم. این ایزوتوپ‌ها هم رادیواکتیو هستند؛ حتی برخی نیمه‌ی عمر طولانی برای مطالعات زمین‌شناختی دارند که بعضی از آن‌ها عبارتند ازH3, Be7, Be10, C۱۴, Al26, Si32, Cl36, Ar39, Kr81, Kr85.

کربن ۱۴ در اتمسفر در اثر تعامل نوترون حاصل از پرتو‌ی کیهانی با ایزوتوپ‌های پایدار نیتروژن، اکسیژن و کربن است. مهم‌ترین واکنش این دسته واکنش نوترون آهسته با نیتروژن است.

سپس اتم کربن ۱۴ تبدیل به CO2 شده و به سرعت تا رسیدن به سطح غلظتی که سطح غلظتی ثابت آن است، در اتمسفر و هیدروسفر پخش می‌شود که این میزان غلظت توسط میزان تولید کربن ۱۴ و از طرف دیگر از بین رفتن آن در اتمسفر تنظیم می‌شود. این نوع کربن پرتوزاست و شامل ۶ پروتون و ۸ نوترون است. طبق تحقیقات به‌عمل آمده میزان غلظتی از کربن ۱۴ که در بدن موجودات وجود دارد برابر با غلظتی آن در اتمسفر است به این دلیل که کربن ۱۴ در منابع غذایی از جمله گیاهان و دانه‌ها یافت می‌شود.  بیش از ۹۹درصد کربن موجود در بدن حیوانات از غذایی که می‌خورند تامین می‌شود و کربن یکی از اصلی‌ترین اجزای ماکرومولکول‌های حیاتی بدن جانداران است. گیاهان که جز اولین‌های زنجیره‌ی غذایی هستند، کربن ۱۴ را به‌صورت CO2 برای فعالیت فتوسنتزشان جذب می‌کنند. ترکیبات کربن ۱۴ از نظر رادیوبیولوژیکال‌ها حائز اهمیت است؛ همان‌طور که گفته شد کربن از ساختار اصلی ماکرومولکول‌ها از جمله ماکرومولکول مهم دی‌ان‌ای است و وقتی که با این مولکول‌ها ترکیب شود، منجر به آسیب‌های دی‌ان‌ای، جهش‌های ارثی بالقوه و یا حتی مرگ سلول می‌شود.

 

هیدروژن ۳ با نیمه‌ی عمر۰.۰۲ ±۱۲.۳۲ سال یکی از ۳ ایزوتوپ هیدروژن است که با نماد T2 یا H32 شناخته می‌شود. این ایزوتوپ به‌طور طبیعی از تعامل پرتو‌ی کیهانی با اتم‌های اتمسفر به‌خصوص نیتروژن طبق فرایند زیر به‌وجود می‌آید.

ترتیوم رادیواکتیو است، ولی پرتوهای گاما از خود نشر نمی‌دهد و ناشر β- است که پرتوی کم انرژی است که حتی قادر به نفوذ از پوست مرده‌ی انسان هم نیست. با این حال وجود ترتیوم در خارج از بدن انسان مضر نیست اما اگر از طریق غذا یا اسنتشاق وارد بدن شود قضیه شکل دیگری به خود خواهد گرفت. تریتیوم تولید شده در جو به سرعت با اکسیژن ترکیب شده و آب ترتیوم را تشکیل می‌دهند. این نوع آب را آب فوق سنگین نیز می‌گویند که پرتوزا نیز هست. این آب توسط بارش از جو به زمین منتقل می‌شود. ترتیوم به تنهایی از آب ترتیوم مضرتر است و باعث جهش، تومور و سرطان می‌شود. آب ترتیوم نیز مضراتی دارد از جمله کاهش وزن مغز و اندام‌های تناسلی در موش و همچنین کاهش غیرقابل بازگشت سلول‌های جنینی ماده در هر دو مورد آزمایشی موش و میمون است.

تحقیقات نشان داده که دوز‌های پایین ترتیوم می‌تواند مرگ سلول‌ها، جهش‌ها و خرابی کروموزوم‌ها را نسبت به دوز‌های بالاتر ترتیوم، افزایش دهد. مضرات هر دوز از ترتیوم از مضرات پرتو‌ی ایکس و گاما نیز بیشتر است. هیچ شواهدی برای تعیین حد آستانه‌ی مضرات ترتیوم وجود ندارد و حتی مقدار کمی از ترتیوم می‌تواند اثرات بدی بر سلامتی بشریت بگذارد. ترتیوم در بدن موجودات چه انسان چه غیر انسان می‌تواند در حدود ۱۰ سال یا بیشتر باقی بماند، ولی آب ترتیوم بعد از ۱۰ روز از بدن پاک می‌شود. ترتیوم در آب ترتیوم می‌تواند وارد دی‌ان‌ای که اصلی‌ترین و حیاتی‌ترین ماکرو مولکول جاندران است، شده و از طریق وراثت نسل‌های بعدی را نیز آلوده کند. دی‌ان‌ای شدیداً به مواد رادیو‌اکتیو حساس و باعث بهم ریختگی آن می‌شود که نتیجه‌اش جهش در کروزوم‌های سلول و بیماری‌های گوناگون است.

این دو ایزوتوپ برلیوم از برخورد پرتون‌های پر انرژی با اتم‌های نیتروژن و اکسیژن موجود در جو به‌وجود می‌آید. این ایزوتوپ به‌وسیله‌ی بارش از جو خارج شده و در رسوبات ته اقیانوس‌ها، صفحات یخ گرینلند و قطب جنوب انباشته می‌شوند.
کوتاهی نیمه‌ی عمر ۳۵ روزه‌یBe7  امکان مطالعه‌ی فرآیند‌های اتمسفری را فراهم می‌سازد و Be10 با نیمه‌ی عمر طولانی ۱.۵×۱۰۶ سال، ایزوتوپ پرتوزای برلیوم است.

آلومنیوم ۲۶ از واکنش پرتو‌ی کیهانی با آرگون موجود در جو به‌وجود می‌آید و دارای نیمه‌ی عمر ۲.۷×۱۰۵ است. از ایزوتوپ‌های پرتوزای آلومینیوم است که واپاشی بتا دارد. این ایزوتوپ همچنین پرتو‌ی گاما و پرتو‌ی ایکس منتشر می‌کند. الومینیوم ۲۶ برای تعیین سن شهاب‌سنگ‌های موجود در زمین به‌کار برده می‌شود و تاریخ ورود آن‌را تعیین می‌کند. تحقیقات روی شهاب‌سنگها ثابت کرده است که AL26 در زمان شکل‌گیری سیاره ما نسبتاً به مقدار فراوان وجود داشته است. احتمالاً انرژی آزاد شده در نتیجه‌ی واپاشی AL26، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارک‌ها بعد از شکل‌گیری آن‌ها را ۲ تا ۴ میلیارد سال پیش در پی داشته است.

 

کلر ۳۶ با نیمه‌ی عمر۲۰۰۰± ۳۰۱۰۰۰، برای مطالعات زمین‌شناسی و هیدرولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و از برخورد پرتو‌ی کیهانی با Ar40 به‌دست می‌آید. ۲.۳ آن در استاتوسفر و ۱.۳ آن در تروپوسفر تولید می‌شود و بعد از یک هفته توسط باران یا برف از اتمسفر حذف می‌شود. کلر ۳۶هایی که وارد صفحات یخ گرینلند و قطب جنوب می‌شوند، برای تشخیص سن آن‌ها و همچنین شناسایی تغییرات جوی کاربرد دارد. کلر ۳۶ از پایدارترین رادیو ایزوتوپ‌های کلر است.

 

سیلیسیم ۳۲ یکی از پایدارترین بیست ایزوتوپ سیلسیم با نیمه‌ی عمر ۱۵۰ سال است. این ایزوتوپ در اتمسفر از برخورد پرتو‌ی کیهانی با آرگون به‌وجود می‌آید و به‌وسیله‌ی باران به سطح زمین می‌رسد.

 

این ایزوتوپ رادیواکتیو آرگون در اتمسفر از آرگون ۴۰ به‌وجود می‌آید و کمتر از ۵درصد آرگون موجود در اتمسفر آرگون ۳۹ است. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو آرگون نیمه‌ی عمر طولانی دارند که آرگون ۳۹ با نیمه‌ی عمر ۳۶۹ سال بیشترین آن‌هاست. این ایزوتوپ برای تعیین قدمت یخ‌ها و آب‌های زیرزمینی به‌کار برده می‌شود.

 

این رادیو نوکلئون‌ها از واکنش‌های همجوشی پروتون و همچنین به ترتیب از واکنش‌های پایدار کریپتون ۸۰ و ۸۴ به‌وجود می‌آیند. کریپتون ۸۵ نیمه‌ی عمر ۱۰.۷۵۶ و کریپتون ۸۱ با نیمه‌ی عمر۲.۳×۱۰۵ سال دو ایزوتوپ کریپتون هستند که در اتمسفر توسط پرتو‌ی کیهانی به‌وجود می‌آیند و در آب‌های زیر زمینی که در تماس با جو هستند و حباب‌هایی که در یخچال‌های قدیمی بدام افتاده‌اند یافت می‌شوند.
حال با توجه به تمام دانسته‌های ما پرتو‌ی کیهانی و بارانی از مواد رادیو‌اکتیو که هر ثانیه بر ما باریده می‌شود، آیا می‌توان گفت که این پرتو‌ها بر موجودات زنده بی تاثیر هستند؟ آیا می‌توان ارتباطی بین این پرتو‌ها و تغییراتی که در بدن موجودات به‌وجود می‌آید یافت؟ آیا اصلاً ارتباطی وجود دارد؟ آیا می‌توان دلیل پیشرفتگی و تکامل موجودات را از یک سلول به وجود این پرتو‌ها ربط داد؟ همان‌طور که گفتیم دو نمونه از مواد رادیو‌اکتیو تولیدی از پرتو‌ی کیهانی اگر در ساختار دی‌ان‌ای موجودات قرار بگیرند، باعث تغییر در عملکرد آن‌ها می‌شود که به این تغییرات جهش می‌گویند و جهش عامل فرگشت است. در ادامه به بررسی فرگشت و عامل ایجاد آن می‌پردازیم تا در انتها به ارتباط این دو پی ببریم.
   

تکامل یا فرگشت یا برآیش به معنای تغییر یا دگرگونی در یک ویژگی ظاهری و موروثی که در طی زمان در جمعیت جانداران پدیدار می‌شود. یکی از شرایط اصلی این تغییرات موروثی بودن آن‌هاست که در غیر این صورت در جمعیت پایدار نخواهد بود و نمی‌توان به آن برچسب تکامل زد. اندیشه‌ی تغییر گونه‌ها و تکامل را اولین بار فیلسوفان رومی ارائه کردند. در سال ۱۸۵۹ «چارلز داروین» طبیعی‌دان انگلیسی که شواهد متقاعد کننده‌ای مبنی بر تغییر گونه‌ها به‌دست آورده بود، ساز و کار قابل قبولی برای توضیح چگونگی این فرآیند منتشر کرد. نظریه‌ی داروین نیز مانند سایر نظریه‌های علمی، در طول سال‌ها آزمایش و مشاهده دچار تحول شده است. اگر چه نظریه‌ی جدید تغییر گونه‌ها که در نتیجه‌ی کارهای علمی چارلز داروین شکل گرفت، امروزه متحول شده است، اما بنا بر اعتقاد بسیاری از زیست‌شناسان امروزی نظریه‌ی داروین می‌تواند مبنای گوناگونی حیات در زمین را توضیح دهد.

در گذشته بیشتر افرادگونه‌های جانداران را موجوداتی تصور می‌کردند که از آغاز پیدایش بدون تغییر بوده‌اند. بعضی از دانشمندان کم کم متوجه این مطلب شده بودند که با دیدگاه ثابت و بدون تغییر ماندن گونه‌ها نمی‌توان وجود و انتشار سنگواره‌های کشف شده را تفسیر کرد. در نتیجه برخی از آنان به منظور توضیح این امر تفسیرهای مختلفی ارائه دادند.

دانشمندی فرانسوی به نام «لامارک» در سال ۱۸۰۹ ساز وکار جدیدی برای تفسیر چگونگی رخداد تغییر گونه‌ها ارائه کرد. او احتمال داد که تغییر گونه‌ها در نتیجه‌ی استفاده، یا عدم استفاده‌ی فیزیکی افراد یک گونه از اندام‌های بدن خود، است. لامارک معتقد بود که در طول عمر یک فرد، اندازه‌ی اعضای بدن او در نتیجه‌ی استفاده‌ی بیشتر افزایش و در نتیجه‌ی عدم استفاده کاهش می‌یابد و این صفات اکتسابی در طول زندگی هر فرد، از یک نسل به نسل بعد منتقل می‌شود. براساس نظریه‌ی او درازی گردن زرافه به دلیل تلاش مداوم او برای رسیدن به برگ درختان بوده است. به این ترتیب که در هر نسل مقدار کمی به بلندی گردن زرافه اضافه و این صفت به نسل بعد نیز منتقل شده است. امروزه به این دیدگاه «لامارکسیم» گفته می‌شود که به‌طور کلی منسوخ شده است؛ زیرا امروزه می‌دانیم صفات اکتسابی به ارث نمی‌رسند و ناشی از اثرات محیطی و رشد جانوران‌اند نه اثرات ژن‌های آن‌ها. آزمایش‌هایِ بسیاری در این زمینه صورت گرفته‌است. مثلاً برای آزمودنِ اثرِ عدمِ استعمالِ یک اندام، آزمایشی ترتیب داده شد که در آن مگس‌ها تا ۶۹ نسل در تاریکی جفت‌گیری کردند، در پایان مشاهده شد که بینایی نسلِ آخر آسیبی ندیده و واکنش افرادِ آن در مقابلِ نور کاملاً طبیعی است.

پس از او، داروین با نظریات خود دنیای زیست‌شناسی را متحول ساخت. او در سن ۲۲ سالگی سفری دریایی را آغاز کرد که این سفر زندگی او و نحوه‌ی تفکر بشریت را درباره‌ی جانداران را متحول ساخت. داروین در جزایر گالاپاگوس که درحوالی ۱۰۰۰ کیلومتری ساحل اکوادور واقع است، شواهدی مبنی بر تغییر تدریجی گونه‌ها کشف کرد. او از این واقعیت که گیاهان و جانوران جزایر گالاپاگوس بسیار شبیه گیاهان و جانوران سواحل نزدیک آمریکای جنوبی بودند، متعجب شده بود. برای مثال سهره‌های جزایر گالاپاگوس علی‌رغم تفاوت‌هایی که در مواد غذایی مورد استفاده‌ی خود داشتند، بسیار شبیه سهره‌های آمریکای جنوبی هستند. او حتی در این مناطق سهره‌هایی را یافت که از خون مرغان دریایی تغذیه می‌کردند، ولی همگی جز گونه‌ی سهره‌ها به‌حساب می‌آمدند. علت این همه تغییر چه بود؟

داروین پس از بازگشت از سفر خود به دنبال یک توضیح قابل قبول برای فرآیند تغییر تدریجی گونه‌ها بود؛ اما نمی‌توانست توضیحی قانع‌کننده درباره‌ی ساز و کار آن ارائه دهد. از نظر داروین، کلید معمای چگونگی انجام تغییر در گونه‌ها، بررسی‌ای بود که یک اقتصاددان انگلیسی به نام «توماس مالتوس» انتشار داده بود. مالتوس نوشته بود که رشد جمعیت انسانی سریع‌تر از منابع غذایی است. بر طبق نوشته‌های او، رشد جمعیت انسانی به صورت تصاعد هندسی است. در حالی که، منابع غذایی، در بهترین حالت خود، رشد عددی دارند. واژه‌ی جمعیت، در زیست‌شناسی فقط به تعداد انسان‌های موجود در یک منطقه اشاره نمی‌کند، در زیست‌شناسی، یک جمعیت بیانگر گروهی از افراد یک گونه است که با همدیگر در یک زمان و در یک مکان زندگی می‌کنند.

داروین به این نتیجه رسید که اندیشه‌ی مالتوس درباره‌ی جمعیت انسانی قابل تعمیم برای همه‌ی گونه‌هاست. هر جاندار، در طول زندگی خود، توانایی تولید تعداد فراوانی زاده را دارد، اما در اغلب موارد، تنها تعداد محدودی از این زاده‌ها قادر به بقا و زادآوری هستند. داروین با اضافه کردن دیدگاه مالتوس به نتایج حاصل از سفر و دیگر تجربیات خود که در زادگیری حیوانات اهلی به‌دست آورده بود، به یک مطلب اساسی پی برد؛ افرادی که از نظر ویژگی‌های فیزیکی و رفتاری با محیط خود تطابق بیشتر دارند، احتمال بقا و زادآوری آن‌ها نیز بیشتر است.

داروین فرض کرد در صورتی که زمان کافی برای زادآوری افراد وجود داشته باشد، افرادی که فرصت انتقال صفت مطلوب خود را به نسل بعد دارند، با گذشت زمان آن‌را در جمعیت افزایش می‌دهند و به تدریج ویژگی‌های جمعیت را تغییر می‌دهند. او این فرآیند را که جمعیت‌ها در پاسخ به محیط خود تغییر می‌کنند، انتخاب طبیعی نامید. از زمان انتشار افکار داروین، مبتنی بر تغییر گونه‌ها براساس انتخاب طبیعی را زیست‌شناسان به دقت مورد بررسی قرار دادند. کشفیات جدید، به ویژه در زمینه‌ی ژنتیک باعث ایجاد دیدگاه‌های جدید درباره‌ی چگونگی تغییر گونه‌ها براساس انتخاب طبیعی شده است. هم اکنون زیست‌شناسان می‌دانند که ژن‌ها عامل بروز صفات هستند. از سوی دیگر می‌دانیم که برخی از شکل‌های یک صفت در برخی جمعیت‌ها متداول‌تر هستند، زیرا افراد بیشتری از جمعیت، «الل» آن شکل‌ها را دارند. به عبارت دیگر، بر اثر انتخاب طبیعی فراوانی نسبی برخی آلل‌ها در یک جمعیت، در طول زمان، افزایش یا کاهش می‌یابد. جهش‌ها و نوترکیبی آلل‌ها که هنگام زادآوری جنسی انجام می‌شود، منابع بی‌انتهایی برای ایجاد انواع جدید، به منظور عمل انتخاب طبیعی فراهم می‌کند.

داروین و هم عصران او از نحوه‌ی وراثت صفات اطلاع چندانی نداشتند. آنان معتقد بودند که همواره فرزندان، حد واسط صفات والدین را نشان می‌دهند. مثلاً تصور می‌کردند از آمیزش گیاهی که گل‌های زرد دارد، با گیاهی که گل‌های آبی دارد، باید گیاهی با گل‌های سبز به‌وجود آید. نتایج کارها و تحقیقات «گریگور مندل» تا سال ۱۹۰۰، یعنی ۱۸ سال پس از مرگ داروین مورد بررسی قرار نگرفت. نظریه‌ای که امروزه مورد قبول زیست‌شناسان است، به نظریه‌ی ترکیبی انتخاب طبیعی مشهور است. کارهای این دو دانشمند که منجر به پایه‌ریزی نظریه‌ی گوناگونی ژنی شد، نتایج زیر را به‌دنبال داشت:
-گوناگونی در فنوتیپ افراد ظاهر می‌شود.
-در هر محیط، بعضی از فنوتیپ‌ها سازگارتر هستند و جانداران را قادر می‌سازند در آن محیط بیشتر تولیدمثل کنند.
-بر اثر انتخاب طبیعی، فراوانی نسبی صفات در جمعیت‌ها تغییر می‌کند و در نهایت گونه‌های جدید پدیدار می‌شوند.

 

کشیش اتریشی به‌نام گرگور یوهان مندل بیش از یک قرن پیش پژوهش‌های علمی خود را درباره‌ی وراثت آغاز کرد. او نخستین کسی بود که توانست قواعد و قوانینی را برای پیش‌بینی الگوهای وراثت کشف کند و قوانین او پایه‌ی علم ژنتیک را بنا نهاد. او کارش را بر روی گیاه نخود‌فرنگی آغاز کرد. ابتدا گل‌های سفید نخود فرنگی را با گل‌های ارغوانی آن آمیزش داد و دانه‌های حاصل از این آمیزش گل‌های همه به رنگ ارغوانی می‌شدند، ولی وقتی این گل‌های ارغوانی را با هم آمیزش می‌داد، نتیجه جالبی به‌دست می‌آورد که تعدادی از دانه‌های حاصله گلبرگ ارغوانی داشتند و تعدادی سفید! یعنی این گیاهان صفاتی مشابه دو نسل قبل از خود را نشان می‌دانند. مندل تعداد گل‌های سفید و ارغوانی را شمارش می‌کرد و آن‌ها را از نظر آماری مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌داد و مشاهده کرد که صفات به نسبت‌هایی که قابل پیش‌بینی است به ارث می‌رسد.

مندل نتیجه‌ی پژوهش‌های خود را در چهار فرضیه خلاصه کرد که پایه و اساس علم ژنتیک کلاسیک را بنا می‌نمایند. هرجاندار برای هر صفت خود دو آلل دارد که یکی را از مادر و دیگری از را از پدر دریافت کرده است. «امروزه صفاتی را می‌شناسیم که بیش از یک آلل در آن دخیل هستند و حتی برخی صفات بر برخی تاثیر گذارند و...» هر صفت ممکن است به چند حالت مختلف ظاهر شود که به حالت‌های مختلف مربوط به یک صفت آلل می‌گویند. هر آلل هنگام تولیدمثل از آلل دیگر خود جدا شده و از طریق سلول‌های جنسی به ارث می‌رسد. پس از لقاح وقتی که دو آلل به‌هم می‌رسند یکی از آن‌ها ممکن از خود را به‌طور کامل بروز دهد، اما دیگری هیچ اثری از خود نشان ندهد و مندل آللی را که اثر خود را به‌طور کامل نشان می‌دهد، آلل غالب و آللی که توسط آلل غالب پنهان مانده را آلل مغلوب نامید. دو آلل یک صفت طی فرایند تشکیل سلول جنسی به‌نام «گامت» از هم جدا شده و هر گامت فقط یکی از آن‌ها را دارا است.
 

در ژنتیک امروزی برای آلل‌های غالب و مغلوب از حروف لاتینی بزرگ و کوچک استفاده می‌شود. اگر فردی هم آلل غالب و هم مغلوب را باهم داشته باشد، به آن فرد ناخالص و فردی که دو آلل شبیه به‌هم را دارد، خالص می‌گویند. نوع آلل‌هایی که یک فرد دارد را ژنوتیپ آن فرد و شکل ظاهری آن صفت را فنوتیپ می‌نامند. فنوتیپ افرادی با ژنوتیپ AA و Aa یکسان است و هردو صفت غالب A را نمایش می‌دهند و آلل مغلوب تنها زمانی می‌تواند خود را نشان دهد که ژنوتیپ aa داشته باشد.

ژنتیک جمعیت به بررسی ژن‌های جمعیت‌ها می‌پردازد و تلاش می‌کند که پدیده‌هایی همچون سازش و گونه‌زایی را توضیح دهد. در ژنتیک جمعیت به مجموع ژن‌های موجود در سلول‌های زایشی هر جمعیت «خزانه‌ی ژنی» می‌گویند. به عبارت دیگر، چون هر ژن ممکن است آلل‌های متفاوتی داشته باشد، خزانه‌ی ژنی شامل مجموع آلل‌های مربوط به ژن‌های همه‌ی سلول‌های زایشی افراد یک جمعیت است. در سال ۱۹۰۰، یعنی از هنگامی که اصول مندل بار دیگر مورد بررسی و تایید قرار گرفت، زیست‌شناسان بررسی چگونگی تغییر فراوانی آلل‌ها را در جمعیت‌ها آغاز کردند. آنان در ابتدا تصور می‌کردند آلل‌های غالب که معمولاً نسبت به آلل‌های مغلوب فراوانی بیشتر دارند، پس از مدتی آلل‌های مغلوب را از جمعیت حذف خواهند کرد و خود جای آن‌ها را خواهند گرفت.

در سال ۱۹۰۸ «هاردی» ریاضیدان انگلیسی و «واینبرگ» پزشک آلمانی که مستقل از یک دیگر در حال کاربرد قوانین جبر و احتمال برای محاسبه‌ی فراوانی ژنوتیپ‌ها بودند، پی بردند که در جمعیت‌های بزرگ که در آن‌ها آمیزش‌ها به صورت تصادفی صورت می‌گیرد، نسبت آلل‌های غالب به مغلوب و نیز نسبت فراوانی افراد خالص به ناخالص در نسل‌های پی‌درپی ثابت است و تغییر نمی‌کند، مگر آن که جمعیت تحت فشار نیرو یا نیروهای تغییردهنده قرار گیرد که به نفع یا به زیان ماندگاری یک یا چند آلل خاص عمل می‌کنند. 

به این امر اصل هاردی واینبرگ می‌گویند. مثلاً اگر آلل غالب یک ژن مرگ‌آور باشد، فراوانی این آلل به علت غالب بودن افزایش نمی‌یابد، بلکه برعکس به علت مرگ‌آور بودن رو به کاهش می‌گذارد؛ چون افراد غالب بیشتر در معرض مرگ قبل از تولیدمثل قرار دارند. در نتیجه ژن مغلوب در جمعیت بیشتر خودش را نشان می‌دهد؛ چرا که قادر است ژن‌های خود را به نسل بعد انتقال دهد. حال اگر برای مثال افرادی که ژن غالب کشنده دارند، فرضاً با نیش یک پشه باعث می‌شود زنده بمانند، ولی همان نیش پشه برای افرادی که فنوتیپ مغلوب را دارند کشنده باشد این ژن غالب کشنده می‌تواند به نسل بعد منتقل شود و در جمعیت گسترش یابد؛ ولی افراد مغلوب اگر قبل از رسیدن به سن تولید مثل بمیرند و دیگر ژن مغلوب را منتقل نکنند، آلل‌های جمعیت تغییر می‌کند. به‌علت تغییر محیطی مثل یک نیش پشه! این مثال برای انسان نیز قابل تعمیم است یک بیماری وجود دارد بنام بیماری گلبول قرمز داسی شکل که یک بیماری غالب کشنده است و در صورتی که ژنوتیپ فرد به شکل AA باشد، به‌دلیل داسی شدن گلبول‌های قرمزش و عدم اکسیژن‌رسانی کارآمد به بافت‌ها فرد می‌میرد. اما اگر ژنوتیپ فرد به صورت Aa  باشد فرد می‌تواند زندگی عادی داشته باشد و فقط در شرایطی خاص گلبول‌هایش به شکل داسی در می‌آیند و فردی با ژنوتیپ aaکاملاً سالم است. حال اگر فردی که ژنوتیپ Aa را داشته باشد در مناطق مالاریا خیز نسبت به بیماری مالاریا مصون است در این مناطق در عوض افراد aa در معرض خطر مرگ قرار دارند و به این ترتیب جمعیت به سمت افرادی که دارای ژنوتیپ Aa دارند سوق پیدا می‌کند.

نیروهای محیطی یکی از عوامل تغییر جمیعیت‌ها است؛ عوامل دیگری نیز وجود دارند که باعث تغییر جمعیت‌ها در نتیجه به‌وجود آمدن گونه‌های مختلف می‌شود. از جمله‌ی آن‌ها عبارتند از:
جهش: ژنتیک جمعیت برای درک ما از تکامل لازم است و جهش‌ها مواد اولیه ضروری برای تکامل هستند. کپی برداری از روی دی‌ان‌ای یک سلول برای تقسیم شدن آن به دو سلول مجزا را «همانندسازی» می‌گویند. این فرایند پیچیده و حساس گاهی دچار اشتباهاتی می‌شود وگاهی عوامل محیطی نیز بر آن تاثیر گذاشته و اشتباهاتی را در دی‌ان‌ای به‌وجود می‌آورد. حال ممکن است با خود سوال کنید که با توجه به تعداد زیاد دی‌ان‌ای احتمال وجود این اشتباهات و جهش‌ها زیاد می‌شود پس چگونه است که موجودات با وجود این اشتباهات هنوز زنده هستند؟ پاسخ این سوال ساده است، چرا که تنها ۲۵درصد ژنوم موجودات کد می‌شود و ۷۵درصد بقیه ژنوم کاذب هستند! هنگامی که جهش‌های ژنتیکی در بخش‌های کاذب دی‌ان‌ای رخ دهند، آن‌ها را به‌عنوان پدیده‌هایی خنثی در نظر می‌آورند؛ چرا که کد ژنتیکی در این محل‌ها وظیفه خاصی بر عهده ندارد و به‌ هر ترتیب نمی‌تواند تاثیر خاصی بگذارد. اما هنگامی که این جهش‌ها در بخش‌های کاربردی مولکول دی‌ان‌ای رخ دهند، اغلب آن‌ها را باید به‌عنوان جهش‌های زیان‌آور و حتی کشنده قلمداد کنیم. منظور از کاذب این نیست که این بخش از ژنوم بی‌فایده است، بلکه کاربرد آن‌ها هنوز مشخص نشده است. در سال ۲۰۱۶ میزان رنج جهش به ازای هر نوکلئوتید انسان از ۱×۱۰-۸ تا ۲.۵×۱۰-۸ عنوان کرد.

تاثیرات جهش در یک موجود سه نوع است؛ مفید یا سودمند که باعث یکی ویژگی کارآمد در موجود می‌شود. زیان بار یا کشنده که باعث مرگ یا از کار افتادگی جاندار می‌شود. بی‌تفاوت که به دلیل تاثیرات خیلی کوچکی که دارند، انتخاب نمی‌شوند. خود جهش‌ها نیز دو نوع هستند؛ یا کروموزومی یا ژنی! و هرکدام انواعی دارند. به‌طور کل خطرناک‌‌ترین آن‌ها جهش تغییر چارچوب که از نوع جهش‌های ژنی است. این نوع جهش با کاهش یا اضافه کردن ونوکلئوتید‌ها به ژنوم قالب خواندن رمز ژنوم را تغییر می‌دهند. عوامل فراوانی باعث جهش در دی‌ان‌ای می‌شوند. با توجه به اینکه مبحث این مقاله من‌باب تاثیرات عناصر رادیو‌اکتیو حاصل از پرتو‌ی کیهانی بر دی‌ان‌ای است، از انواع عوامل جهش موتاژن‌های فیزیکی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
موتاژن‌های فیزیکی خود به سه دسته تقسیم می‌شوند؛

پرتو‌ی یونیزاسیون: پرتو‌هایی مانند X و گاما که باعث شکستگی در دی‌ان‌ای می‌شوند.

پرتو‌ی ماورا بنفش: تابش ماورا بنفش با طول موج بالاتر از ۲۶۰ نانومتر به شدت توسط مواد سازنده‌ی ژنوم جذب شده و باعث خطا در همانند‌سازی دی‌ان‌ای می‌شود.

فروپاشی رادیواکتیو: مثل کربن ۱۴ در دی‌ان‌ای.

موتاژن رادیواکتیو از مهمترین موتاژن‌های فیزیکی است. پرتو‌هایی که مولکول‌های دی‌ان‌ای را آلوده می‌کنند، در محدوده‌ی طول موج زیر ۳۴۰ نانومتر و انرژی فوتون بالاتر از ۱ ولت قرار دارند. این پرتوهای مخرب شامل پرتو ماورا بنفش، پرتو ایکس، پرتو آلفا، پرتو‌های بتا، پرتو کیهانی، نوترون‌ها و غیره است. موتاژن‌های رادیواکتیو می‌توانند باعث شکست در رشته‌ی دی‌ان‌ای، حذف یا اضافه شدن نوکلئوتید به دی‌ان‌ای شوند که هر دو در صورت اصلاح نشدن می‌تواند خطرناک باشد و جهشی را باعث شود. اگر در سلول‌های جنسی این اتفاقات رخ دهد، به نسل‌های بعدی نیز منتقل می‌شود.

جهش یکی از موثرترین روش‌هایی است که نقش مهمی در تکامل دارد. جهش کمک می‌کند که ژنوتیپ جدید و در نتیجه ویژگی جدید به‌وجود بیاید که نتیجه به‌وجود آمدن ویژگی جدید ایجاد تنوع برای سازگاری با محیط‌های جدید است. این عامل باعث می‌شود که موجودات در این سیاره زنده بمانند و در مقابل خطرات طبیعی ایمن شوند. در نتیجه جهش‌ها همواره رخ می‌دهند و هیچ راهی برای متوقف ساختن آن‌ها نیست و به آهستگی فراوانی آلل‌ها را در جمعیت تغییر می‌دهند و به‌دلیل همین آهستگی به تنهایی نمی‌تواند در مدت زمان کم فراوانی آللی را تغییر دهد و بیشتر نقش جهش ایجاد تنوع در جمعیت است.

شارش ژن: هنگامی که افرادی از یک جمعیت به جمعیتی دیگر مهاجرت می‌کنند، در واقع تعدادی از آلل‌های جمعیت مبدا را به جمعیت مقصد می‌برند که به این پدیده «شارش ژن» می‌گویند. شارش ژن نیز می‌تواند باعث تنوع در جمعیت مقصد شود.
آمیزش غیر تصادفی: در حالت ایده‌آل شانس هر فرد برای آمیزش باید سوای ویژگی‌های ظاهری آن فرد و برای همه یکسان باشد تا تمامی آلل‌ها شانس برابری برای بروز داشته باشند؛ اما در جمعیت‌های طبیعی، عموماً وضع به این گونه نیست و گاهاً بعضی افراد با ویژگی خاص مورد پسندتر برای آمیزش هستند و در نتیجه شانس بیشتری برای انتقال ویژگی خود به نسل بعد دارند؛ این عامل باعث کاهش تنوع در جمعیت‌ها می‌شود.

رانش ژن: در رانش ژن به علت رخدادهای تصادفی نظیر سیل، زلزله و آتش سوزی، تغییر در فراوانی آلل‌ها ایجاد می‌شود و حتی ممکن است منجر به حذف بعضی از آلل‌ها شود. رانش ژن معمولاً به کاهش تنوع می‌انجامد؛ چرا که برخی از افراد با ژنوتیپ‌های کمیاب به این دلیل مردن پیش از رسیدن به سن تولید مثل حذف شده‌اند. رانش ژن در جمعیت‌های مختلف نتایج یکسانی به بار نمی‌آورد.

انتخاب طبیعی: نظام طبیعت همواره انواع سازگارتر نسبت به محیط را انتخاب می‌کند. هنگامی که صحبت از بقا یا موفقیت تولید مثلی است، ویژگی‌های بسیار گوناگونی مطرح می‌شوند. انتخاب جفت، تعداد دفعات جفت‌گیری، تولید گامت‌های سالم، تعداد سلول‌های زیگوت که پس از هر بار جفت‌گیری تشکیل می‌شوند، درصدی از سلول‌های زیگوت که دوره‌ی نمو جنینی را با موفقیت می‌گذرانند و منجر به تولد نوزاد می‌شوند، احتمال زنده ماندن زاده‌ها تا زمانی که به سن تولید مثل می‌رسند و حتی احتمال زنده ماندن والدین پس از تولید مثل، به ویژه در گونه‌هایی که والدین از فرزندان خود مراقبت می‌کنند؛ از جمله عواملی هستند که تعیین می‌کنند هر فرد چه مقدار در نسل بعد سهم دارد و می‌توان با قاطعیت گفت که این ویژگی‌ها مستقل از ژنوتیپ نیستند.

برای این که بتوانیم یک توصیف کمی درباره‌ی اثر انتخاب طبیعی داشته باشیم، کمیتی را به‌نام «شایستگی تکاملی» تعریف می‌کنیم. شایستگی هر فرد نشان می‌دهد که سهم نسبی او در تشکیل خزانه‌ی ژنی نسل بعد چقدر است. گاهی اوقات کاهش شایستگی به این علت است که افرادی با ژنوتیپ خاص، گامت‌های کمتری تولید می‌کنند و یا بعضی از گامت‌های آن‌ها غیرطبیعی هستند و توانایی شرکت در لقاح را ندارند. در مواردی نیز، نرهایی که فنوتیپ خاصی دارند، در جلب نظر ماده‌ها ناکام می‌مانند و موفق به جفت‌گیری نمی‌شوند.

حال با توجه به موارد گفته شده یک جمعیت چگونه تکامل می‌یابد؟ افراد جمعیت‌ها معمولاً متنوع هستند. وجود تنوع برای بقای گونه مفید است؛ زیرا تنوع توان سازگارشدن با محیط‌های جدید را به جمعیت می‌دهد. آللی که در زمان و مکان خاصی از نظر محیط نامطلوب است، با تغییر شرایط ممکن است بتواند موجب سازگاری شود. گونه‌هایی که نتوانند خود را با محیط تطبیق دهند، منقرض می‌شوند. به یاد دارید که بر اثر انتخاب طبیعی آلل‌های ناسازگار کاهش می‌یابند و فراوانی آلل‌های سازگار به صددرصد نزدیک می‌شود. پس چگونه تنوع در جمعیت‌ها استمرار می‌یابد؟

نخست، باید به یاد داشته باشیم که نیروهای پدید آورنده‌ی تنوع همواره فعال هستند؛ جهش، سبب پیدایش آلل‌های جدید می‌شود؛ شارش ژنی از جمعیت‌های دیگر نیز اتفاق می‌افتد و همچنین در مواردی بر اثر انتخاب طبیعی گوناگونی را افزایش می‌یابد. علاوه بر این‌ها، عوامل دیگری نیز باعث می‌شوند که تنوع در جمعیت‌ها حفظ شود که از حوصله‌ی این مقاله خارج است و به آن‌ها نمی‌پردازیم. همان‌طور که می‌دانید بسیاری از صفات در دنیای طبیعی همواره دو مدل نیستند و به‌دلیل وجود عوامل ایجاد تنوع در افراد جمعیت همواره حالت‌های مختلف یک صفت را مشاهده می‌کنیم. برای مثال قد انسان گستره‌ای از مقادیر مختلف را دارد و اغلب انسان‌ها قدی متوسط دارند و تعداد افراد بسیار قد بلند یا بسیار قد کوتاه نسبتاً کم است. بنابراین اگر نمودار توزیع فراوانی را برای این صفت رسم کنیم، منحنی شکلی زنگوله مانند به خود می‌گیرد. این نوع توزیع را «توزیع طبیعی» می‌نامند. بسیاری از صفاتی که برای ما جالب توجه هستند، توزیع طبیعی دارند، مثل وزن دانه‌های برنج، مقدار پروتئین دانه‌های سویا، غلظتِ قندِ خونِ انسان، رنگ پوست و حتی بهره‌ی هوشی. این گونه صفات را صفات پیوسته یا صفات کمی می‌گویند. اثر انتخاب طبیعی بر صفات پیوسته سه الگوی کلی را نشان می‌دهد.

انتخاب جهت دار معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که شرایط محیط تغییر می‌کند، یا جانداران به محیط جدیدی وارد می‌شوند. در چنین وضعیتی، جاندارانی که در یکی از دو انتهای نمودار توزیع طبیعی جای می‌گیرند و ابتدا فراوانی کمی دارند، انتخاب می‌شوند و پس از مدتی، نمودار توزیع در جهت افزایش یا کاهش مقدار صفت مورد نظر جابه‌جا می‌شود. افزایش تدریجی اندازه‌ی بدن اسب در جریان تغییر گونه‌ها، نمونه‌ای از انتخاب جهت‌دار است و به نظر می‌رسد که این افزایش پاسخی به تغییر در محیط زندگی اسب یعنی تبدیل جنگل به علفزار باشد.

گاه بر اثر انتخاب طبیعی وضع موجود حفظ می‌شود؛ یعنی، افرادی که در میانه‌ی طیف قرار دارند، باقی می‌مانند و فنوتیپ‌های آستانه کاهش می‌یابند. این نوع انتخاب که انتخاب «پایدارکننده» نامیده می‌شود، معمولاً زمانی رخ می‌دهد که جاندار برای مدت زیادی در یک محیط نسبتاً پایدار زندگی و سازگاری‌های لازم را برای زیستن در این محیط پیدا کرده باشد. هرچند که عوامل ایجاد تنوع در افراد این جمعیت باز هم بر قرار است، اما به‌دلیل مورد قبول واقع نشدن قابلیت بروز و افزایش را از دست می‌دهند.

مثال خوبی از انتخاب پایدارکننده، خرچنگ نعل اسبی است. شواهد فسیلی نشان می‌دهد که این جاندار در مدت ۲۲۵ میلیون سال بدون تغییر مانده است. به چنین موجوداتی که بازمانده‌ی جانداران میلیون‌ها سال پیش هستند و شباهت فراوانی به آن‌ها دارند، فسیل زنده می‌گویند. خرچنگ‌های نعل اسبی در ساحل دریاها زندگی می‌کنند. به نظر می‌رسد با وجود تغییر آب و هوای زمین، شرایط زیستگاه این جانوران برای آن‌ها تا حدود زیادی قابل تحمل بوده و بنابراین، نیازی به سازگاری‌های جدید نبوده است.
 

انتخاب گسلنده هنگامی روی می‌دهد که فنوتیپ‌های آستانه‌ای بر فنوتیپ‌های حد واسط ترجیح داده شوند. معمولاً ناهمگنی شرایط محیط باعث این نوع انتخاب می‌شود. نمونه‌ی چنین انتخابی حلزون‌هایی هستند که در زیستگاه‌های مختلفی، از قبیل جنگل‌ها و علفزارها زندگی می‌کنند. حلزون‌هایی که در علفزارها زندگی می‌کنند، نوارهای کاملاً روشن دارند و به این ترتیب از دید دشمنان مخفی می‌مانند. برعکس حلزون‌های جنگلی باید برای استتار، نوارهای تیره داشته باشند. فنوتیپ‌های میانه، در هیچ یک از دو زیستگاه استتار خوبی ندارند و بنابراین کاهش می‌یابند.
 
در انتخاب گسلنده، عملاً جمعیت گونه به دو گروه تقسیم می‌شود که البته این دو گروه توانایی آمیزش با هم را دارند. از آمیزش افراد این دو گروه، احتمالاً برخی از زاده‌ها فنوتیپ حد واسط را دارند و لذا در رقابت حذف می‌شوند. اگر بعضی از افراد به خاطر یک تغییر ژنتیکی، صرفاً با افراد هم گروه خود آمیزش کنند، همه‌ی زاده‌های آن‌ها همان فنوتیپ آستانه‌ای را خواهند داشت و لذا برای بقا انتخاب می‌شوند. در طی نسل‌های پیاپی، این ویژگی، یعنی آمیزش با افراد همسان در میان اعضای جمعیت متداول می‌شود. به این ترتیب، با گذشت زمان، ممکن است خزانه‌ی ژنی دو گروه کاملاً از هم جدا شود و زمینه برای اشتقاق گونه‌ها فراهم شود.

گاه یک مانع جغرافیایی خزانه‌های ژنی جمعیت‌های مختلف یک گونه را به مدت طولانی از هم جدا می‌کند. همچنین، زمانی که گروهی از افراد یک جمعیت به محیط جدیدی مهاجرت می‌کنند و در آنجا مستقر می‌شوند، احتمال دارد که ارتباط خود را با جمعیت مادر به‌طور کامل از دست بدهند. این که سد جغرافیایی باید چقدر بزرگ باشد تا ارتباط جمعیت‌ها را قطع کند، بستگی به میزان تحرک جاندار مورد نظر دارد. ممکن است پرندگان بتوانند فواصل هزاران کیلومتری را پرواز و با جمعیت‌های دیگر از گونه‌ی خود ژن مبادله کنند، در حالی که احتمالاً یک خشکی چند صدمتری برای جداکردن دو گروه از حلزون‌ها کافی است. در مورد گیاهان نیز باید توانایی پراکنش دانه‌های گرده، هاگ‌ها و دانه‌ها را در نظر داشت.

با قطع ارتباط دو جمعیت که در ابتدا به یک گونه تعلق داشته‌اند شارش ژن میان آن‌ها متوقف یا کنُد می‌شود، در حالی که نیروهای دیگر مؤثر بر تغییر گونه‌ها مانند جهش، رانش ژن و انتخاب طبیعی فعال هستند. در این حالت در دو جمعیت، جهش یافته‌های متفاوتی ظاهر می‌شوند و چون تبادل ژن بین جمعیت‌ها صورت نمی‌گیرد، این تفاوت‌ها به تدریج زیاد می‌شود. همچنین، اگر دو جمعیت در شرایط محیطی متفاوتی قرار گیرند، اثر انتخاب طبیعی بر آن‌ها متفاوت خواهد بود، زیرا اعضای هر جمعیت سازگاری‌های ویژه‌ای برای زندگی در محیط جدید خود پیدا می‌کنند. در نبود شارش ژنی، با اثر جهش، انتخاب طبیعی و رانش ژنی، تفاوت میان دو جمعیت به تدریج زیاد می‌شود. ممکن است کم کم این تفاوت‌ها شامل ویژگی‌های تولید مثلی افراد نیز بشود و در این صورت، فرآیند جدایی کامل می‌شود و حتی اگر مانع جغرافیایی برداشته شود، دو جمعیت توان تبادل ژن با یک دیگر را ندارند و عملاً دوگونه‌ی مجزا هستند. به این نوع گونه‌زایی که با جدایی مکانی جمعیت‌ها شروع می‌شود، گونه‌زایی دگرمیهنی می‌گویند. در برابر گونه‌زایی دگرمیهنی، گونه‌زایی هم‌میهنی مطرح می‌شود که بدون نیاز به جدایی جغرافیایی و بین جمعیت‌هایی که در یک زیستگاه به سر می‌برند، اتفاق می‌افتد. برای مثال در اثر یک جهش، افرادی در جمعیت حاصل می‌شوند که قادر به آمیزش با افراد عادی نیستند و فقط با افراد مشابه خود آمیزش دارند یا بعضاً اگر با افراد عادی آمیزش داشته باشند، نسل بعدی یا می‌میرد یا عقیم است و عملاً این گروه جهش یافته در جمعیت منزوی شده و شروع به آمیزش با افراد مشابه خود می‌کنند و به این ترتیب از جمعیت جدا شده و آماده برای ایجاد گونه‌ای متفاوت را می‌کنند.

پرتوهای کیهانی باعث ایجاد پرتو گاما و تبدیل مولکول‌های هوا به مواد رادیو‌اکتیو می‌شود و هر ثانیه بارانی از پرتو‌های خطرناک و موارد رادیو‌اکتیو بر سرموجودات کره‌ی خاکی می‌بارد. این مواد پرتوزا وارد آب و خاک شده و توسط گیاهان جذب می‌شود. موجودات گیاه‌خوار از این گیاهان تغذیه کرده و سپس خوراک سایر موجودات می‌شوند و در نهایت این مواد پرتوزا وارد بدن تمامی موجودات شده و هنگامی که در توالی دی‌ان‌ای آن‌ها قرار می‌گیرند جهش‌هایی را باعث می‌شوند و سپس بر اساس عوامل محیطی و شرایط زندگی جهش‌ها خود را نمایان کرده و چهره‌ی یک جمعیت را تغییر می‌دهند و این تاثیر از اعماق آسمان بر روی اعماق وجود ما تاثیر می‌گذارد و ما را به آنچه که امروز هستیم تبدیل می‌کنند.

بر طبق تحقیقاتی که بر روی میزان دوز‌های خطرناک تریتیوم برای انسان در سال ۱۹۸۶ انجام شد، آزمایش‌هایی‌ بر روی گیاه برگ بیدی صورت گرفت که مشخص شد حتی دوز‌های پایین ترتیوم در آب نیز می‌تواند باعث جهش در این نوع گیاه شود. همچنین در سال ۲۰۱۴ مقاله‌ای توسط آقای «آگوستو گنزالز» منتشر شد که با آزمایشاتی که بر روی باکتری ای‌کولای انجام داده بود به این نتیجه رسید که تاثیر پرتو‌های کیهانی بر جمعیت‌های باکتری بعد از ۵۰۰۰ نسل در تغییرات نرخ جهش به خوبی آشکار می‌شود. با انجام آزمایش‌های مشابه در موش‌ها نیز تاثیرات جهش به‌صورت سرطان در آن‌ها نمایان شد.

در سال‌های اخیر با یافتن فسیل انسان‌های باستانی و همچنین با مطالعات صورت گرفته بر روی یخ‌های قطب جنوب که در خود آثار تابش‌های پرتو‌ی کیهانی گذشته را ثبت نموده‌اند مشخص گردید که طی اولین مهاجرت انسان‌ها از آفریقا تقریباً در ۷۰،۰۰۰ سال پیش، به طرز عجیبی همزمان با زمانی بوده که با افزایش چشم‌گیر پرتو‌ی کیهانی همراه بوده است. هنگامی که در سال ۱۹۷۳ «کارل ساگان» ادعا کرد که پرتو کیهانی مسئول تغیرات تکامل انسانی است، او به شدت معتقد بود که منبع آن‌ها احتمالاً یک ستاره‌ی نوترونی بسیار دور است. امروزه می‌توانیم بی‌تردید ادعا کنیم که آن ستاره‌ی نوترونی مورد ادعای ساگان، ستاره‌ی «ماکیان ایکس-۳» است که در صورت فلکی ماکیان قرار دارد. همچنین اولین بلیزر کهکشانی مناسب برای کاندیدای فرستادن مقدار مناسبی از پرتو‌ی کیهانی برای تکامل انسان است.

اخترفیزیکدانان در حال بررسیاین ستاره هستند و انتظار پدیده‌ای دیگر به‌نام انفجار بزرگ بعدی را می‌کشند که باعث دوشی از ذرات می‌شود که تا کنون دیده نشده و هنگامی که این اتفاق رخ دهد چه کسی می‌داند قدم بعدی برای تکامل انسان چیست؟