Αυτό είναι κάτι που συμβαίνει κάτω από το προφανές επίπεδο, σωστά; Δεν το προσέχετε απαραίτητα αν κοιτάτε ένα άτομο ή έναν πληθυσμό, αλλά μπορεί να παρατηρήσετε αν κοιτάξετε από γενιά σε γενιά.

Ναί. Η αντίληψη αυτής της στιβαρότητας απαιτεί να κοιτάξετε κάτω από την επιφάνεια. Εμείς και άλλοι το έχουμε ανακαλύψει τώρα σε πολλά διαφορετικά συστήματα. Φαίνεται να είναι κάτι αρκετά γενικό που ισχύει σε πολλαπλά επίπεδα οργάνωσης. Με γοητεύουν οι αρχές που δεν ισχύουν μόνο για έναν οργανισμό ή ένα είδος συστήματος, αλλά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε πολλά διαφορετικά επίπεδα οργάνωσης. Και αυτός είναι ένας υποψήφιος.

Όταν πρωτοδημιουργήσατε το εργαστήριό σας στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, τι κάνατε για να συνεχίσετε να εξερευνάτε αυτές τις ιδέες;

Εδώ είναι ένα από τα πρώτα μας πειράματα: Κάποιος είχε ανακαλύψει ότι όταν το βακτήριο Escherichia coli εισέρχεται στον ανθρώπινο εντερικό σωλήνα, το περιβάλλον περιέχει οξυγόνο. Αλλά καθώς μπαίνει βαθύτερα στο έντερο, το περιβάλλον αρχίζει να στερείται οξυγόνου. Ε. coli χρειάζεται να εκφράζει διαφορετικά γονίδια ανάλογα με το αν υπάρχει οξυγόνο ή όχι.

Βγάζει Ε. coli έχει εξελίξει αυτή την προκαταρκτική απόκριση όπου μόλις εισέλθει στο γαστρεντερικό σωλήνα, αρχίζει να ενεργοποιεί τα απαραίτητα γονίδια πριν χτυπήσει την ανοξική ζώνη. Η προνοητικότητά του μπορεί να έχει εξελιχθεί από τις χιλιάδες εκατομμύρια φορές που έχει περάσει από το εντερικό σύστημα: Όταν ζεσταθεί ή πέσει το pH, ή οτιδήποτε άλλο, τότε πρέπει να ενεργοποιήσει αυτά τα γονίδια, γιατί σύντομα θα εξαντληθεί του οξυγόνου.

Θέλαμε να μάθουμε αν θα μπορούσατε να εξελίξετε κάτι τέτοιο στο εργαστήριο. Έτσι ανακυκλώσαμε τη μαγιά μεταξύ διαφορετικών αγχωτικών περιβαλλόντων. Μόλις η μαγιά περνούσε τον κύκλο πολλές φορές, θα άρχιζαν να ενεργοποιούν τα γονίδια για τη διαχείριση του οξειδωτικού στρες [από το πολύ αντιδραστικό οξυγόνο] πριν χτυπήσει το οξειδωτικό στρες; Βρήκαμε κάποια στοιχεία που το έκαναν.

Ήταν το είδος του πειράματος στο οποίο μου αρέσει να δουλεύω, το οποίο είναι πολύ απλό κατ' αρχήν και αφορά μια θεμελιώδη ιδέα — σε αυτήν την περίπτωση, μπορούν ακόμη και πολύ απλοί οργανισμοί να προβλέψουν το μέλλον;

Θα λέγατε ότι οι ιδέες στο πρώτο σας βιβλίο, Άφιξη των πιο δυνατών (Penguin Random House, 2015) αντλήθηκαν από αυτό που κάνατε στο εργαστήριο;

Αυτά τα πειράματα σίγουρα ενημέρωσαν μερικά από αυτά που έγραψα στο βιβλίο. Αλλά δεν ήταν στην πραγματικότητα τα πειράματα που οδήγησαν το βιβλίο. Ήταν πραγματικά αυτή η θεμελιώδης ιδέα που μπορούμε να σκεφτούμε την εξέλιξη ως την εξερεύνηση ενός χώρου γονοτύπων. Μπορούμε να μελετήσουμε την ικανότητα προσαρμογής των οργανισμών κατανοώντας πώς είναι οργανωμένος ο χώρος. Είναι όλοι οι γονότυποι με έναν φαινότυπο σε μια γωνιά αυτού του χώρου; Ή μήπως είναι διάσπαρτα στον χώρο; Νόμιζα ότι ήταν μια σημαντική ιδέα και κανείς δεν είχε γράψει γι' αυτήν.

Έτσι, η ιδέα είναι ότι διαφορετικές εκδοχές γονιδίων μπορούν να επηρεάσουν την εξελικτική ικανότητα των οργανισμών, και αυτό μπορεί να σχεδιαστεί με όρους τοπίο φυσικής κατάστασης. Μπορείτε παρακαλώ να εξηγήσετε τι είναι το γυμναστήριο;

A τοπίο φυσικής κατάστασης είναι ένα ανάλογο ενός φυσικού τοπίου όπου κάθε τοποθεσία αντιστοιχεί σε έναν γονότυπο — μια αλληλουχία DNA, ίσως για ένα μόνο γονίδιο. Και η ανύψωση σε αυτή τη θέση αντιστοιχεί σε κάποιο μέτρο ποιότητας - για παράδειγμα, τη φυσική κατάσταση ή την ικανότητα ενός ενζύμου να καταλύει μια αντίδραση ή να κάνει κάτι άλλο σημαντικό για τον οργανισμό.

Αυτή είναι μια θεμελιώδης έννοια στην εξελικτική βιολογία. Αλλά υπήρχε μόνο θεωρία σε αυτόν τον τομέα για σχεδόν 80 χρόνια. Χιλιάδες εργασίες έχουν δημοσιευθεί σχετικά με το πώς μπορεί να μοιάζουν αυτά τα τοπία, αλλά υπάρχει πολύ, πολύ λίγη πειραματική εργασία σε αυτόν τον τομέα.

Αυτό άρχισε να αλλάζει λίγο στις αρχές της δεκαετίας του 2000. Οι άνθρωποι άρχισαν να δημιουργούν συλλογές γονότυπων και μελέτησαν τους φαινότυπους τους. Αυτά τα πρώτα τοπία περιλάμβαναν μόνο περίπου 20 έως 40 περίπου γονότυπους. Μικρός σε σύγκριση με αυτούς τους αστρονομικούς αριθμούς γονοτύπων που έχουμε στο γονιδίωμά μας. Και ήταν συναρπαστικό, αλλά ένιωσα ότι θα μπορούσαμε ίσως καλύτερα - ότι μπορούσαμε να δημιουργήσουμε και να μελετήσουμε πολλά περισσότερα μεγάλα τοπία και ίσως να αντιμετωπίσουμε το μεγάλο ερώτημα: Πώς οι εξελισσόμενοι πληθυσμοί βρίσκουν τις υψηλότερες κορυφές σε ένα τέτοιο τοπίο και προσαρμόζονται καλύτερα σε συγκεκριμένο περιβάλλον;

Γιατί είναι μια δύσκολη ερώτηση;

Εάν ένα τοπίο είναι ομαλό, αυτό που ονομάζεται τοπίο του όρους Φούτζι, υπάρχει μία μόνο κορυφή και όλες οι πλαγιές που ανεβαίνουν σε αυτήν την κορυφή είναι απόλυτα ομαλές. Σε έναν πληθυσμό που εξελίσσεται, η επιλογή θα οδηγεί πάντα αυτόν τον πληθυσμό σε ανηφόρα. Θα μπορούσε εύκολα να βρει την υψηλότερη κορυφή.

Ωστόσο, εάν ένα τοπίο είναι τραχύ και έχει πολλές κορυφές, έχετε πρόβλημα. Ίσως οι περισσότερες από αυτές τις κορυφές να είναι χαμηλές και να αντιστοιχούν σε γονότυπους με χαμηλή φυσική κατάσταση που δεν είναι καλά προσαρμοσμένοι στο περιβάλλον τους. Επειδή η φυσική επιλογή θα οδηγήσει τους πληθυσμούς μόνο προς την αύξηση της φυσικής κατάστασης, όταν είστε κολλημένοι σε χαμηλή κορυφή ως πληθυσμός, δεν μπορείτε να προχωρήσετε περισσότερο. Δεν μπορείτε να διασχίσετε την κοιλάδα μεταξύ της κορυφής στην οποία βρίσκεστε και της επόμενης υψηλότερης κορυφής. Κάποιοι μηχανισμοί μπορούν να το κάνουν αυτό, αλλά ισχύουν μόνο για, ας πούμε, πολύ μεγάλους πληθυσμούς ή πληθυσμούς με πολύ, πολύ υψηλά ποσοστά μετάλλαξης.

Στις εκατοντάδες ή χιλιάδες εργασίες για τη θεωρητική ανάλυση του τοπίου, αυτό το πρόβλημα αναγνωρίστηκε νωρίς. Οι άνθρωποι ανησυχούσαν ότι τα πραγματικά τοπία μπορεί να είναι πολύ τραχιά. Αν ναι, τότε η εξέλιξη δεν θα μπορούσε ποτέ να βρει τους καλύτερα προσαρμοσμένους οργανισμούς. Ίσως όλη η ποικιλομορφία της ζωής εκεί έξω να είναι κάτι πολύ λιγότερο καλά προσαρμοσμένο από ό,τι θα μπορούσε να είναι. Έτσι, αυτό έγινε ένα πραγματικά σημαντικό πρόβλημα.

Ενδιαφέρθηκα πραγματικά για το πρόβλημα όταν ήταν σαφές ότι θα ήταν δυνατό να δημιουργηθούν χιλιάδες γονότυποι για τη μελέτη του χρησιμοποιώντας το CRISPR-Cas. Έχουμε κάποια προσεχή εργασία για την εξέταση αυτής της ερώτησης, αλλά είναι ακόμα υπό εξέταση σε περιοδικά, οπότε δεν μπορώ να μπω σε λεπτομέρειες.

Μίλησε μου για το έργο στο νέο σου βιβλίο.

Υπάρχει ένα καλά μελετημένο φαινόμενο τόσο στις τέχνες όσο και στις επιστήμες ότι πολλοί εξαιρετικά δημιουργικοί άνθρωποι βιώνουν μεγάλη απογοήτευση και έλλειψη επιτυχίας κατά τη διάρκεια της ζωής τους, αλλά στη συνέχεια καταλήγουν να γίνονται πολύ διάσημοι αργότερα. Υπάρχει ακόμη και ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει επιστημονικές δημοσιεύσεις που δεν αναγνωρίζονται όταν κυκλοφορούν για πρώτη φορά: Ονομάζονται «ομορφιές που κοιμούνται».

Τώρα, μελετώ την εξέλιξη, και υπάρχει ένα κάπως ανάλογο μοτίβο στην εξέλιξη. Υπήρξαν πολλές μορφές ζωής που δεν ήταν πολύ επιτυχημένες με κανένα πρότυπο όταν εμφανίστηκαν. Δεν εκπέμπονταν σε εκατοντάδες είδη και δεν κάλυπταν μεγάλες περιοχές της επιφάνειας του πλανήτη. Αλλά περιμένετε αρκετά, και έγιναν πολύ επιτυχημένοι.

Το καλύτερο παράδειγμα είναι τα χόρτα. Σήμερα, τα χόρτα είναι μια από τις πιο επιτυχημένες οικογένειες οργανισμών στον πλανήτη. Καλύπτουν τεράστιες ποσότητες εδάφους στις περισσότερες ηπείρους και έχουν αναπτύξει τεράστια ποικιλομορφία, με περίπου 10,000 πολύ διαφορετικά είδη. Κυμαίνονται σε μέγεθος από τις μικροσκοπικές τούφες των χόρτων της Ανταρκτικής έως τα τεράστια δάση μπαμπού στην Ασία. Τα χόρτα είναι παλιά. Βρίσκουμε γύρη χόρτου σε απολιθωμένη κοπριά δεινοσαύρων πριν από 65 εκατομμύρια χρόνια. Αλλά αυτό που είναι πολύ αξιοσημείωτο είναι ότι όταν εμφανίστηκαν τα χόρτα και για πολλά εκατομμύρια χρόνια μετά, απλώς έβγαζαν τα προς το ζην στο περιθώριο της βιόσφαιρας. Για να αλλάξει αυτό, έπρεπε να περιμένουν κυριολεκτικά 40 εκατομμύρια χρόνια για τη θέση τους στον ήλιο.

Βλέπουμε παρόμοια μοτίβα σε πολλούς οργανισμούς. Τα θηλαστικά προέκυψαν περισσότερα από 100 εκατομμύρια χρόνια πριν γίνουν για πρώτη φορά επιτυχημένα. Η εξέλιξη πειραματίστηκε με διαφορετικές μορφές ζωής και τρόπους ζωής θηλαστικών, όπως πέταγμα σαν νυχτερίδες ή νερό που ζει σαν ενυδρίδες ή δέντρο κ.λπ. Πολλά από αυτά προήλθαν και εξαφανίστηκαν ξανά. Ήταν τόσο ανεπιτυχείς που στην πραγματικότητα έπρεπε να επανεφευρεθούν από την εξέλιξη. Αυτό συνέβη σε ορισμένες γενεαλογίες θηλαστικών πολλές φορές πριν τα θηλαστικά γίνουν πραγματικά επιτυχημένα.

Ανάλογα φαινόμενα βλέπουμε σε μέλισσες και άλλα έντομα. Τόσες πολλές, πολλές διαφορετικές μορφές ζωής δεν ήταν πολύ επιτυχημένες στην αρχή και στη συνέχεια έγιναν επιτυχημένες.

Με ενδιαφέρουν πολύ οι αρχές που ισχύουν για όλη τη ζωή παγκοσμίως, ανεξάρτητα από το αν είναι ανθρώπινη ζωή ή κάτι που προήλθε πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή ήταν η βασική ώθηση για τη συγγραφή του βιβλίου. Το βιβλίο είναι πραγματικά για όλες αυτές τις αδρανείς καινοτομίες.

Φαίνεται ότι υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ αυτού του είδους της καθυστερημένης παραλλαγής και των πειραμάτων που κάνατε πριν.

Ήταν όταν βρήκαμε αυτού του είδους το φαινόμενο στο εργαστήριο που με ενδιέφερε. Πήραμε Ε. coli και τα εξέθεσε σε ένα περιβάλλον που περιέχει πολύ ένα αντιβιοτικό που ονομάζεται αμπικιλλίνη. Οι περισσότεροι από αυτούς θα πεθάνουν παρουσία αυτού του αντιβιοτικού. Αλλά τα βακτήρια είναι εξαιρετικά γρήγορα στην ανάπτυξη της αντοχής στα αντιβιοτικά, έτσι μέσα σε λίγες εβδομάδες, δεν έχουν κανένα απολύτως πρόβλημα να επιβιώσουν από υψηλές δόσεις.

Μας ενδιέφεραν άλλα χαρακτηριστικά που απέκτησαν αυτά τα βακτήρια ως υποπροϊόν αυτής της εξελικτικής διαδικασίας. Για να μάθουμε τι μπορεί να είναι, εκθέσαμε τα βακτήρια σε εκατοντάδες άλλα τοξικά περιβάλλοντα που περιέχουν άλλα αντιβιοτικά ή τοξίνες όπως βαρέα μέταλλα ή διαλύτες. Γνωρίζαμε από προηγούμενη εργασία ότι σε πολλά από αυτά τα περιβάλλοντα, τα βακτήρια δεν μπορούσαν να επιβιώσουν ή να επιβιώσουν πολύ άσχημα.

Το σημαντικό πράγμα που πρέπει να συνειδητοποιήσουμε είναι ότι αυτά τα βακτήρια δεν είχαν συναντήσει κανένα από αυτά τα περιβάλλοντα πριν από τα πειράματά μας. Αλλά διαπιστώσαμε ότι σε 20 περίπου από αυτά τα περιβάλλοντα, τα βακτήρια θα μπορούσαν να επιβιώσουν αρκετά καλά. Ήταν αξιοσημείωτο ότι ως υποπροϊόν της εξέλιξης για ένα πράγμα παίρνεις κάτι άλλο εντελώς. Και όχι μόνο ένα πράγμα, αλλά πολλαπλά χαρακτηριστικά βιωσιμότητας.

Τι ελπίζετε να κάνετε στο μέλλον που σχετίζεται με αυτήν την ιδέα;

Μόλις επικοινώνησα μαζί μου από έναν θαλάσσιο μικροβιολόγο που θα ήθελε να κάνει ένα παρόμοιο είδος πειράματος στο εργαστήριο με πλαστικά. Είναι ένας από τους λίγους ανθρώπους που έχουν εξερευνήσει το Great Pacific Garbage Patch και το έχουν δοκιμάσει μικροβιακές αποικίες στα πλαστικά. Ενδιαφέρεται για το πώς τα βακτήρια που εξελίσσονται για να αναπτυχθούν σε πλαστικό μπορεί να αναπτύξουν άλλες ικανότητες ως υποπροϊόν. Είχαμε μια εργασία για ένα σχετικό θέμα Φύση το 2012. Δείξαμε θεωρητικά ότι τα βακτήρια που μπορούν να επιβιώσουν σε μια πηγή θρεπτικών συστατικών συχνά μπορούν να επιβιώσουν από δεκάδες άλλες πηγές που δεν έχουν συναντήσει ποτέ στην άγρια ​​φύση.

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές νέες ερευνητικές κατευθύνσεις που θα μπορούσε κανείς να διακλαδίσει από εκεί. Αυτό που ελπίζω είναι ότι οι άνθρωποι στη βιολογία θα αρχίσουν να δίνουν περισσότερη προσοχή σε αυτή την ικανότητα των οργανισμών να εξελίσσουν αυτό που αποκαλώ λανθάνοντα χαρακτηριστικά.

Όταν βλέπουμε μια ιδιότητα που έχει εξελιχθεί σε έναν οργανισμό, έχουμε αυτό το αντανακλαστικό να πιστεύουμε ότι είναι προϊόν φυσικής επιλογής, σωστά; Ότι κάποια στιγμή, η ιδιότητα ήταν χρήσιμη για την επιβίωση του οργανισμού, και γι' αυτό το βλέπουμε σήμερα. Αλλά όπως δείχνουν αυτού του είδους τα πειράματα, αυτό δεν ισχύει απαραίτητα καθόλου.

Θα μπορούσε να ήταν επιλογή για κάτι εντελώς διαφορετικό.

Ακριβώς. Θα μπορούσε απλώς να είναι ένα υποπροϊόν. Και επομένως, μάλλον δεν είναι συνετό να έχουμε πάντα μια προσαρμοστική ή επιλεκτική άποψη. Μπορεί να υπάρχουν πολλά χαρακτηριστικά που υπάρχουν χωρίς κανένα καλό λόγο.

Γνωρίζουμε παραδείγματα και από την άγρια ​​φύση. Υπάρχουν υπόγειες σπηλιές που είναι εντελώς κλειστές από τον έξω κόσμο εδώ και εκατομμύρια χρόνια. Και όταν οι άνθρωποι πήγαν σε εκείνες τις σπηλιές και πήραν δείγματα από βακτήρια που δεν είχαν έρθει ποτέ σε επαφή με τον ανθρώπινο πολιτισμό, διαπίστωσαν ότι αυτά τα βακτήρια ήταν ανθεκτικά σε πολλαπλά αντιβιοτικά. Και μερικά από αυτά τα αντιβιοτικά δεν είναι φυσικά μόρια — είναι μόρια που εμφανίζονται μόνο στο εργαστήριο.

Θα μπορούσε να φαίνεται σχεδόν σαν αυτά τα βακτήρια να είναι διορατικά, ξέρετε; Όπως περίμεναν ότι κάποια στιγμή θα χρειαζόταν να είναι ανθεκτικά στα αντιβιοτικά όταν εμφανιστεί η ανθρωπότητα, σωστά; Αλλά υπάρχει μια πολύ κοσμική εξήγηση που έχει να κάνει με αυτά τα λανθάνοντα είδη χαρακτηριστικών που εντοπίσαμε σε πειράματα στο εργαστήριο. Έτσι, αυτά τα χαρακτηριστικά υπάρχουν πραγματικά στη φύση. Δεν είναι απλώς τεχνουργήματα πειραμάτων.