بنابراین این چیزی است که زیر سطح آشکار در حال انجام است، درست است؟ اگر به یک فرد یا جمعیت نگاه می کنید، لزوما متوجه آن نمی شوید، اما اگر نسل به نسل نگاه کنید، ممکن است متوجه شوید.

آره. درک این استحکام مستلزم آن است که به زیر سطح نگاه کنید. ما و دیگران اکنون این را در بسیاری از سیستم های مختلف کشف کرده ایم. به نظر می رسد چیزی نسبتاً کلی است که در سطوح مختلف سازمان اعمال می شود. من شیفته اصولی هستم که فقط برای یک ارگانیسم یا یک نوع سیستم اعمال نمی شوند، بلکه می توانند در سطوح مختلف سازمانی کار کنند. و این یک نامزد است.

هنگامی که برای اولین بار آزمایشگاه خود را در دانشگاه زوریخ راه اندازی کردید، برای ادامه کاوش در این ایده ها چه کردید؟

در اینجا یکی از اولین آزمایشات ما است: شخصی کشف کرده بود که زمانی که باکتری اشریشیا کولی وارد دستگاه روده انسان می شود، محیط حاوی اکسیژن است. اما وقتی به عمق روده می رود، محیط شروع به کمبود اکسیژن می کند. باکتری E. coli بسته به اینکه آیا اکسیژن وجود دارد یا نه، نیاز به بیان ژن های مختلف دارد.

معلوم شد باکتری E. coli این واکنش پیش‌بینی را تکامل داده است، به‌محض اینکه وارد دستگاه گوارش می‌شود، قبل از رسیدن به ناحیه اکسیژن شروع به فعال کردن ژن‌های مورد نیاز می‌کند. آینده نگری آن ممکن است از هزاران میلیون باری که از مجرای روده گذرانده تکامل یافته باشد: وقتی گرم می شود یا pH پایین می آید یا هر چیز دیگری که هست، باید این ژن ها را روشن کند، زیرا به زودی تمام می شود. از اکسیژن

ما می خواستیم بفهمیم که آیا شما می توانید چیزی شبیه به آن را در آزمایشگاه تکامل دهید. بنابراین ما مخمر را بین محیط های مختلف استرس زا چرخاندیم. هنگامی که مخمر چندین بار چرخه را طی کرد، آیا آنها قبل از شروع استرس اکسیداتیو شروع به فعال کردن ژن های کنترل استرس اکسیداتیو [از اکسیژن فعال بیش از حد] می کنند؟ ما شواهدی پیدا کردیم که آنها این کار را کردند.

این نوعی آزمایش بود که من دوست دارم روی آن کار کنم که در اصل بسیار ساده است و در مورد یک ایده اساسی است - در این مورد، آیا حتی موجودات بسیار ساده می توانند آینده را پیش بینی کنند؟

آیا می خواهید بگویید که ایده های کتاب اول شما، ورود بهترين ها (Penguin Random House، 2015) از کارهایی که در آزمایشگاه انجام می دادید استخراج شده اند؟

این آزمایش‌ها مطمئناً بخشی از آنچه را که در کتاب نوشتم آگاه کرد. اما واقعاً این آزمایش‌ها نبودند که کتاب را هدایت کردند. واقعاً این ایده اساسی بود که می توانیم تکامل را به عنوان کاوش در فضایی از ژنوتیپ ها در نظر بگیریم. ما می توانیم توانایی موجودات را برای سازگاری با درک چگونگی سازماندهی فضا مطالعه کنیم. آیا همه ژنوتیپ ها با یک فنوتیپ در گوشه ای از آن فضا هستند؟ یا به نوعی در فضا پراکنده هستند؟ فکر می‌کردم این ایده مهمی است و هیچ‌کس در مورد آن چیزی ننوشته است.

بنابراین ایده این است که نسخه‌های مختلف ژن‌ها می‌توانند بر تناسب تکاملی موجودات تأثیر بگذارند، و این را می‌توان در قالب یک نمودار ترسیم کرد. چشم انداز تناسب اندام. لطفاً توضیح دهید که منظره تناسب اندام چیست؟

A چشم انداز تناسب اندام آنالوگ یک منظره فیزیکی است که در آن هر مکان با یک ژنوتیپ - یک توالی DNA، شاید فقط برای یک ژن منفرد - مطابقت دارد. و ارتفاع در آن مکان با معیارهایی از کیفیت مطابقت دارد - برای مثال، تناسب اندام یا توانایی یک آنزیم برای کاتالیز کردن یک واکنش یا انجام کارهای مهم دیگری برای ارگانیسم.

این یک مفهوم اساسی در زیست شناسی تکاملی است. اما برای نزدیک به 80 سال فقط نظریه در آن منطقه وجود داشت. هزاران مقاله در مورد اینکه این مناظر ممکن است شبیه به چه شکلی باشند منتشر شده است، اما کار آزمایشی بسیار بسیار کمی در این زمینه وجود دارد.

در اوایل دهه 2000 کمی تغییر کرد. مردم شروع به ایجاد مجموعه ای از ژنوتیپ ها کردند و فنوتیپ های آنها را مطالعه کردند. این مناظر اولیه فقط حدود 20 تا 40 ژنوتیپ را شامل می شد. در مقایسه با این تعداد نجومی ژنوتیپ هایی که در ژنوم خود داریم کم است. و جالب بود، اما من احساس می‌کردم که احتمالاً می‌توانیم بهتر عمل کنیم - که می‌توانیم مناظر بزرگ بیشتری ایجاد و مطالعه کنیم، و شاید به این سؤال بزرگ بپردازیم: چگونه جمعیت‌های در حال تکامل بالاترین قله‌ها را در چنین منظره‌ای پیدا می‌کنند و به بهترین وجه با آن سازگار می‌شوند. محیط خاصی؟

چرا این سوال سخت است؟

اگر منظره ای صاف باشد، آنچه که به آن چشم انداز کوه فوجی می گویند، یک قله وجود دارد و همه شیب هایی که از آن قله بالا می روند کاملا صاف هستند. در یک جمعیت در حال تکامل، انتخاب همیشه آن جمعیت را به سمت سربالایی سوق می دهد. به راحتی می توانست آن قله را پیدا کند.

با این حال، اگر یک منظره ناهموار و دارای قله های متعدد باشد، مشکل دارید. شاید بیشتر این پیک ها کم باشند و مربوط به ژنوتیپ هایی با تناسب اندک هستند که با محیط خود سازگاری ضعیفی دارند. از آنجا که انتخاب طبیعی فقط جمعیت را به سمت افزایش تناسب اندام سوق می دهد، هنگامی که به عنوان یک جمعیت در اوج پایینی قرار گرفتید، نمی توانید جلوتر بروید. شما نمی توانید از دره بین قله ای که در آن هستید و قله بالاتر بعدی عبور کنید. برخی مکانیسم ها می توانند این کار را انجام دهند، اما آنها فقط برای مثلاً جمعیت های بسیار بزرگ یا جمعیت هایی با نرخ جهش بسیار بسیار بالا اعمال می شوند.

در صدها یا هزاران مقاله در مورد تجزیه و تحلیل چشم انداز نظری، این مشکل در اوایل تشخیص داده شد. مردم نگران بودند که مناظر واقعی ممکن است بسیار ناهموار باشد. اگر چنین است، پس تکامل هرگز نمی تواند بهترین موجودات سازگار را پیدا کند. شاید همه تنوع زندگی در آن بیرون چیزی است که بسیار کمتر از آنچه که می‌توانست سازگار باشد. بنابراین این مشکل واقعاً مهمی شد.

وقتی مشخص شد که می‌توان هزاران ژنوتیپ را برای مطالعه آن با استفاده از CRISPR-Cas تولید کرد، واقعاً به این مشکل علاقه مند شدم. ما چند کار آتی داریم که این سوال را بررسی می‌کند، اما هنوز در مجلات در دست بررسی است، بنابراین نمی‌توانم وارد جزئیات شوم.

از کار در کتاب جدیدتان بگویید.

یک پدیده به خوبی مطالعه شده در هنر و علم وجود دارد که بسیاری از افراد بسیار خلاق در طول زندگی خود دچار سرخوردگی و عدم موفقیت زیادی می شوند، اما بعداً بسیار مشهور می شوند. حتی اصطلاحی برای این مورد برای توصیف نشریات علمی وجود دارد که در اولین انتشار شناخته نمی شوند: آنها "زیبای خفته" نامیده می شوند.

اکنون، من تکامل را مطالعه می‌کنم، و تا حدودی الگوی مشابهی در تکامل وجود دارد. بسیاری از اشکال زندگی وجود داشته اند که در زمان پیدایش با هیچ معیاری موفقیت چندانی نداشتند. آنها به صدها گونه تابش نکردند و مناطق وسیعی از سطح سیاره را پوشش ندادند. اما به اندازه کافی صبر کنید و آنها بسیار موفق شدند.

بهترین مثال علف ها هستند. امروزه علف‌ها یکی از موفق‌ترین خانواده‌های موجودات زنده روی کره زمین هستند. آنها حجم عظیمی از قلمرو در اکثر قاره ها را پوشش می دهند و تنوع بسیار زیادی را با حدود 10,000 گونه بسیار متفاوت ایجاد کرده اند. اندازه آنها از توده های کوچک علف های قطب جنوب گرفته تا جنگل های بزرگ بامبو در آسیا متغیر است. علف ها قدیمی هستند. ما گرده چمن را در فسیل دایناسورهای 65 میلیون سال پیش پیدا می کنیم. اما آنچه کاملاً قابل توجه است این است که وقتی علف‌ها به وجود آمدند و برای میلیون‌ها سال پس از آن، فقط در حاشیه زیست‌کره امرار معاش می‌کردند. برای تغییر آن، آنها باید به معنای واقعی کلمه 40 میلیون سال منتظر نقطه خود در خورشید بودند.

ما الگوهای مشابهی را در بسیاری از موجودات می بینیم. پستانداران بیش از 100 میلیون سال قبل از اینکه برای اولین بار موفق شوند به وجود آمدند. تکامل با اشکال و روش های مختلف زندگی پستانداران آزمایش کرد، مانند پرواز مانند خفاش یا زندگی در آب مانند سمورها، یا زندگی درختی و غیره. بسیاری از اینها منشأ یافتند و دوباره منقرض شدند. آنها آنقدر ناموفق بودند که در واقع باید توسط تکامل دوباره اختراع می شدند. این اتفاق در برخی از دودمان پستانداران چندین بار قبل از اینکه پستانداران واقعاً موفق شوند اتفاق افتاد.

ما پدیده های مشابهی را در زنبورها و سایر حشرات مشاهده می کنیم. بسیاری از اشکال مختلف زندگی در ابتدا چندان موفق نبودند و سپس موفق شدند.

من به اصولی بسیار علاقه مند هستم که برای تمام زندگی در سطح جهانی قابل اجرا باشد، صرف نظر از اینکه این زندگی انسان باشد یا چیزی که 4 میلیارد سال پیش سرچشمه گرفته است. این انگیزه اساسی برای نوشتن کتاب بود. کتاب واقعاً درباره همه این نوآوری های خفته است.

به نظر می رسد ارتباطی بین این نوع تغییرات تاخیری و آزمایشاتی که قبلا انجام می دادید وجود دارد.

زمانی بود که این نوع پدیده را در آزمایشگاه پیدا کردیم که به آن علاقه مند شدم. گرفتیم باکتری E. coli و آنها را در معرض محیطی قرار داد که حاوی مقدار زیادی آنتی بیوتیک به نام آمپی سیلین است. اکثر آنها در حضور آن آنتی بیوتیک خواهند مرد. اما باکتری ها در ایجاد مقاومت آنتی بیوتیکی بسیار سریع هستند، بنابراین در عرض چند هفته، آنها مطلقاً مشکلی برای زنده ماندن از دوزهای بالای آن ندارند.

ما به صفات دیگری که این باکتری ها به عنوان محصول فرعی آن فرآیند تکاملی به دست آوردند، علاقه مند بودیم. برای اینکه بفهمیم آنها چه می‌توانند باشند، باکتری‌ها را در معرض صدها محیط سمی دیگر حاوی آنتی‌بیوتیک‌ها یا سموم دیگر مانند فلزات سنگین یا حلال‌ها قرار دادیم. ما از کارهای قبلی می‌دانستیم که در بسیاری از این محیط‌ها، باکتری‌ها نمی‌توانند زنده بمانند یا خیلی ضعیف زنده بمانند.

نکته مهمی که باید بدانیم این است که این باکتری ها قبل از آزمایشات ما با هیچ یک از آن محیط ها مواجه نشده بودند. اما ما دریافتیم که در 20 مورد از این محیط ها، باکتری ها می توانند به خوبی زنده بمانند. قابل توجه بود که به عنوان محصول فرعی تکامل برای یک چیز، شما به طور کلی چیز دیگری دریافت می کنید. و نه فقط یک چیز، بلکه چندین ویژگی زنده ماندن.

در آینده در رابطه با این ایده امیدوارید چه کاری انجام دهید؟

به تازگی یک میکروبیولوژیست دریایی با من تماس گرفته است که می خواهد آزمایش مشابهی را در آزمایشگاه با پلاستیک انجام دهد. او یکی از معدود افرادی است که لکه زباله بزرگ اقیانوس آرام را کاوش کرده و از آن نمونه برداری کرده است کلونی های میکروبی روی پلاستیک ها. او به این موضوع علاقه مند است که چگونه باکتری هایی که روی پلاستیک رشد می کنند ممکن است توانایی های دیگری را به عنوان یک محصول جانبی ایجاد کنند. ما مقاله ای در مورد یک موضوع مرتبط داشتیم طبیعت در سال 2012. ما از نظر تئوری نشان دادیم که باکتری‌هایی که می‌توانند در یک منبع مواد مغذی زنده بمانند، اغلب می‌توانند در ده‌ها منبع دیگر که هرگز در طبیعت با آن‌ها مواجه نشده‌اند، زنده بمانند.

بسیاری از جهت‌های تحقیقاتی جدید وجود دارد که می‌توان از آنجا به آنها منشعب شد. آنچه من امیدوار هستم این است که افراد در زیست شناسی توجه بیشتری به این توانایی موجودات برای تکامل آنچه که من ویژگی های نهفته می نامم داشته باشند.

وقتی خاصیتی را می بینیم که در یک ارگانیسم تکامل یافته است، این بازتاب را داریم که فکر می کنیم محصول انتخاب طبیعی است، درست است؟ اینکه در مقطعی، این خاصیت برای بقای ارگانیسم مفید بود، و به همین دلیل است که امروز آن را می بینیم. اما همانطور که این نوع آزمایش‌ها نشان می‌دهند، لزوماً اینطور نیست.

می توانست برای چیزی کاملا متفاوت انتخاب شده باشد.

دقیقا. این فقط می تواند یک محصول جانبی باشد. و بنابراین احتمالاً عاقلانه نیست که همیشه دیدگاه انطباق گرا یا انتخاب گرایانه داشته باشیم. ممکن است صفات زیادی وجود داشته باشد که اصلاً دلیل خوبی ندارد.

ما نمونه هایی از طبیعت را نیز می دانیم. غارهای زیرزمینی وجود دارند که میلیون ها سال است که به طور کامل از جهان خارج بسته شده اند. و هنگامی که مردم به آن غارها رفتند و از باکتری هایی که هرگز با تمدن بشری در تماس نبودند نمونه برداری کردند، متوجه شدند که این باکتری ها در برابر آنتی بیوتیک های متعدد مقاوم هستند. و برخی از این آنتی بیوتیک ها مولکول های طبیعی نیستند - آنها مولکول هایی هستند که فقط در آزمایشگاه یافت می شوند.

به نظر می رسد تقریباً این باکتری ها روشن بین هستند، می دانید؟ مثل اینکه آنها پیش‌بینی می‌کردند زمانی که بشریت به وجود آمد، در برخی مواقع باید در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم شوند، درست است؟ اما یک توضیح بسیار پیش پا افتاده وجود دارد که مربوط به این نوع صفات نهفته است که ما در آزمایشات آزمایشگاهی شناسایی کردیم. بنابراین این ویژگی ها واقعاً در طبیعت وجود دارند. آنها فقط مصنوعات آزمایش ها نیستند.